静电危害及防护

摘要：为了避免静电在电子产品生产中的不良影响，在分析静电产生的原因及造成的危害的基础上，从导电体、绝缘体两个方面，有针对性地采取接地、静电屏蔽、离子中和等静电防护方法，有效地降低了电子产品的不良率及失效率，提高了电子部件质量。实践操作证明，静电对电子产品的损害可通过科学的操作方法、严格的管理制度消除。
关键词：元器件与应用；失效模式；效果分析；静电防护

0 引言
静电的产生是由于电子在外力的作用下，从一个物体转移到另一个物体或者是受外界磁场的影响而产生的极化现象，在具有不同静电势的两个物体之间的静电转移。
摩擦、碰撞、剥离、静电感应、电容改变、压电效应、电磁辐射感应都会产生静电。闪电、冬天在地毯上行走及接触把手时的触电感、在冬天穿毛衣时所产生的噼啪声这些似乎对人体没有影响，但它对电子元件及电子线路板却有很大的冲击。电子生产中的静电防护，可避免增加生产成本、减低产品质量、引致客户不满而影响公司信誉。

1 静电的基本物理特性
1．1 吸引或排斥的力量
静电就是不平衡分布的电子，正负电荷有异性相吸，同性相斥的力量，即库伦定律：Q=CV，V=Q／C，其中，Q为电量，V为电压，C为电容。
1．2 与大地间有电位差
因电荷存在，在周围空间中形成电场，其强度为：V=Q／C，其中，V为电位，Q为电荷，C为电容。
静电与大地间因有电位存在，如果触及电路时，就会产生电流即为放电电流(Electrostatic Discharge Current)，这个放电电流常会将电路导体烧融。其放电电流为：I=V／R，其中，I为电流，V为电压，R为电阻。
1．3 生活中产生的静电
人在地毯上行走，人在塑料地板上行走，坐在椅子上的人，从包装箱上拿出泡沫，无接地措施时人体的运动等日常行为都会产生静电，静电电压范围见表1。

2 静电放电的破坏
从一个元件产生以后，一直到它损坏以前，所有的过程都受到静电的威胁。这一过程包括：元件制造：包含制造、切割、接线、检验到交货；印刷电路板：收货、验收、储存、插入、焊接、品管、包装到出货；设备制造：电路板验收、储存、装配、品管、出货；设备使用：收货、安装、试验、使用及保养。其中最主要而又容易疏忽的一点却是在元件的传送与运输的过程。
2．1 静电对集成电路的损伤
静电对集成电路的损伤主要表现为：芯片内热二次击穿、金属喷镀熔融、介质击穿、表面击穿、体积击穿等，最后综合表现为功能故障甚至造成人身伤害。
2．2 静电对半导体元件的损坏
半导体的损坏形式有两种：
灾难性损坏 器件不能操作，约占受静电破坏的原件的10％。
潜在性损坏 瞬间电场或电流产生的热使元件受伤，器件可以操作但性能不稳定，维修次数因而增加，约占受静电破坏原件的90%。

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3 导电性物体的静电消除方法
3．1 接地
接地就是将静电通过一条线的连接放入大地，这是防静电措施中最直接最有效的方法。导体常用的接地方法有：带防静电腕带(见图1)、脚带(见图2)、穿防静电服、铺防静电地板、防静电台垫及工作表面接地等。基于电子可以自由移动的特性，可以简单地加以接地，给予这些不平衡电子一个简单的通路，释放到大地，即可消除物体所携带的静电。

假设工作人员到达工作场所及接触零件时间为1 s(在1 s中需将人体静电释放至安全情形)则：

式中：voe为带电体电压(单位：V)；v(t)为t秒后的电压(单位：V)；t为接地后时间(设为1 s)；R为接地电阻(单位：Ω)；C为带电体电容量(单位：pF)。
由此式可知，接地电阻R=10 Ω以下时，释放时间会小于1 s，R越小，时间t越短，但为人员安全起见，建议串联1 MΩ限流电阻。
在2009年12月17日～12月24日变频冰箱生产中，冰箱不启动48台，其中主板坏18台，驱动板坏12台，主板、驱动板同时坏5台，主板坏占所有性能不良的4．9％，驱动板坏占所有性能不良的4．1％。对所有更换下来的主板、驱动板重新测试，冰箱依然不能启动。在2009年12月25日要求生产现场与主板接触人员全部佩戴上防静电手腕才能上岗操作，经过一周统计后发现，主板坏5台，驱动板坏14台，主板坏占所有性
能不良的2．7％，驱动板坏占所有性能不良的7．6％。装主板操作人员佩戴上防静电手腕后主板坏不良率下降45％，装驱动板操作人员由于未佩戴防静电手腕，驱动板坏不良率有所上升。以后在要求装主板、驱动板、显板的操作人员必须佩戴上防静电手腕，并经相关检测合格后才能操作，冰箱主板、驱动板、显板的不良率均下降了50％，电路板因静电击穿现象明显减少，仅此一项就每年为公司节约十多万元资金。腕带佩戴时应紧贴皮肤；脚带双脚都须穿带；静电服应无破损，扣紧。
3．2 静电屏蔽
静电敏感元件在储存或运输过程中会暴露于有静电的区域中，用静电屏蔽的方法可削弱外界静电对电子元件的影响。最常用的方法是用静电防护袋(见图3)、静电遮蔽袋作为保护。防静电袋，不可使用在ESD防护区外。在某些特殊状况，如需要看得见容器内之元件(透明)或高度敏感元件，静电遮蔽要求更严格的情形时，可能需要静电遮蔽袋。目前防静电袋、静电遮蔽袋使用的导电性材料均为碳化性材料，是不透明的黑色物质，体积电阻为500 Ω／cm以下。

静电遮蔽袋的构造及功能如下：
内层：抗静电聚乙烯，不产生静电。
中层：加强聚脂纤维，增加机械强度。
外层：镀镍，成一良好导体，可瞬间释放电荷，形成法拉第容器。
DC／DC转换器(见图4)在未采用静电防护袋的情况下，不良率过高，从生产现场取50片不良品进行失效模式分析。用配套仪器测试输入端压降小于6 V的30片，6～8 V之间的14片，输入端压降等于12 V，但输出电压为零的6片，其中输入端压降小于6 V，和6～8 V之间的两类问题占全部问题的88％。

从线路图分析，造成上述现象的短路问题，原因在次级，即T1变换后的部分。
而次级中，最有可能损坏的是C3。因为C3耐压是10 V，而T1是升压的，从D1，D2出来的脉冲形成直流电，其峰值高于12 V，若C3质量不好而承受不了，就会被击穿或至容阻变小而短路。
从图纸上看，C3一端接P7，P8，另一端接P6。测试这两脚，若正向电阻约等于D1，D2之正向电阻，反向电阻R3+R4+U1(内阻)，则表明C3是好的，反之则是坏的(也有可能是D1，D2或C7，U1同时损坏，但从拆开的不良品中，无此问题发生)。磨开10片不良品及1片合格的P6脚，用此方法测试，得到证实。
用12 V电压测试单个C3型电容，发现正向充电后测试1／10只坏，反向充电后测试5／9只坏，而此6只不良品中，2只为短路，2只容阻小。
结论：C3型电容易被静电击穿。
改善办法：DC／DC转换器用静电防护袋包装，减少静电击穿机会。
DC／DC转换器采用静电防护袋包装后，在周转、操作等过程中屏蔽了外部静电对电子元件的击穿，不良率下降明显。

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4 绝缘性物体的静电消除方法
4．1 离子中和法
绝缘性物体的特性就是电子在该类物体中遭受束缚，不易移动，所以利用接地的方法不能消除这类物体的静电。针对这个状况，只能使用离子中和的方法，目前离子产生方法有：使用辐射能撞击空气，将空气分裂为等量的正、负离子的辐射离子化空气法、使用交流高压，在空气周围形成极高电场，分裂空气电量离子化空气法。
吸附成型的冰箱内壳，由于静电的作用，内外表面特别容易吸附灰尘，在密闭空间里安装一台离子风机后，冰箱内壳吸附灰尘现象有了很大改观，既省去了擦拭内壳表面灰尘的无效劳动，又保证了内壳表面的清洁度。
4．2 离子中和设备
离子中和设备有离子风机(见图5)和离子风枪(见图6)。

5 电子零件的传送过程
元件在传送中，人们会考虑到不要让包装材料因摩檫而产生静电，破坏元件。包装容器外部摩擦，工作人员的静电，以及容器遇高电压电场等都是造成元件受到不明原因外界电场穿透绝缘性材料破坏的主因。使用导电性材料制成塑胶盒、塑胶袋及海棉，不但可保证元件不受机械破坏，同时因为容器本身具有导电性，可以使外界电场受到隔离。
传送带用来输送元件、PCB和其他器件，材料一般为塑料、纤维制品或橡胶。如果传送带要接收从机器其他部分传来的器件，那么它应该采用耗散性材料。当传动带表面电阻率为1～106 Ω时，它会使带电器件放电速度太快，对器件造成损害；当表面电阻在106～109 Ω时，只要传送带通过转轮滑轮和机架良好接地，传送带上就不会带电。另一个要考虑的问题是传送带速度。如果传送带运动速度太快，器件放到传送带上时就可能会滑动(或者器件保持不动而传送带继续在动)，这时就会形成摩擦生电，传送带如果接地能使电荷耗散掉，但是器件或PC板仍带有电荷而会造成危害。
使用静电遮蔽器运输静电敏感元件是绝对的必要，如导电性塑胶盒、导电性塑胶袋、导电性海绵、静电遮蔽袋等。

6 防静电警示标志
在电子工厂中，来料检验、库房、领料处、元件插入处(自动和手动)、焊锡、设备安装、包装运输、现场维护检修是造成静电破坏的主要原因。警示所有静电敏感元件种类繁多，所有操作人员、使用人员、搬运工人等并不容易识别，所以ESD敏感标志、ESD保护标志等警示标志在整个静电防护工作中是非常重要的，它不但可防止不必要的破坏，而且可使产品获得适当的保护，增加公司信誉。

7 员工静电防护要求
进入防静电区域必须按规定穿好防静电工作服和防静电鞋；接触静电敏感元器件前必须按规定戴好接地腕带或接地脚带，并通过了相应的静电测试；易产生静电的物品禁止带入防静电区域内；静电敏感元器件的搬运、储存及分发必须存放在防静电包装内；只有在采取了相应的防静电措施后才能打开防静电包装；防静电区域内使用的手推车及货架必须有妥当的接地装置；防静电工作服、工作鞋禁止穿出工作区域，并按规定定时清洗；防静电工作表面的清洗须使用静电防护人员认可的清洗剂；避免静电敏感元件及电路板跟塑胶制成品或工具(如计算机，电脑及电脑终端机)放在一起；把所有工具及机器接上地线；用静电防护桌垫；时常遵从公司的电气安全规定及静电防护规定；禁止没有系上手环的员工及客人接近静电防护工作站；立刻报告有关引致静电破坏的可能。

8 静电安全区域
一个完整的静电防护工作应具备下列几点：完整的静电安全工作区域、适当的静电遮蔽容器、工作人员具备有完全的防护观念警示客户(包含元件装配业、设备使用人员、维护人员)，使客户不致因不知道而造成破坏。
一个安全的工作区域，包含所有导电性与绝缘性物体，不得存在有足够破坏元件的电荷，所以整个工作区域须备有：完整的导电及接地系统；适当的离子化空气产生器。

9 结语
在静电安全区域使用或安装静电敏感元件，用静电屏蔽容器运送及存放静电敏感元件或电路板，定期检测所安装的静电防护系统是否操作正常，确保操作人员明白及遵从以上原则。