电子产品中静电防护问题研究

杨志丹，张治杰

（海装天津局 北京 100076）

0 引言

1 静电起放电机理及静电危害分析

任何两种不同的物体或处于不同状态的同一种物体，发生电荷转移，当这种不平衡的电荷产生了可以测量到的电场，这形成了物体的静电带电现象即静电起电（electrostatic electrification）。带静电荷的物体通常称为静电源，当带电体周围的场强超过周围介质的绝缘击穿场强时，导致介质电离而使带电体电荷瞬间部分或全部消失的现象，即静电放电（ESD）。静电放电能够改变半导体器件的电性能，也能扰乱电子设备的正常操作，进而引起故障或损坏。

1.1 静电起、放电过程

静电产生与材料的电阻率、接触面积、分离速度及环境湿度有关。电阻率越高，越易积聚电荷，静电位越高，越不易泄漏。环境湿度对静电产生的影响也很大，湿度为10%～20%时，产生的静电要比湿度为70%～80%时高8%～40倍。静电放电损伤主要是带电体对器件的直接放电和电场感应放电两种情况。尽管决定一个物体带电、放电的因素很多，但主要有下面几个过程。

(a) 接触— —分离起电、放电

它的起电主要指固体与固体之间的接触——分离起电，就是指两种不同的固体紧密接触、分离以后在分离面上产生电子转移，一些电子从疏电子类的物质向亲电子类的绝缘物质转移，带上符号相反、电量相等的电荷，与之相似的静电起电有剥离起电、破裂起电、电解起电等。当该带电体接触静电放电敏感器件时就发生ESD事件。

(b) 电场感应起电、放电

静电敏感器件进入静电场，就因感应发生电荷再分布而带电。例如带电的静电场使邻近的导体极化。若感应电荷有一个放电通路，则发生静电放电。

(c) 溶性起电、放电

马尾大桥跨江段主桥分左右幅，采用双向八车道，桥面宽度42.5 m，设计荷载等级为城市-A级，抗震设防烈度等级为Ⅶ度。马尾大桥主桥桥型布置如图1所示，主跨采用240 m空腹式钢-混凝土混合变截面连续箱梁结构，其余各跨均采用变截面连续混凝土箱梁结构，主桥桥跨布置为795 m。

溶性起电可以使相对无害的电压增大到危险的程度。电容器的储存电量公式Q=CU（电荷量Q等于电容C乘以电压U）显示了电荷量与电压的关系：当电荷量为常数时，电容减小将导致电压增高。这样，如果一个与地之间有较大电容的器件带有无害的低电压，当器件移动到对地较远的距离时，则电容C变小，这个电压就可能上升为有害电压。例如当你拿起一个位于地板上的器件时，你就减小了它与地板之间的电容，从而升高电压，此时，若将这个器件接地，它就可能因发生静电放电而损坏。

1.2 静电及静电放电对电子产品损害原因

静电对电子产品的危害具有普遍性、随机性和隐蔽性的特点。静电能吸附灰尘，降低器件绝缘电阻，导致产品损伤。电子元器件接触或接近超过其静电放电敏感阈值的带电体，就可能发生ESD损伤，而且静电还可以在任何两种物体接触分离的条件下产生，故静电对电子元器件的损伤可能发生在产品的加工制造、使用、维护的任一环节，故具有普遍性和随机性。人在操作过程中会带上静电，发生ESD时，人体一般无感觉，而电子元器件却在人们不知不觉中受到损伤，因而有隐蔽性。其产生的影响原因如下：

(a) 放电电流或放电功率导致的损伤。如静电放电时，导致半导体局部结温度接近材料的熔融温度，形成熔融短路故障；静电放电使元器件的温度升高，导致金属化层熔化或键合引线烧熔故障；静电放电形成半导体结区局部高温，致使结的参数发生变化。

(b) 放电电压导致的损伤。由于静电放电，加在元器件绝缘区的电压超过介质固有的击穿电压时，会发生介质击穿。这种失效主要由于电压而不是功率造成的。如果脉冲能量不足以使击穿的材料融化，该元器件可以在电压击穿后恢复。然而，这种事故后，会呈现出较低的击穿电压和增加漏电电流，尽管元器件没有失效，但形成潜在缺陷，继续使用会导致失效。

(c) 静电放电产生的电磁场幅度大、频谱宽，对电子产品造成电磁干扰甚至损坏。

如果器件全部破坏，必能在生产及检验中被发现而排除产生的影响较小，如果元器件轻微受损，在正常测试下不易发现，在使用时才发现破坏，不但检查不易，要耗费大量人力及财力才能查清所有问题，而且其损失也难以预测。

2 静电放电防护原则与具体控制措施

从前面的分析可知静电是在任何时间、任何地点都可能产生，当静电积累到一定程度时就会发生放电而带来危害。要完全消除静电几乎不可能的，但通过采取正确和适当的静电防护和控制措施，就可以消除或控制静电的发生，或控制把静电在不造成危害的程度内。

2.1 防护原则

静电形成危害要同时具备3个条件：产生并积聚足够的静电、静电场内有静电敏感的电子器件、静电源与静电易损件间的耦合能量大于静电敏感度。因此，要针对这3个方面制定防护原则。

2.1.1 抑制起电

一是采用等电位外壳将防护的物件包围起来，使内部的物件也具有相等电位，不受外部静电放电的影响，即使屏蔽壳带有大量的静电电荷，放电现象也只在壳外发生，内部物件不受影响。防静电包装袋、储物盒等可移动物采用这种方法。二是利用空气中的带电离子来中和物体表面的静电电荷。对于有绝缘要求的非金属物体表面，不能用屏蔽方法，对于金属表面又不能接地的，一般采用这种方法。湿度较高的空气环境（40%～80%）具有静电中和作用。离子风机是专门向空气中散发带电离子的设备，也能够有效地中和物体表面的静电电荷。三是减小摩擦起电的可能性。如防静电材料选用不易摩擦起电的材料。

2.1.2 控制积聚

通过接地连接将防静电物体的表面与大地等电位，使因磨擦或感应等原因产生的静电电荷通过静电接地泄放到大地中。如通过防静电地垫、防静电工作台、防静电椅子、防静电腕带、防静电鞋及防静电剂等控制积聚。

2.2 静电放电控制措施

应用上述方法，可以采取相应的措施，达到防护和控制的目的。

2.2.1 建立防静电环境

在有防静电要求的环节，建立静电防护环境。静电防护系统一般采用如下措施：一是采用等电位搭接的方法，即将所有表面——防静电地面、防静电桌面、防静电柜板面、防静电座椅、防静电车台面、防静电腕带与人体接触面等连接在一个可靠的接地体上，这些表面均使静电荷积累减小，并且可使电荷以受控制的方式泄入到大地的材料，这样防止不同物体之间产生电位差并且可以有效泄放静电电荷。二是采用防静电周转箱、防静电包装袋防止起电。三是采用防静电服装、防静电鞋，一方面有效抑制静电荷的产生，另一方面当它们与地接触时，还可实现静电荷的泄放功能。运用防静电剂喷涂在物体表面也可有效抑制静电荷的积累。四是使用离子风静电消除器和控制适宜的湿度来消除绝缘材料表面的静电荷。五是采用测量监控的方法，利用静电检测仪表检测人体是否带有静电，监测防静电设施是否正常。

在整个静电防护系统中，关键是系统接地，防静电接地应定期检查。首先是接地体的接地，静电接地最好采用独立的接地体，接地体的接地电阻越小越好，最大不得大于4Ω。当静电接地与设施接地合用一个接地体时，要求单点接地，各子系统接地的母线之间应互相绝缘。静电接地不允许和雷电接地合用一个接地体。其次是防静电装备的接地，防静电地面、防静电桌面、防静电车、防静电椅、防静电腕带等接地时应串联一个1MΩ的电阻后,再与接地体连接,使得地面、桌面、车台面、椅面以及腕带与人体皮肤的接触面的对地电阻值为1066～1099Ω之间。原因是静电泄漏速率取决于材料表面电阻及其介电常数。电阻率在1011～1015Ωcm的材料易产生静电，且不易泄漏。电阻率在108Ωcm以下的材料不易产生静电，即使产生静电也较快泄漏，是静电良导体。但电阻不能太低，太低有使人触电的危险，并且还会因为泄漏电流大而损坏电器元件，故防静电电阻控制在106～1099Ω范围内。

2.2.2 设计和生产过程中的防护措施

一是产品在设计阶段，应对可能产生的静电放电失效或性能降低问题进行分析，要求设计人员使用低敏感度的器件，同时进行ESD防护网络设计，在电路上采取保护措施。二是在生产过程中为了尽量少地产生静电荷，应从工艺流程、材料选择、设备安装和操作管理等方面采取措施，控制电荷的产生和积聚，抑制静电放电的强度，使之不超过危害的程度。

2.2.3 操作人员落实防护措施

凡进入放静电区域的人员必须穿着防静电服和防静电鞋；不准在操作静电敏感产品的现场穿上或脱去工作服（应在指定的更衣场所进行更衣）；接触具有防静电要求产品和元器件的人员必须佩戴防静电腕带，并在防静电工作台上进行操作；应制定防静电的培训计划，以确保所有操作静电敏感器件、产品的人员得到必要的培训，并达到熟练的程度。

综上，静电放电的发生是不可避免的，但静电放电的危害是可以预防的。只要有效防护设施，人员培训、管理到位，静电损伤就可以避免，电子装备的可靠性就可以提高。

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