静电对电子元件的危害及其防护措施

李斌

(天水华天科技股份有限公司，甘肃天水，741000)

静电对电子元件的危害及其防护措施

李斌

(天水华天科技股份有限公司，甘肃天水，741000)

介绍了静电的产生过程及其对电子元件的危害，采用了从产品设计、加工、运输、贮存环节来预防与消除静电的有效方法，总结出了在电子产品生产过程中对静电防护的完整体系，从而降低了静电带来的损害，保证了产品的可靠性，提高了产品的质量与使用寿命。

静电；电子元件；电荷；静电放电；可靠性

随着电子技术的不断发展，电子元件由起初的大型器件、分立器件逐渐转变为如今的小型器件、集成电路，并且向着多元化、智能化发展。然而这样的器件却对静电非常敏感，此类器件被称之为静电敏感器件（Static Sensitive Device简称SSD）。在电子器件集成度越来越高的趋势下，半导体行业通常会采用减薄器件氧化膜的厚度来减小其尺寸，与此同时器件的耐压也随之降低。这样，半导体器件，特别是IC器件，其种类不同受静电破坏的程度也不同，甚至弱到100 V的静电也会造成破坏。那么，静电的防护与消除就变得尤为重要。

2 静电的产生过程

2.1 静电的产生

原子是由原子核和原子核外电子组成，而原子核中的质子带正电荷，核外电子带与质子等量的负电荷。在这种情况下，质子带的正电荷与电子带的负电荷中和，对外表现为不带电。然而，原子核外的电子一旦在外力的作用下，就会脱离其运行轨道进入到其它原子，此时，原子因失去电子而带正电，其它原子因得到电子而带负电。像这种物体表面所带过剩或不足的相对静止不动的电荷，称之为静电。静电是一种客观的自然现象，产生的方式有很多，如接触、摩擦、感应、冲流等，静电产生的基本过程可归纳图1所示。

图1 静电的产生过程

2.2 静电的特点

静电的主要特点包括：1）高电压；2）强电场；3）放电持续时间短；4）电磁辐射频带宽。

3 静电对电子元件的危害

3.1 静电放电(ESD)

静电放电是指具有不同静电电位的物体因直接接触或静电感应而引起物体间的静电电荷转移，是静电场的能量达到一定程度后，击穿其间介质而进行放电的一种现象。

3.2 静电对电子元件的危害

静电电荷本身不会产生危害，危害主要来自静电放电（ESD）的过程。通常所说的静电危害，实际是指ESD产生的危害。在电子元件的生产、检验、调试、安装过程中，如果不消除静电，将会直接影响产品的质量与可靠性。尤其是半导体器件和微电子器件生产行业，因静电放电引起的失效颇多。

随着电子、通讯、航天航空等高新产业的不断崛起，一些电子设备、仪器、仪表等电子产品越来越小型化、集成化、智能化、多功能化。集成电路（IC）、高密度集成电路（MCU）已成为目前电子行业领域不可缺少的器件。然而此类器件具有键合线短、线细、集成度高、运算速度快、功耗低、耐压低、输入阻抗高等特点，因此使得这类器件对静电愈加敏感。

ESD的能量对传统电子元件的影响不大，但是，像集成电路及高密度集成电路，不论是MOS器件，还是双极性器件都可能会因静电电场和静电放电电流而引起失效。甚至，会造成"软击穿"现象，从而直接影响电子产品及整机的质量、寿命与可靠性。

ESD引起的电子元件击穿是电子工业最普遍、最严重的静电危害，它分为硬击穿和软击穿。硬击穿是指一次性造成元器件介质击穿、烧毁或永久性失效；软击穿则会造成器件的性能不稳定或参数指标下降。

电子器件因其种类不同所受静电破坏的程度也不同，表1为不同类型器件静电破坏电压。

表1 电子器件静电破坏电压

3.3 静电放电失效机理

（1）过电压场致失效：过电压场致失效是指高阻抗的静电放电回路中，绝缘介质两端的电极因接受了高静电放电电荷而呈现高电压，有可能使电极之间的电场超过其介质临界而击穿电场，最终使电极之间的介质发生击穿而失效[1]。过电压场致失效多发生于MOS器件，包括含有MOS电容或钽电容的双极型电路和混合电路。

（2）过电流热致失效：过电流热致失效是由于较低阻抗的放电回路中，静电放电电流过大使局部区域温度超过材料的熔点，导致材料发生局部熔融而使元器件失效。过电流热致失效多发生于双极元器件，包括输入端用PN结二极管保护的MOS电路、肖特基二极管以及含有双极元器件的混合电路。

3.4 ESD引起电子元件失效的情形

ESD引起电子元件失效主要包含四种情形：（1）对PN结造成软击穿，使产品的可靠性下降；（2）芯片内单晶硅金属镀膜被击穿，使产品良率下降；（3）芯片内部引线被击穿，使产品良率下降；（4）ESD损伤后导致产品在上机使用过程中出现烧毁现象。

3.5 静电损害IC器件的特点

（1）隐蔽性：人体不能直接感知静电，当发生静电放电时，人体也不一定有被电击的感觉，因为人体感知的静电放电电压为2～3 kV，因此静电具有一定的隐蔽性。

（2）潜在性：一些IC器件受到ESD损伤后，其性能没有明显下降，但是多次的累积放电会使其性能不稳定或参数指标下降。因此静电对IC器件的损伤具有潜在性。

（3）随机性：IC器件从其芯片的生产、封装、测试、包装到产品的上机使用整个过程中都会受到静电的威胁，而整个过程中静电的产生具有随机性，静电对器件的损坏也具有随机性。

（4）复杂性：静电损伤引起的电路失效，往往很难观察到，也很难甄别。通常要通过芯片失效定位仪器将其范围锁定，然后在SEM（扫描电子显微镜）下观察。即便如此，有些ESD损伤也难与其它原因造成的损伤区别，有时候会将ESD引起的失效当做其它失效，因此静电损伤IC器件具有复杂性。

4 静电防护工艺

4.1 静电防护工艺的目的与效果

随着静电意识的不断增强，电子行业认为静电防护这一工作非做不可，在实施静电防护工作后取得了一定的效果。在防静电实践中，电子产品静电控制与防护必须是分层次进行。

第一层次：对静电敏感器件内部加防护静电放电措施，采用防静电击穿材料及采用附加保护电路等，以提高其抗静电能力。

第二层次：强化产品生产过程的静电控制与静电防护工艺，以降低最大静电放电值，从而达到有效的保护目的。

图2 静电防护工艺的目的与效果图

图2中，E0为器件静电放电安全标准值；Em为生产作业中，实际测量到的最大静电放电值；E0/为提高抗静电能力后的安全标准保护值；Em/为防静电后的有效值。一般Em/值是在采用防静电工艺后取得，E0/值只在设计方面采取措施后予以提高的。

4.2 静电的基本预防途径

4.2.1 产品设计、研发阶段

因IC器件、MCU器件等高集成度电子器件对静电非常之敏感，所以此类器件应该在设计、研发之初将对静电的预防考虑进去，一般会采用以下几种方法：

（1）在静电的通路上放置适当阻值电阻，电阻是耗能元件，在静电的通路上放置适当阻值的电阻是一个理想的选择，而且其设计成本也不高。该电路(见图2)的设计思路就是将抗静电能力强的元器件放置在静电高的地方，将抗静电能力弱的元器件远离静电源，MCU放置在静电敏感器件端。

（2）设置单二极管电路，对于一些电路，在通路上增加电阻会影响其固有功能，这时可以采用对电源上拉或者下拉一个二极管(见图3)。因静电放电速度非常快，所以要求这个二极管反应速度也要快，否则，起不到泄放静电的作用。通常采用性价比较高的IN4148。

图3 单电阻/单电容电路

（3）电阻、电容、二极管组合电路，当静电较大，或者希望达到更高的抗静电能力的产品，可以采用RCD(电阻、电容、二极管组合)电路(见图4、图5)，但此电路设计成本较高。

图4 二极管电路

图5 RCD组合电路

除以上对电路采取的保护措施外，我们还可以在设计PCB板时对地线采用单点共地的方式。

4.2.2 产品加工阶段

4.2.2.1 生产环境要求

（1）空气洁净度要求。空气洁净度主要表示空气的洁净程度，主要包括两方面：一是空气中尘埃微粒的浓度；二是空气中尘埃微粒的粒径。空气的洁净度是电子产品、尤其是微电子生产非常重要的条件之一，空气洁净度不达标，会直接对产品内部造成污染，同时还会引起周围静电产生，从而影响产品的性能、成品率、可靠性及寿命。

微电子生产行业一般采用：一是建造密闭性、易洁性、保温性的净化厂房；二是加装净化空调。

（2）恒温恒湿要求。微电子生产行业对生产环境的温湿度有着严格的要求，当温度变化过大时，会直接影响产品的性能、可靠性及寿命，同时当湿度变化过大时也会影响产品的性能、可靠性及寿命，而且当湿度过于低时，容易产生静电，一般情况下空气的相对湿度不易低于40%RH。

4.2.2.2 设备要求

（1）铺设防静电地板。无尘室内、各站工作区以及走道区域地板必须使用防静电地板，地板表面电阻率应为105～1 010Ω·m。

（2）电气设备、工作台接地。工作台上的电气设备需要直接接地，并且需要和工作桌面隔绝，同时工作台需加1 MΩ电阻间接接地。

ESD防护区安全接地应注意的原则：在工作环境中减少产生静电的过程和材料，如保持其过程和材料具有相同的静电势[2]。

防静电工作区必须有安全可靠的防静电接地装置，地电阻小于4Ω，防静电地线不得与电源零线相接，不得与防雷地线共用。使用三相五线制供电时，其地线可以作为防静电地线。

工作台面、货架、货柜和其它导静电的ESD保护措施均应通过限流电阻接到地线，防静电腕带应通过工作台顶面接地点与地线连接。

（3）防静电安全电阻的确定与计算。为了给静电安全作业区的工作人员提供防电击条件，根据人体受到电击时，有能力脱离险境的极限电流（10～16 mA）的要求，取安全电流为5 mA进行计算：

由R=U/I可知，设U=220～380 V，I=5 mA，计算得知：R=4.4×104Ω～7.6×104Ω

则R值应取大于1.0×105Ω为佳

（4）防静电系统的泄露条件分析与最大允许接地电阻的计算。电子行业中的静电泄露系统一般由防静电桌垫、地垫、接地、腕带构成。该系统适用于采用静电敏感器件产品的基本作业。当操作者临时离开岗位之后返回时，若忘记带上接地的防静电腕带，或外来人员在无防护条件下进入防静电工作区域，当距离作业工位较近时，足以使器件处于人体防静电威胁中。因此而引起的损伤时间仅为1 s。因此，在这种情况下除对临时进入人员采取一定措施外，就防静电系统本身而言，应考虑其达到最大通地电阻时，需要放电电压达到低于100 V时的过渡时间应小于1 s。

如图6所示，物体放电时，除需要通过接地电阻外，还有放电物体的电容量可影响放电时间，以人体电容为例，等效电容分布范围很宽，可从100～4 000 pF，一般为200 pF（平均值）。物体放电初始电压是不同的，国际电子工业一般规定为5 000 V。

图6 静电放电等效电路

根据以上分析，防静电系统保证在1 s内将5 000 V静电电压能够释放到100 V安全电压的最大容许接地电阻计算为：

其中：U=100 V(静电系统安全电压)；U0= 5 000 V(放电初始电压）；t=1 s(放电电压释放到100 V以下所需时间）；C=200 pF=200×10-12F(人体对地或物体间电容的统计平均值）。将数据代入公式(1)计算得：

可见，只要系统电阻值小于1.28×109，就可保证在1 s内使放电电压降到安全值，防止静电危害。

4.2.2.3 作业人员要求

作业人员进入工作区域时，必须进行人体综合电阻测试，在测试合格后方可进入工作区域。作业人员还必须穿戴防静电工作服同时佩戴防静电腕带。腕带的要求是放电的速度与人体上产生静电电荷的速度要相同，使其不会产生静电电压。同时腕带必须保证操作者即使在移动时身上的电势也限定在100 V以下。

当腕带的接地电阻不同时，在人体电容上产生的电压是不同的(见表2)。

表2 腕带不同电阻时人体产生的电压

可见，当电阻超过1×108Ω时，将不能保证触摸时产生的脉冲电压达到100 V的安全值，从表中可以看出，腕带的限流电阻在1 MΩ以下时，对电子器件特性无明显影响。因此，腕带到地的电阻值应当限制在1～100 MΩ。

具体计算如下：

由公式：R=τ/C

其中，τ为人体对地放电时间常数，要求5τ＜0.1 s；C为人体对地电容，通常取200 pF；

R为人体对地放电回路电阻。

解得：

为了保证腕带在任何情况下都能在0.1 s内使人体电容上电压降到100 V以下，同时为了保证作业员不遭电击，腕带电阻应选择在105～108Ω间。若要得到最佳的静电安全保护效果和最佳的人体保护作用，腕带接地电阻取1×108Ω为佳。

4.2.2.4 离子风机、离子风枪的使用

任何对静电敏感的材料放于工作台之前，必须把离子风机先打开，且中途不可关闭。工作时产品必须放置于距离子风机5～40 cm的圆弧内（两边各近似45°），离子风机静电电压≤±100 V。

4.2.3 产品包装、运输、存贮、保管阶段

静电敏感电子器件在包装、运输、存贮、保管中应遵循以下原则：

（1）包装时应采用防静电包装材料，包装前必须将产品放在已经接地的工作台或货架上。

（2）运输过程中，产品不得掉落地下，不得任意脱离包装。

（3）在搬运时，产品的全部引出脚必须处于等电位的防静电包装袋中。防静电包装袋的表面电阻率应在1×1011Ω·m以下，并将产品放置在加盖的防静电盒中。对入库的所有产品要检查其包装盒上和入库单上是否有防静电警告标志。

（4）贮存产品的库房，其室内的相对湿度不能低于30%～40%RH。因为在这种环境下，非常容易积聚静电。库房的相对湿度应保持在60%RH左右为宜。

（5）产品在贮存过程中应保持原包装，若需要更换包装时，要使用具有防静电性能的专用容器，不得任意使用普通塑料袋，普通塑料盒等容器，也不得随意倒入抽屉、柜子中。

（6）静电敏感产品的贮存库，在存放产品容器的可视位置上，应贴有防静电专用标签。在库房内，产品的品种规格不得混杂在一起。库管人员需经过严格培训，作业时应穿防静电工作服或棉织物工作服。库房内产品放置区域应具有静电防护措施。

总之，在电子产品生产过程中对ESD的防护要形成一套完整的体系[3]，图7为ESD体系标准拓扑关系。

图7 ESD体系标准拓扑关系

5 结束语

静电对电子器件的损害不容忽视，但是通过在产品设计、产品加工、产品包装、运输、贮存等各环节的预防，可以将静电带来的损害降到最低，从而保证产品的可靠性，提高产品的质量与使用寿命。

[1] 孔学东，恩云飞.电子元器件失效分析与典型案例[M].北京：国防工业出版社，2006.

[2] 龙琼，周云静，罗汝芬，等.静电控制方案浅谈[J].科技信息，2010，27(26)：138-139.

[3] 马胜男，郭德华.国外静电安全标准进展[J].标准科学，2012，49(07)：68-73.

Electrostatic Hazards and Protection of Electronic Devices

LI Bin

(Huatian Technology Co.,Ltd，Tianshui 741000,China)

This paper mainly introduced the produce process of static and Electrostatic hazards for electronic devices,By an effective method of product design,processing,transportation and storage link to prevent and eliminate static electricity,summarizes whole static electricity protection system in Electronic product manufacturing process,Which reduces the electrostatic damage,Ensure the reliability of the product,Improve the quality of the product and the service life.

static；Electronic devices；charge；ESD；reliability

TN607

B

1004-4507(2015)05-0050-06

李斌（1986-），男，甘肃省天水市秦州区人，毕业于天水师范学院物理系专业，现担任天水华天科技股份有限公司可靠性与失效分析实验室FA工程师，主要从事塑封IC电路失效分析工作。

2015-05-06