LED静电防护

李 宏，牛静霞

(1.河北联合大学,理学院，河北 唐山 063000；2.河北联合大学轻工学院，河北 唐山 0630090)

引言

由于静电问题的存在，许多LED产品在生产过程中因静电防护不当致使管芯被损害，进而影响灯具的使用寿命，甚至直接使产品变成废品。为了解决这一问题，本文以静电防护为主题，总结了一些防静电方面的经验，希望LED生产企业能将这些措施应用到实际生产中去，做好静电防护。

1 静电的特点及危害

1.1 静电现象

日常生活中如走动、空气流动、搬运等都能产生静电。静电是一种处于相对稳定状态的电荷。静电是一种电能，它存留于物体表面，是正负电荷在局部范围内失去平衡的结果，是通过电子或离子的转换而形成的。静电现象是电荷在产生和消失过程中产生的电现象的总称。

1.2 静电的特点

在电子工业生产中，产生的静电具有高电位、小电量、对地分部电容小、泄漏与放电时间短的特点。设备、生产环境或人体上的静电电位可达几千伏以上。电子生产环境所积累的静电量一般不高，通常为微库仑级、纳库仑级。放电时间多为微秒级、纳秒级。但瞬间放电的峰值能量可达几百瓦以上，峰值电流达几至几十安培，足以造成微电子器件(组件)的损坏。静电较之流动电流受环境条件，特别是湿度的影响比较大。静电测量时复现性差、瞬态变化多。

1.3 静电对LED产品的危害

静电对LED产品的危害主要有静电损伤和静电击穿。 LED产品失效原因排序，见表1。

表1 LED产品失效原因排序Table 1 Failure of LED products

可见，静电放电引起的失效排在第1位，成为LED产品的“头号杀手”。

静电损伤的特点有：

(1)隐蔽性：人体不能直接感知静电，除非发生静电放电，但发生静电放电，人体也不一定能有电击的感觉。这是因为人体感知的静电放电电压为2～3kV及以上。

(2)潜伏性：有时LED受到静电损伤后性能没有明显的下降，但多次累加放电会给LED造成内伤而形成隐患，而且增加了LED对静电的敏感性。已产生的问题并无任何方法可治愈。

(3)随机性：从LED生产后一直到它损坏以前所有的过程都受到静电的威胁，而这些静电的产生也具有随机性。由于静电的产生和放电都是瞬间发生的，极难预测和防护。

(4)复杂性：有些静电损伤现象难以与其他原因造成的损伤加以区别，使人误把静电损伤失效当作其它失效，对静电放电损害未充分认识之前，常常归咎于早期失效或情况不明的失效,从而不自觉地掩盖了失效的真正原因。

静电击穿的危害更大，直接导致LED产品报废。见图1中小圆内圈划的位置。

图1 LED产品被静电击伤的图片Fig.1 The wounded pictures of LED products

静电的危害有目共睹，现在越来越多的厂家已经开始实施各种程度的防静电措施和工程。但是完善有效的防静电工程要依照不同企业的实际情况，制定相应的对策。防静电措施应是系统的、全面的，否则可能会事倍功半，甚至造成破坏性的后果。

2 静电防护

在LED产品生产、装配存储、运输、使用过程中，不产生静电是不可能的，但产生静电并非危险所在，危险在于静电积累，以及由此产生的静电感应、吸附和放电。对静电积累的限制和采取各种防护措施尤为重要。静电防护措施很多，主要有以下几方面：

2.1 静电耗散及泄漏

将生产环境和各种操作过程中产生的静电迅速耗散及泄露，是防止静电危害行之有效的方法。静电耗散及泄漏是：通过替换LED生产过程中接触到的各类绝缘物制备的工具(包括各种工装夹具、包装、生产工具、物流传递用品、人体用品等)，而改用防静电材料制备并使之接地来完成的。防静电材料又称为ESD防护材料，通常在LED行业所用防静电材料应属静电耗散和疏导静电类。

通常静电耗散及泄漏的措施同时使用，在某些特殊情况下，也有使用接地导电刷与带电绝缘体接触泄漏其积累静电的实例。一般情况下，人体、ESD防护用品(装备)任一表面与接地极之间的静电泄漏电阻小于1GΩ，都可以认为是符合要求的。对于防静电接地电阻(接地体与大地之间的电阻)GB 12158-90规定：每组专设的静电泄漏接地电阻值，一般不应大于100Ω。在山区等地，其接地电阻值也不应大于1000Ω。

LED环境的防静电接地，有软接地和硬接地之分。软接地是指通过串接限制流过人体的电流达到安全值的电阻连接到大地电极的一种方式。软接地的目的在于，当人触电时将通过人体的电流限制在人身安全范围之下(通常为5mA以下)。硬接地是指直接与大地做导电性连接的一种接地方式。一般情况下硬接地用于静电屏蔽或仪器、生产设备、金属体的接地。

2.2 静电中和

静电中和是消除静电的重要措施之一。在某些场合中，当不便使用ESD防护材料时必须将某些高绝缘易产生静电的用品存放在工作台或工艺线上时，或者在操作SSD(静电敏感器件)时使用的各类器具(包括金属制品)不能良好接地时，为了预防静电积累及放电就必须对操作环境采取静电中和措施。一般情况下，对局部工作区域(工作台)采取静电中和措施，对某些要求较高的静电防护环境，可采取整体厂房静电中和措施。

2.3 静电屏蔽与接地

静电屏蔽及接地通常用于对高压电源产生的静电场屏蔽，某些对静电极敏感电路的屏蔽，从而避免静电场对SSD和SSD组建的感应及静电放电的产生。

为防止屏蔽体内电子设备接地和屏蔽体存在较大的电位差，常常将屏蔽体接地与设备接地互连。静电屏蔽包装是静电被动屏蔽原理的典型应用。

2.4 环境增湿

环境相对湿度增加，则非导体材料(衣服、工作台等)表面的电阻减小，使物体积累的静电荷可以更快的泄漏。有静电的场所，在工艺条件许可时可以安装空调设备、喷雾器(或在集中空调送风口设置大功率加湿装置)以提高空气的相对湿度消除静电。一般情况下，用增湿法消除静电的效果是很明显的。为对静电达到最佳的控制，环境相对湿度应保持在65%～70%。

2.5 人员的静电防护

人体在日常活动和生产操作中可产生电压为数十伏到数万伏的静电(见表2)，而放电过程是极短促的，所以放电过程中释放出的能量可达几十瓦,足以引起LED芯片微区烧毁或SiO2膜击穿，人体静电可以损毁任何一个常用的半导体器件。因此对进入防静电工作区的人员要进行静电防护配备如防静电服及防静电鞋，对设备维修维护人员和元器件作业台上作业人员还应配备防静电腕带。

2.6 设备的静电防护

防静电安全工作台是防静电工作区的基本组成部分，它由工作台防静电桌垫、腕带接头和接地线等组成，静电安全工作台上不允许堆放塑料、橡皮、纸板、玻璃等易产生静电的杂物，图纸、资料等应装入防静电文件袋中，座椅垫套等都应是导静电的并与防静电的接地相连，必要时工作台上配备离子风静电消除器，座椅下可以铺设防静电地垫。在电子设备研制生产过程中一切贮存周转静电敏感器件(SSD)的容器(元器件袋、转运箱、印刷板架、元器件存放盒等)应具备静电防护功能，不允许使用金属和普通塑料容器。

表2 人体所带的静电范围Table 2 Electrostatic range carried by body

3 LED生产车间静电防护

LED产品管芯大都很薄，耐压较低，结构较脆弱，容易被高幅值的电压脉冲击穿，也容易被高幅值的电流脉冲击穿，而LED产品最主要部分就是管芯了，这里一经损坏就意味着报废，所以说静电对LED产品的伤害是致命的，从事与LED生产销售有关的产品必须要做好静电防护。

LED生产车间的静电防护通常的做法，一般存在不同程度的隐患，主要表现在：车间工作区所使用的防静电产品和工具等，经过一段时间后，电阻大于108～1010Ω。

在测控手段方面，对工作区增添温度和湿度监测，每天记录温度湿度，严格控制在标准以内；每月测量静电压；员工防静电衣、帽每洗一次后，检测一次表面电阻和摩擦电压；防静电台垫等每年检测一次表面电阻；车间门口设置人体综合阻值测试仪；每次进入LED生产车间后必须用离子喷枪对全身进行静电消除；工厂如果在北方，由于北方的气候相对南方干燥，在车间必须有离子风机来平衡电压进行静电消散。例如一个撕膜的制作过程(见表3)，如果完全没有静电消除器作保护，在撕膜时间为2秒时，静电高达1600V；如果撕膜的同时对晶片进行静电消除，可在3秒内将静电消散至30V， 从而避免了因为撕膜动作瞬间所产生的高静电伤害晶片。可见离子风扇对消散静电是非常有效的。

表3 离子风扇有效性比较Table 3 Comparison of the effectiveness of ion fan

生产过程中注意采取适当的防范措施，必须能防止静电产生，组装人员操作时需穿戴防静电服装(如防静电衣服、帽子、鞋子、指套或手套等)。 必须能迅速将其表面或内部的静电散逸，组装操作人员需配戴防静电手腕带(腕带必须连通接地系统)。能提供屏蔽保护防止受静电突然放电或电场冲击，组装台(工作台)需使用防静电台垫，且接地；盛装LED需使用防静电元件盒；烙铁、切脚机、锡炉(或自动回流焊设备)均需接地。

作业过程中，尽可能避免直接触摸发光管之管脚，取放时尽可能触拿胶体部分。接地措施应完全防止静电产生，工作台、烙铁、切脚机、锡炉(或自动回流焊设备)之接地，必须用粗的铁线引入泥土内，在铁线未端系上大铁块，埋入地表1米以下，各接地线均需与主线连接在一起，操作人员配戴的静电环若有引出线的，亦需将引出线接通在埋地线上。半成品、成品检测设备亦需接地。

在LED产品包装时要使用防静电包装带，操作时须带上防静电手套。

4 LED采用防静电电路的实际效果

以上说的都是在生产过程的一些措施，我们在LED产品设计方面也应该采用防静电电路(图2)的设计思路，力求能最好的做到静电防护。

图2 防静电电路Fig.2 Anti-static circuit

以下一组实验照片是检测采用防静电电路设计的实际效果。

(a)没有采用防静电电路设计的模组；(b)采用防静电电路设计的模组图3 一组实验照片Fig.3 Photos of experiments

(1)实验过程说明

第一步，实验开始，将放电火花置于PCB板上空约5厘米处：(a)没有采用防静电电路设计的模组，(b)采用防静电电路设计的模组没有明显差异；

第二步，开始加大电流: (a)没有采用防静电电路设计的模组比，(b)采用防静电电路设计的模组的火花密集；

第三步，继续逐步加大电流：(a)没有采用防静电电路设计的模组放电出现半电弧辉光，而(b)采用防静电电路设计的模组安然无恙；

第四步，继续缩短距离放电火花最终落在PCB板上，继续加大高压电流，放电变成半弧光放电：没有采用防静电电路设计的模组模板烧焦，采用防静电电路设计的模组损害明显小于没有采用的。

(2)实验结论

采用防静电电路设计思路做出来的产品在面对高电压时，其防护性能明显高于没有采用防静电电路的产品。

5 结语

综上所述，LED防静电技术遵循三项原则：抑制、疏导、中和。静电放电的控制程序一般集中在五个基本方面：把静电保护设计到元件和产品内；消除产生静电的材料与过程；驱散或中和静电放电；提供对静电放电的物理保护；检测生产的过程与环境。

掌握ESD (静电放电)防护技巧，彻底将静电这个问题扼杀在摇篮中,这样才能提高LED产品可靠性，保证LED产品的质量。

[1] 刘尚合，武占成，朱长清，等.静电放电及危害保护[M].北京：北京邮电大学出版社，2004.

[2] 孙延林.电子工业静电防护[M].北京：电子工业出版社，2006.

[3] 防静电工作区技术要求.信息产业部电子标准化所，2006.

[4] 电子产品防静电控制大纲.信息产业部电子标准化所，1998.