电子工业中的静电控制技术摘要

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1、精选优质文档-倾情为你奉上电 子 工 业 中 的 静 电 控 制 技 术 摘 要 ：电子产业中静电的产生与危害，提出并详细论述了如何防止静电对电子产品损害的有效措施。关键词：静电 ESD控制 设计 EPA 泄放 中和 消除 接地 检测一、概述在人们的日常生活和工作中, 经常会遇到静电现象。那么, 静电到底是什么, 它的产生机理以及它有哪些危害, 如何预防和消除这些危害, 这是我们必须考虑和解决的问题。1什么是静电？静电是客观存在的自然现象，是一种电能，只要物体之间相互摩擦、剥离、感应就会产生静电。导体与绝缘体相接触、绝缘体与绝缘体相接触，都容易产生静电。它存在于物体表面，是正负电荷在局部失衡时

2、产生的一种现象。静电现象是指电荷在产生与消失过程中所表现出的现象的总称，如摩擦起电就是一种静电现象。2. 为什么要防静电？静电放电(ESD, electrostatic discharge) 已经成为电子工业的隐形杀手。由于电子行业的迅速发展，体积小、集成度高的器件得到大规模生产和应用。一方面随着纳米技术的日益发展，集成电路的集成密度越来越高，从而导致导线间距越来越小，绝缘膜越来越薄，相应的耐静电击穿电压也越来越低；另一方面，一些表面电阻率很高的高分子材料如塑料、橡胶制品的广泛应用以及现代生产过程的高速化, 以及人体活动，使静电能积累到很高的程度,具备了可怕的破坏性.不同的静电敏感器件受静电损

3、伤的阈值电压见表1。表1器件类型耐静电放电电压值（V）奔腾处理器5EPROM芯片100CMOS250肖特基二极管300可控硅680同时人的活动是最主要的静电源，仅某单位机房一台计算机，在操作人员启动开关按钮的一刹那，突然发生故障停机，事后测得操作人员人体带电电位高达6700伏，机内印刷电路板（PCB）被打坏，损失近3万美元。而电子产品在生产、运输、储存和转运等过程中所产生的静电电压却远远超过其击穿电压阈值，这就可能造成器件的击穿或失效，影响产品的技术指标，降低其可靠性。由此可见，静电是电子行业发展中的一大障碍。所以预防静电必须提到议事日程上来，以确保产品的质量。ESD是电子工业中普遍存在的 硬

4、病毒，在某个内外因条件具备的时刻便会发作。为使电子器件及产品在购买、入库、发料、检验、储存、调测和安装等过程中免受静电危害,了解静电产生的机理和一些防止静电产生危害的相关知识是非常必要和重要的。二、电子行业中静电危害的形成 电子行业中静电危害可分为两类：一是由静电引力引起的浮游尘埃的吸附；二是由静电放电引起的介质击穿。1. 静电吸附在半导体元器件的生产制造过程中, 由于大量使用了石英及高分子物质制成的器具和材料，其绝缘度很高，在使用过程中一些不可避免的摩擦可造成其表面电荷不断积聚, 且电位愈来愈高。表1列出了半导体元器件及其使用环境中部分物品表面的静电电位。表 2名 称静电电位(kV)芯片5.

5、0工作台表面35操作人员100从表2可见，它们的静电电位都很高。由于静电的力学效应，在这种情况下, 很容易使工作场所的浮游尘埃吸附于芯片表面，而很小的尘埃吸附都有可能影响半导体器件的良好性能。所以电子产品的生产必须在清洁环境中操作，并且操作人员、器具及环境必须采取一系列的防静电措施，以防止和降低静电危害的形成。 2介质击穿的分类由静电引起元器件的击穿是电子工业中静电危害的主要方式。在强电场中，随着电场强的增强，电荷不断积累，当达到一定程度时，电介质会失去极化特征而成为导体，最后产生介质的热损坏现象，这种现象称为电介质的击穿。介质击穿分热击穿、化学击穿和电击穿三种形式。（1）热击穿 介质工作时，

6、当损耗产生的热量大于介质向周围散发的热量时，介质的温度迅速升高，导电随之增加，直至介质的热损坏。可见热击穿的核心问题是散热问题。所以热设计是产品设计的重要环节之一。（2）化学击穿 在高压下，强电场会在介质表面或内部的缺陷小孔附近产生局部空气碰撞电离，引起介质电辉，生成化学物质-臭氧和二氧化碳，使绝缘性能降低，致使介质损坏。（3）电击穿 电击穿是介质在强电场作用下, 被击发出自由电子而引起的。自由电子随电场强度的增加而急剧增加，从而破坏介质的绝缘性能。可见电击穿的本质是电荷积聚所致, 因而防止电荷积聚就可防止电击穿。3静电的击穿与放电（1）静电放电 静电放电与外加稳定电源产生的放电虽然同为电荷积

7、聚所致，但又有着明显的区别。首先，在静电放电的情况下，起放电电源是空间电荷，因而它所储存的能量是有限的，不像外加电源那样具有持续放电的能力，故它仅能提供短暂发生的局部击穿能量。虽然静电放电的能量较小, 但其放电波形很复杂，控制起来也比较麻烦。半导体器件的软击穿就与它有关。（2）静电击穿由静电击穿引起的元器件击穿损坏是电子工业中，特别是电子产品制造、电装中最普遍、最严重的危害。静电放电可能造成器件硬击穿或软击穿。硬击穿是一次性造成器件的永久性失效，如器件的输出与输入开路或短路。软击穿则可使器件的性能劣化，并使其指标参数降低而造成故障隐患。由于软击穿可使电路时好时坏（指标参数降低所致），且不易被发

8、现，给整机运行和查找故障造成很大麻烦。软击穿时设备仍能带病工作，性能未发生根本变化，很可能通过出厂检验，但随时可能造成再次失效。多次软击穿就能造成硬击穿，使设备运行不正常，既给用户造成损失，也影响厂家声誉和产品的销售，甚至会给国家造成无法挽回的损失。4人体静电在工业生产中，引起元器件损坏和对电子设备的正常运行产生干扰的一个主要原因是人体静电放电。人体静电放电既可能造成人体遭电击而受伤害，又可能引发二次事故（即器件损坏），因此人体静电应引起足够重视。人体形成静电的原因是人体在日常工作中，把人体所消耗的机械能在活动中转换为电能。人体是一个静电导体，当与大地绝缘时（如穿的鞋底为绝缘物质），人体与大地

9、就形成一个电容，使电荷储存起来，其充电电压一般50kV。表3反映的是不同条件下人的各种动作所产生的静电电压（单位：KV）.表 3动作相对湿度10%RH40%RH55%RH人在塑胶地板上行走1253人在塑胶工作台上工作60.80.4在塑料台面上滑动塑料盒1892从泡沫塑料包装中取出PCB21115.5由表3可见，一个很常见、很细微的动作就会引起相当高的静电电压。当人体带电放电时，人体会有不同程度的反映，这种反映称为电击感度。当人体受到静电电击时，虽不会发生重大生理障碍，但可能会影响人体健康或伤害人体。表4为人体静电电位和电击感度的关系。 表 4人体电位（kV）电 击 感 度备 注10无感觉20手

10、指外侧有感觉发出微弱的放电声25有针刺的感觉，但不疼3.0有像针刺样的痛感40有针刺的感觉，手指微疼见到放电微光60手指感到剧疼，手腕感到沉重100手腕感到剧疼，手感到麻木120手指剧麻，整个手感到被强烈电击由表4可见，电击伤害发生的极限是3.0KV.同时带静电的人体去触摸静电敏感器件，从而造成这些敏感器件的损伤。三防静电控制技术（措施）根据静电放电发生的原理、危害及规律，为了防止静电放电造成危害可以遵循以下原则，建立起有效的防静电控制措施。a).把静电控制体现到设计中b).防止静电电荷的积聚,抑制、减少静电的产生c).建立快速、安全的泄放通道d).对防静电措施的有效性进行检测和监控1.把静电

11、控制体现到设计中（1）生产环境的防静电设计电子产品的生产环境的防静电设计是ESD控制的关键所在,设计的依据是电子器件绝缘膜、整机中静电敏感器件（ESDS）的耐静电击穿电压以及生产设备的耐静电性能。制造商必须确定一个特殊的ESD控制级别，该级别由生产过程中最为敏感的元件所决定，生产环境必须保障该级别的安全性。根据DGJ08-83-2000防静电工程技术规程规定，控制静电的工程设计具体分为三级：一级标准为控制室内静电电位绝对值不大于100V; 二级标准为控制室内静电电位绝对值不大于200V; 三级标准为控制室内静电电位绝对值不大于1000V。防静电工程分级标准适用场所如下表5：防静电级别适用场所一

12、级1.微电子电路制造和测试场所2.电子产品生产中操作一级敏感器件场所3.航空、航天、国家安全等部门的信息管理和指挥中心二级1.以程控交换机为代表的各类通讯机房2.金融、证券系统的结算中心3.重要经济部门电力、交通等自动化监控、调度系统三级1.除上述以外的一般计算机处理系统2.除上述以外的电子器件和整机的组装调试场所3.智能化建筑中电脑操作场所以及重要的公共活动场所由于静电破坏于无形，故消除ESD危害，要以预防为主，防患于未然。作业区中必须设置静电保护区域(EPA, electrostatic protected area)。根据IEC1340-5-1（1995）电子器件防护规范一般要求中，对E

13、PA的核心要求是等电位搭接，即将人员、材料、工作面连接在一起并电气连接到公共地，防止不同物体之间产生电位差，因为ESD不会发生在保持相同电势或零电势的材料之间，所以EPA环境中的ESDS器件或电路板，都可以免受ESD损害。（2）器件、产品的防静电设计要做到更为有效的ESD控制，首先在器件和产品的设计中，应充分体现静电防护的思想，在器件内部设置静电防护元件，尽量使用对静电不敏感的器件以及对所使用的静电放电敏感器件（ESDS）提供适当的输入保护，使其更合理地避免ESD的伤害。MOS工艺是集成电路制造的主导技术, 以金属氧化物半导体场效应管为基本构造元件。由于MOS器件中场效应管的栅、源极之间是一层

14、亚微米级的绝缘栅氧化层，故其输入阻抗通常大于1000M ，并且具有5pF左右的输入电容，极易受到静电的损害。因此，在MOS器件的输入级中均设置了电阻-二极管防护网络，串联电阻能够限制尖峰电流, 二极管则能限制瞬间的尖峰电压。 通过对PCB的分层设计，并尽可能使用多层PCB可以实现PCB的抗ESD设计。对于顶层和底层表面都有元器件、具有很短连接线以及许多填充地的高密度PCB，可以考虑使用内层线。大多数的信号线以及电源和地平面都在内层上，因而类似于具备屏蔽功能的法拉第盒，使之具有很强的ESD防范性能。 整机产品设计时，可在ESDS器件最易受损的管脚处（例如Vcc和I/O管脚），根据被保护电路的电特

15、性、可用的电路板空间决定加入抑制电路或隔离电路。以应用很广的瞬态电压抑制器（TVS）为例，当受到外界瞬态高能量冲击时，TVS以皮秒级的速度，将其瞬态电压保护二极管两极间的高阻抗变成低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，被保护器件可免受ESD的损伤。TVS具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、箝位电压易控制、体积小等优点，可有效地抑制共模、差模干扰，是电子设备ESD保护的首选器件。2.防止静电电荷的积聚,抑制、减少静电的产生显然，设计不是完整的答案。逃避ESDS元件和产品是不现实的，但是在生产和储运过程中尽可能地减少产生静电的工序和材料，可以在很大程度上抑制、减少静电的产生与积累。由于静电荷聚集在材料的表面，因此材料的表面电阻率决定了材料本身防静电的技术特性。根据国际电工学会发布的IEC/TC47(sec)1330文件和国家军用标准GJB3007规定，按材料的