電子產品組裝過程常見失效機理及預防措施

文/胡長亮

隨著科學技術的發展，電子產品實現了小型化、智能化的轉變，這得益于大規模集成電路的使用，然而，集成化的電路設計卻是一把雙刃劍，在降低能耗、減小體積的同時，也增加了電子產品的不穩定性。其中，核心電路板的失效將導致整個電子產品無法正常使用，因此，研究電子產品的穩定性，則需要從電子產品組裝過程中的失效機理進行研究，并提出具有針對性的預防措施。

圖1：摩擦起電的原理示意圖

1 電子產品組裝過程中的常見失效機理

微電子技術、信息技術的發展和大規模集成電路的使用，促進了電子產品的小型化，部分敏感元器件封裝尺寸不斷縮小，這些元器件對不同靜電電位的物體相互靠近或直接接觸引起的電荷轉移較為敏感，導致電子元器件處于不穩定的狀態，進而存在失效風險。尤其在電子產品組裝過程中，其常見失效機理包括以下幾種類型。

1.1 靜電產生及放電的失效機理

當物體中的電子產生定向轉移時，該物體被極化，由此產生了帶電現象，根據電子轉移的實際情況，物體的極化效果存在正極性和負極性之分，并且，電子轉移量越大，其極性也就越明顯。在生活中，靜電產生的主要方式包括摩擦起電和感應帶電。

所謂摩擦起電，是指由于不同物體在表面接觸、摩擦的過程中存在能態差異，在接觸面上發生電荷轉移，并在此基礎上產生偶電層，具體如圖1所示。

其中，A代表著接觸物體表面能態作用下的電荷轉移過程，在完成電荷轉移之后，在接觸物體表面形成B中的偶電層，當接觸物體分開時，也就產生了C中的帶電現象。根據摩擦起電的原理和現象可以這樣認為，偶電層的存在，相當于一個電容器，隨著電容器兩極板距離的增加，電容值將減小，其接觸面積電壓卻能夠迅速增加，靜電的危害自此產生。一旦放電環境成立，將會產生較大的電流，對于電子產品電路板上的電子元器件來說，這一電流會影響到電子元器件的正常工作。

除摩擦起電以外，另一種靜電產生方式則為感應帶電，部分不帶電的導體能夠在特殊的外界電場環境作用下變為帶電導體，物體內部電子的定向聚集，使物體形成感應電勢，也就具有了正向電位。感應電勢的存在，能夠在與電子產品電路板接觸時形成火花放電反應，這種放電可以分為直接接觸或非直接接觸兩種類型，對于電子產品的危害也較大。

1.2 溫濕度敏感電子元件的失效機理

在電子產品設計過程中，部分用到的電子元器件對于環境中溫濕度的變化較為敏感，以至于在電子產品組裝過程中受環境中溫濕度的影響而發生失效。例如，電子產品組裝處于高溫環境時（回流焊、波峰焊），電子元器件中的濕氣將在高溫下形成蒸汽，進而導致元器件內部形變，或者是后期腐蝕現象的發生。其中以腐蝕導致的電子元器件失效主要表現在脆性增加、接觸電阻值增加、熱膨脹系數變化等，即便在電子產品組裝過程中未發現其中異樣，也會為后期使用埋下隱患。

以較為常見的“爆米花效應”為例，對于塑料封裝工藝的電子元器件來說，由于塑料元件能夠吸附空氣中的水分，以至于在經過回流焊或波峰焊時受高溫作用，超出塑封電子元器件模壓材料的玻璃轉化溫度，模壓材料變軟，失效應力作用下的元器件水分迅速氣化膨脹，當水分氣壓達到一定程度后，將對封裝造成明顯破壞，最嚴重的就是電子元器件鼓裂、爆裂，這就是所謂的“爆米花”效應。

2 電子產品組裝過程的防護措施

在電子產品組裝過程中，無論是靜電的存在，還是溫濕度環境的變化，都會影響到電子產品的正常性能，嚴重者將會威脅到使用者的人身安全。因此，為確保電子產品的安全性、功能性，則需要在電子產品組裝過程中選擇有效的防護措施。

2.1 靜電防護措施

針對較為常見的靜電失效現象來說，在電子產品的生產、組裝、存儲、運輸、使用等各個環節普遍存在，然而，靜電危害的根本在于電荷的積累，因此，在靜電防護中，應針對電荷的積累制定對應的防護措施。

2.1.1 靜電耗散及釋放

在實際電子產品組裝過程中，對產生的靜電及時進行耗散與釋放是防治靜電危害的主要方法之一，通常使用防靜電材料進行處理。其中，靜電耗散主要是利用了防靜電材料能夠組織同類型電荷在某一區域的積累，從而降低電子元器件表面電勢，防止靜電危害形成。靜電釋放是指對物體表面已經積累的電荷進行特殊處理的一種方法，使原本積累的電荷向大地轉移。

以靜電接地為例，其形式包括軟接地和硬接地兩種，以串接限制流過人體的電流進入大地的方式成為軟接地，硬接地則是將電子元器件與大地相連接的一種方式。在實際電子產品組裝過程中，這兩種方式都得到了普遍應用。軟接地方式主要為一線組裝工人所使用（靜電電流限制在5mA以內），該方式的選擇與實際工作現場的靜電積累速度相關。硬接地則針對大型用電設備的靜電釋放，硬接地通道應單獨設立于靜電防護工程之中，建立專用的靜電釋放線路，保證靜電電壓能夠在1s的時間內將至100V以下。

2.1.2 靜電中和

所謂靜電中和，是指利用相反電荷的作用原理，通過外加電荷的形式，將原積累電荷進行中和的過程。作為消除靜電的主要措施，對于電子產品中無法使用靜電防護材料的情況，則可以采用靜電中和的方式避免靜電對其產生的危害。一般情況下，多使用局部工作區域靜電中和或工作臺靜電中和措施，在條件允許的前提下，甚至可以對電子產品組裝車間整體進行靜電中和。

然而，靜電中和的使用卻存在一定的風險，例如，當靜電中和器異性電荷釋放與實際靜電荷量差別較大時，靜電中和器將產生靜電高壓，使用不當的情況下，容易對人體、電子產品造成二次傷害。因此，在使用類似高壓靜電中和器時，需要隨時關注設備上的靜電電壓顯示值，使其維持在一定的安全范圍之內。

2.1.3 環境增濕

研究發現，環境濕度的大小對于靜電的釋放有著一定的影響，隨著相對濕度的增加，物體表面電阻將明顯下降，以紙為例，在相對濕度為90%的環境中，其表面電阻約為1×109Ω，當環境相對濕度將至40%時，其表面電阻則增加到1×1011Ω左右。由此來看，對于電子產品組裝環境的濕度控制，應當結合電子元器件的實際情況進行調節，在考慮到成本的情況下，可以適當增加電子產品組裝臺區域的濕度，以實現對靜電的良好控制。

這里需要注意的是，環境增濕法在靜電控制中的使用具有一定的限制，濕度過大不僅會影響到電子元器件的正常性能，也會對工作人員的身體造成一定的傷害。并且，從成本方面考慮，在大型電子組裝車間中使用這一方法也不現實。以波峰焊車間為例，經過波峰焊的電路板溫度較高，如果此時車間內部相對濕度較大時，將會導致電路板金屬部分出現氧化、腐蝕現象，這為電子產品的質量問題埋下了隱患。

2.2 濕敏元件應對措施

針對濕敏元件，在行業標準中有著明確的防護說明，相關電子元器件除再生產過程中嚴格控制環境濕度外，出廠前也會采用真空包裝的形式，避免環境濕度距離變化對電子元件性能造成影響。為指導濕敏元件的使用，廠家一般會在真空包裝袋內放置濕敏卡或貼有濕敏標簽，濕敏卡和標簽會隨著內部環境濕度的變化而產生對應的顏色變化，通過觀察濕敏卡的顏色，就能夠確定濕敏元件存放環境是否滿足要求。

在實際電子產品組裝過程中，由于元件真空包裝已經損壞，濕敏卡和標簽所顯示的濕度值已經超標，如需二次使用這些卡和標簽，則需要對其進行低溫烘烤，否則，濕度現實結果將與真實值存在較大偏差。

除在生產和組裝過程中對濕敏元件進行失效預防措施以外，對于存儲環節中的濕敏元件防護也較為關鍵。任何一種材料都具有吸水性，其差異在于吸水能力的大小，甚至有些材料自身就具有透水性。電子元器件封裝材料在吸水后將明顯改變其性能，甚至對內部芯片、電路造成破壞，使其功能失效。因此，電子產品中含有濕敏元件的，應當提供標準的存儲環境，嚴格控制存儲空間內的濕度變化范圍，確保濕敏元件的性能不受影響。

3 總結

電子產品的小型化、集成化對電子元件的性能提出了較高要求，高度集成化的電路板中元器件間的能量釋放密度與互聯密度明顯增加，從而導致電子產品組裝過程中的電子元件失效分析更加困難。通過分析電子元件特性，對電子元件常見失效原因進行研究，減少因靜電、濕度等多種因素導致的電子產品組裝過程中電子元件失效問題，在提高電子產品可靠性的同時，也降低了因電子元件失效造成的生產成本增加問題。

參考文獻

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