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电子工业中的静电控制技术

浏览:40 发表时间:2020-07-31 11:28:12

     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。

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伤的阈值电压


同时人的活动是主要的静电源,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。


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,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,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、电装中普遍、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长久性失效,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),且不易被发现,给整机运行和查找故障造成很**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了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),人体与大地就形成一个电容,使电荷储存起来,其充电电压一般≤50kV。


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较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:上等标准为控制室内静电电位优良值不大于100V; 二级标准为控制室内静电电位优良值不大于200V; 三级标准为控制室内静电电位优良值不大于1000V。


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EPA的核心要**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。

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