电子元器件静电防护技术与管理探究

李兵

融硅思创（北京）科技有限公司，北京，100144

0 引言

电子元器件是电子设备和小型机器仪器的组成部分，它本身是由若干个零件构成，在同类产品中可以通用。近年来，随着居民收入增加、电子产品制作水平提高、移动互联网不断发展，我国电子元器件产业呈现出蓬勃发展的态势。“十四五”规划中明确提出：要培育壮大新兴数字产业，提升通信设备、核心电子元器件、关键软件等产业水平[1]。如今，电气元器件向着体积小、质量轻、密度高、功能多的方向发展，其静电敏感电压越来越小，即使一个极弱的静电电压，也可能击穿器件造成短路或断路，导致元器件失效。因此，研究电子元器件的静电防护技术与管理措施具有重要的现实意义，以下结合实践进行探讨。

1 静电的产生及危害

1.1 静电的产生原理

生活中的物质多是由原子组成，原子又可分为质子、中子和电子，其中质子带正电荷，电子带负电荷，中子不带电。一般情况下，原子结构处于稳定状态下，其质子和电子带有的电荷数量是相同的，此时电荷处于正负平衡，也就表现出不带电的特性。受到外力作用后，原子核周围的电子分布改变，电荷平衡状态被打破，导致物体带电，就是静电的产生原理。

1.2 静电的产生方式

静电的产生方式主要有三种。一是传导。从微观上看，电子是能自由移动的，带电物体接触不带电物体，此时电子在物体间转移，原来的电荷平衡状态打破，继而产生静电。二是感应。在电场中，不带电物体进入其中，在异性相吸、同性相斥的原理下，电子转移打破电荷的平衡状态，继而产生静电。三是摩擦。生活中摩擦起电现象较为常见，本质上是在动能、热能等作用下，导致电子发生转移，进而产生静电。

1.3 静电的危害

对电子元器件而言，静电具有巨大的危害，这种危害主要表现在两个方面。一是造成元器件损坏。静电聚集后会产生高电位，当电场强度超过物体的抗电强度，就会造成静电放电。电子元器件本身的抗电强度低，可承受的极限电压不足100V，远低于静电放电产生的瞬时电压，可能将元器件击穿而损坏[2]。二是影响元器件的功能。静电聚集后，会对周围空气中的微小粉尘颗粒产生吸附作用，这些颗粒沉积在元器件表面，影响使用性能。尤其是硅、石英、玻璃等绝缘材料，很容易积累静电荷，对其性能造成影响，甚至失效成为废品。

2 电子元器件静电防护技术

一个电子元器件成品需要经过设计、生产、检测三个主要环节，而静电防护也要贯穿全过程，针对不同环节采用科学有效的防护技术。

2.1 设计环节的静电防护技术

2.1.1 抑制静电产生

第一，电子元器件设计中，将静电保护纳入其中。例如：设计过程中尽量使用对静电不敏感的元件，对静电敏感的元件则要设计电压输入保护措施，来降低静电放电时造成的破坏程度。考虑到电子元器件的体积小、质量轻，对静电的敏感性较强，这就要求设计人员在元器件的精密度与抗静电能力之间把握平衡，在满足使用性能的前提下，提高静电防护能力。

第二，设计中尽量不用产生静电的材料或工序，例如不用普通塑料，不要对元器件进行拖拽、摩擦，确保这些材料具有相同的静电电势。

第三，采用物理防护措施，即防止静电放电接触到敏感的电子元件。要想做到这一点，可对敏感元件进行接地、分流，减小静电放电带来的危害，避免元件被静电击穿，也可以使用包装材料，将敏感元件包裹起来，避免元件在外力作用下接触静电。

2.1.2 控制静电积聚

第一，接地设计。带电体接地后，本身积聚的静电荷能及时导入大地，就不会出现放电现象。在接地设计中，从测试放电点到接地汇结点，要保证每个环节是通畅的，才能确保静电有效泄放。根据相关规范，电子元器件要独立接地，电阻值≤10Ω，保证接地可靠性。

第二，电荷中和。使用绝缘材料时，无法进行接地设计，此时可进行电荷中和。以静电消除器为例，它能制造出一个稳定的高强电场，具有电压高、电流小的特征，周围空气电离后变为离子体，在气流作用下到达物体表面，使正电荷与负电荷达到平衡状态，从而防止静电产生。

第三，控制环境温湿度。现有研究表明，环境温度和湿度会影响静电产生，一般情况下温度越高、湿度越小，越有利于静电产生[3]。随着温度减小、湿度增大，材料表面的导电率增大，空气的导电性能增强，有利于元器件聚集的静电荷泄放，见表1。基于此，设计过程中可向地面洒水、使用空气加湿器，来提高环境相对湿度，达到静电防护的效果。

2.2 生产环节的静电防护技术

2.2.1 控制生产环境

第一，电子元器件生产过程中，会划分明确的工作区间，其中部分区域的静电防护要求高，可选择静电防护性能优良的材料。例如：生产区域的顶棚、内墙施工时，设置一层防火墙板，并且喷涂防静电环氧树脂涂料；送风管道安装时，在管道表面涂抹三聚氰胺树脂涂料。

第二，生产过程中，根据区域环境和防静电要求，分析地板的电阻，在保证安全的前提下，尽量提高地面材料的导电性能。以防静电瓷质地板为例，内部增加了高温导电材料，和传统地板材料相比，不仅防静电性能提升，而且防火性能优良，整体稳定性更高、使用寿命更长，可在防静电工作区域内使用。

第三，电子元器件组装过程中，工作人员要树立防静电意识，通过分析组装工序预判可能出现静电的环节。然后利用相关知识和技能，以及配置的防静电器具，对组装工序进行优化，避免组装过程中出现静电。

2.2.2 配置防护用品

静电防护用品的配备和使用，有助于降低静电带来的危害。电子元器件生产中，常用的静电防护用品如下。一是防静电腕带，如图1所示，根据规范要求，腕带弹簧软线的长度应≤250cm，保护电阻的阻值≥106Ω。二是防静电鞋，它既能消除人体静电积聚，又能防止250V以下的电流电击，其电阻值在105Ω～108Ω。三是防静电工作服，它采用防静电织物作为面料，防止服装上有静电积聚，要求工作服摩擦带电的电荷量＜0.6μC。四是防静电手套，如图2所示，基材由涤纶和导电纤维组成，导电纤维的间距为4～10mm，具有极好的弹性和防静电性能，手套表面电阻值达到106Ω～107Ω。五是防静电消除液，它用来降低塑料制品表面的电阻，要求表面电阻值达到107Ω～109Ω，且防静电持久性保持数月，本身无毒无害。

图1 防静电腕带

图2 防静电手套

2.3 检测环节的静电防护技术

2.3.1 静电泄放

静电泄放就是控制电荷缓慢、持续地释放到大地中，根据电流的定义和公式可知：

整理式（1）后得到：

式中，U表示静电电压（V），Q表示静电电量（C），I表示放电产生的电流（A），R表示电阻值（Ω），t表示放电时间（s）。当电阻阻值增大，静电电量释放缓慢，因此控制物品表面耗散材料的阻值并与大地连接，就能持续、缓慢地泄放静电电荷。

假设电子元器件在检测过程中，产生的防静电电压为1300V，对地产生的分布电容为100pF，要想在1s内将静电电压泄放至100V，根据一阶电路零状态响应方程，即可得到材料的电阻值上限：

式中，U表示泄放后的残余静电电压（V），U0表示初始静电电压（V），e表示自然常数，取值为2.718。经计算，可得R=3.9×109Ω。

2.3.2 静电中和

静电中和是利用离子风机使空气电离，产生正离子、负离子后，与带电物体表面的电荷中和，起到防静电的效果。根据相关规范，要求离子风机将静电电荷消除至初始值的10%，所用的时间要＜20s；离子风机吹出带有电离子的空气，所产生的残余电压要＜50V[4]。电子元器件检测过程中，将待检测元器件置于离子风机产生的空气流中，在静电场作用下，空气流中与其极性相同的离子远离，相异的离子吸引，直至所有的静电荷被中和，静电场随之消失。

2.3.3 静电屏蔽

静电屏蔽是将静电源与敏感元器件之间的耦合路径切断，从而实现静电防护效果，通常使用屏蔽盒、屏蔽袋，如图3所示。这些屏蔽物的内层是由低起电的耗散材料制作而成，既能避免摩擦起电，又能对静电荷泄放。中间金属层和接地点连接，即可将外部电荷导向大地。如此，不论外部静电源的电压多大，位于屏蔽袋内的元器件，其电势差和电场始终为零，就不会出现电荷移动现象，从而避免静电损害。

图3 静电屏蔽法的示意图

3 电子元器件静电防护管理措施

3.1 明确静电防护目标

建立电子元器件的静电防护体系，首先要明确静电防护目标，评价防护措施的有效性。结合实际生产，静电防护目标归口于工程技术部门，应以季度为单位，开展静电防护考核工作。一是落实各个部门的职能，如事业部重点关注实验室、软件控制室；联装部重点关注生产车间、客房和调度办公室，其中包括检测软件和设备；质量计量中心重点关注计量设备；物资部门重点关注一类元器件库房，确保温度、湿度达标，离子风机正常运行，保证防静电涂料的完整性等。二是定期组织工作人员参加防静电培训活动，从思想、知识、技术等多个方面入手，认识到防静电对元器件生产的重要意义，严格按照规范标准作业，落实静电防护措施。在防静电工作区内，各种器材设备要做到100%检测，不符合防静电的要求及时整改[5]。

3.2 识别静电影响因素

静电防护的前提是准确识别出电子元器件受到静电损坏的环节和过程，提供完整的标识，然后制订防护计划，确定静电防护的优先级。以物资部门为例，元器件库房是重要的防静电场所，因此是静电防护重点，相应的防护措施如下。一是在库房大门贴上显眼的静电防护标识。二是在库房内，用于存放元器件的货架要接地处理，且相邻间距要满足规范要求。三是客房管理人员要接受专业培训和考核，具有相应的工作资质。四是其他人员领料时，必须使用防静电盒，穿静电防护服和防护鞋。五是以季度为单位，对库房进行静电防护考核，根据考核结果改进后续的管理工作。

3.3 编制系统管理文件

建立静电防护体系，需要编制相应的管理文件，主要包括以下几类：一是静电防护管理手册；二是静电防护管理需要的程序文件；三是为保证系统规划、运行和控制需要的文件，即通常所说的三级文件，如操作规范、工艺定额等。其中，静电防护管理手册是核心，需要包含的内容如下。①为实现静电防护目标，而采取的范围、任务、科研生产活动和措施。②本单位静电防护管理的任务和职责分工。③直接引用或支持的文件。④检测方法和需要的设备。⑤明确本单位与分包商、供应商之间的关系、角色和责任。该手册由工程技术部签发，既要满足规范标准，又要符合单位的实际生产情况，兼顾科学性、实用性[6]。

3.4 加强监控测量工作

电子元器件静电防护管理中，加强监控测量工作才能避免疏忽和意外发生，必须在单位内形成三级监控机制。其中，内部监控测量是一级监控措施，频次一般为6个月一次，对不符合防护要求的项目进行纠正、验证，实现闭环管理，见表2。内部审核是二级监控措施，根据采集到的数据评估静电防护体系的功能，为管理者提供决策支持。管理评审是三级监控措施，收集主管部门无法解决的问题，由单位高层解决。

表2 静电防护内部监控测量项目

4 结语

电子元器件在设计、生产和检测环节，静电均会造成巨大损害。为此，单位必须高度重视静电防护工作，采取科学有效的防护技术，形成完善的防护管理体系。未来，我国电子元器件产业具有良好的发展前景，做好静电防护工作才能保证元器件的性能质量，推动整个产业健康发展。