電子元器件靜電防護措施

武文娟

(西安航天精密機電研究所,陜西西安 710100)

1 靜電的產生

1.1 摩擦產生靜電

靜電是一種特殊的現象,當物體表面的正電荷與負電荷在局部范圍內難以保持在平衡狀態下時,就產生了靜電現象,從本質上看,電子或者離子的轉移是引起靜電現象的直接原因。對于兩個相互絕緣的物體而言,相互之間因為存在著一定的摩擦作用力,伴隨著摩擦作用力的產生,一個物體中的部分電子會轉移至另一物體表面,電子的轉移使得該物體失去了部分電子,帶上了“正電荷”,而另一個物體因為得到了電子,帶上了“負電荷”,這種電子轉移引起了靜電現象[1]。因此,接觸摩擦是引起靜電現象的一大原因,同樣是靜電的一大類型,現實生活中,塑料、地毯、化纖織物、紙張等由于其材料性質的特殊性,相互之間存在摩擦或者與人之間的摩擦,產生了一定量的靜電荷。

除了不同物質之間的相互接觸摩擦會產生靜電現象,相同物質之間的相互接觸摩擦同樣會造成一定的靜電現象,比如,金屬和非金屬之間同樣會存在摩擦。從根本上看,靜電現象下的靜電能量大小除了與物質本身的特點有關外,更是與材料表面的清潔程度、環境條件、接觸壓力等各種因素有著直接的關系[2]。

1.2 感應產生靜電

現實生活中的靜電現象還表現為一種感應靜電,就是當導體或者電介質處于一定的靜電場條件下時,會出現明顯的感應起電現象。當帶靜電的物體附近有導體分布的情況下,因為存在靜電場的作用力,也就加劇了導體極化,而極化以后的電介質在電力線方向相對的兩面出現了大小相同、極性相反的感應電荷,也就同步伴隨著靜電現象的發生,這一類靜電現象的產生過程如圖1所示。

圖1 靜電感應現象Fig.1 Electrostatic induction

2 靜電對電子元件的危害

吸引或者排斥是靜電的基本物理特性,靜電與大地之間存在著明顯的電位差,該電位差的存在使得靜電現象發生的同時出現了一定的放電電流,靜電的這些物理特性使得靜電現象對于電子元器件的危害性相對較大[3]。從本質上來看,靜電現象對電子元器件的危害具體表現在以下方面:靜電在吸附灰塵的同時,使得線路之間的阻抗發生了明顯的變化,電子元器件的性能和使用壽命都難以維持最佳狀態;靜電放電現象對電子元器件造成了一定的損傷,雖然在些微損壞的情況下電子元器件依舊可以正常使用,但是其使用壽命卻大大縮短;靜電放電過程中的電磁場幅度異常變化,使電子元器件存在著嚴重的電磁干擾。

針對靜電現象對電子元器件造成的損傷和危害,根據危害程度,可能是永久性的也可能是短暫性的,既可以是突發性的也可以是潛在性的。相比較而言,靜電放電對電子元器件的損傷最大,也是影響電子元器件正常使用的直接原因。一般情況下,人們更多地認為CMOS類晶片對靜電是最為敏感的,事實上,對于集成度非常高的電子元器件而言,其對于靜電現象同樣具有極高的敏感性。隨著技術的日漸進步,集成電路元器件表現出線路縮小、耐壓降低、線路面積減小的特點,正是因為電子元器件的這些特點,使得各類電子元器件的耐靜電沖擊能力相對較差,靜電放電對電子元器件的使用造成了巨大的干擾。此外,隨著生產生活領域塑料制品的廣泛使用,這些高絕緣材料增加了靜電現象的出現頻次,再加上日常生活中的走動、空氣流動或者搬運等,均可能會出現靜電現象,對電子元器件造成的危害是非常大的,因此,為避免電子元器件由靜電現象而引起失效,應重視靜電防護。

3 電子元器件的靜電防護措施

由于靜電對電子元器件的危害是非常大的,因此,為提高電子產品的靜電防護能力,使得電子產品具備極高的能力來應對靜電損傷,就需要在電子元器件的設計、加工、裝配、測試、運輸等各個環節,參與到這些環節的全部人員都應該具備極高的防靜電意識,對各個崗位人員做好靜電防護知識的普及和推廣[4]。電子元器件靜電防護應從以下方面來開展:

3.1 導體帶靜電的防護

電子元器件的有關部位出現靜電現象的幾率較高,在靜電防護過程中,針對可能出現或者已經出現靜電現象的導體部位,如生產線、設備、儀表外殼等,因為這些部分出現靜電現象的幾率較高,且危害較大,為了消除靜電危害,可以在這些部位提供相應的通道來使得靜電得以快速泄放,這種方式也就是接地處理。一般情況下,良好的接地處理可以給靜電提供對應的泄放通道,使得在帶電體中的靜電荷可以經由該通道泄出并導入大地,基于接地處理的一系列流程,即使出現了靜電現象,泄放通道的存在可以使得靜電放電對電子元器件的損傷大大減小。電子元器件的防靜電處理中,在條件允許的情況下,可以通過防靜電接地線的單獨布設,來將防靜電接地線與電源接地線隔離開來,將需要進行防靜電的導體直接連接于防靜電地線上。

3.2 非導體帶靜電的防護

一些靜電現象是在絕緣體上發生的,這種情況下的靜電防護方面,因為電荷無法在絕緣體上流動,因此,常規的接地處理的方式無法實現有效的靜電防護,為解決這一情況下的靜電問題,電荷中和的方法更為合適。比如,通過離子風扇的使用,就可以大大減小靜電危害,在離子風扇的運行過程中,伴隨著一定的正、負離子產生,而這些正、負離子實現靜電的中和。根據電荷中和法的技術原理,如果靜電現象難以通過接地泄放的方式來實現防護,就可以采用電荷中和法,比如,高速貼片接頭等部位,電荷中和法的防靜電效果十分理想。此外,靜電消除劑的使用同樣可以實現靜電防護,絕緣物體表面的靜電可以利用靜電消除劑反復擦洗來降低靜電的發生概率。

靜電放電與溫度、濕度等環境因素也存在著緊密的聯系,在同一大氣環境條件下,溫度偏低區域的濕度要高于溫度偏高地區的濕度,濕度偏大的情況下,非導體材料表面的電導率也相對偏大,空氣導電性能的增大使得原先在絕緣物體表面上積累的靜電荷可以在非常短的時間內泄露出去。因此,根據這一變化關系,在環境溫度越低的情況下,濕度越大,靜電現象發生的幾率也相對較低,靜電防護相對簡單。當靜電防護過程中面臨的是存在靜電威脅的場所,在條件允許的情況下,基于環境溫度和濕度等與靜電現象之間的關系,可以通過增加濕度、降低溫度的方式來實現靜電防護,這種環境溫度和濕度控制的靜電防護手段相對簡單,且整體的成本投入相對較低。

靜電屏蔽同樣十分有效,對于一些易出現靜電現象的設備、部件和儀器而言,選用靜電屏蔽的方法更為有效。在利用靜電屏蔽法進行靜電防護的過程中,主要利用的是導體在靜電場中的靜電平衡性,當使用相應的屏蔽設備切斷了靜電源與敏感元器件之間的耦合路徑以后,也就實現了對靜電現象的預防與控制。在電子元器件的搬運、輸送過程中,為通過靜電屏蔽的方式進行靜電防護,可以將這些電子元器件放置于三層結構的防靜電屏蔽袋或者屏蔽盒內。防靜電屏蔽袋或者屏蔽盒內層采用的是低起電材料所制成的,在使用的過程中可以對摩擦起電起到一定的抑制作用。導電的中間金屬層一般使用的是鋁箔材料,經由地面、桌子、料架等以接地點之間可靠連接,也就使得外部的電荷經由該連接線被引向大地,這種情況下,即使外部靜電源再大,但在屏蔽袋或者屏蔽盒內的電勢差、電廠均為零,保持在相對的靜電平衡條件下,靜電現象出現的概率大大降低,實現了對電子元器件的保護[5]。

3.3 靜電防護器材的使用

在電子元器件的靜電防護過程中,通過一定靜電防護器材的使用,可以實現靜電防護。通常情況下,靜電防護器材需滿足:存在一定的導電性,這一特性使得其自身的靜電產生相對較少,使得外電場靜電可以在較短的時間內及時泄露出去;具備一定的電阻特性,這一特性使得靜電防護器材可以有效對靜電泄放的速度加以有效控制,因為一旦泄放電流得不到有效的控制,可能會導致電子元器件的損壞,影響電子元器件的正常使用。現階段,隨著電子元器件生產工藝的日漸成熟,在各類電子元器件的組裝過程中大多使用的是表面電阻為1×105Ω以內的靜電亞導體等作為靜電防護器材的材料,靜電防護效果相對理想[6]。電子元器件的生產和組裝過程中,應加強對各類防靜電器材的使用,比如,防靜電腕帶、工作服、手套、防靜電地坪等,積極通過這些防靜電器材的使用來減小靜電危害。

4 結語

靜電現象對電子元器件造成的損傷非常大,為有效實現靜電防護,應根據靜電的產生機理和危害性,采取有針對性的靜電防護策略,降低靜電發生概率的同時也減小靜電對電子元器件的損傷,延長電子元器件的使用壽命。