静电敏感器件的防静电

    1．摩擦起电序列

    静电是一种常见的物理现象。当两种不同的材料发生摩擦时，因为电子的转移会产生静电电荷。得到电子的物体带负电，失去电子的物体带正电。这一过程称为摩擦起电。研究结果表明，不同的物质摩擦起电的序列按如下顺序排列。

    空气→人手→石棉→兔毛→玻璃→云母→人发一尼龙一羊毛→铅→丝绸→铝一纸→棉花一钢铁→木→琥珀→蜡→硬橡胶→镍／铜→黄铜/银→金/铂→硫磺→人造丝→聚酯→赛璐珞→奥纶→聚氨酯→聚乙烯→聚丙烯→聚氯乙烯→二氧化硅→聚四氟乙烯

    以上任意两种物质发生摩擦后，位于较前的物质一般带正电，而位于较后的物质则带负电，即电子从位于前面的物质转移到位于后面的物质。但这种排列不是绝对的，也不能确定产生电荷的数量。起电的结果除厂取决于物质本身外，还与材料表面的清洁程度，环境条件，接触压力，光洁程度，表面大小，摩擦分离的速度等有关。

    除了不同的物质间摩擦会产生静电外，摩擦起电也能在相同材料间发生。例如当把两块密切接触的塑料(如聚乙烯袋)分开时，能产生很高的静电(可达有一万伏以上)。

    2．典型的静电电压参考值

    3．典型的静电敏感器件

    典型的敏感器件和它们的静电破坏电压如表2所示：

    静电放电对器件的危害是不可忽视的，一些统计资料表明，全世界每天电子产品因静电损害造成的经济损失可能达百万美元以上，一年约50亿美元。一个具有代表性的大型CMOS器件制造厂产品出厂后头7个月因质量问题而退回器件中有28％与静电损害直接有关，占故障率之首位。日本NEC公司一份报告(松冈，彻氏)关于集成电路(1C)损坏的原因统计如表3所示：

    4．人体模型和器件静电敏感电压试验电路

    人体是静电的载休和来源之一，静电通过汗层使人体带电，操作中人体放电造成器件静电损害，因此静心敏感器电／压的确定首先是以人体模型来考虑的。

    一个研究报告指出:人体电容在50-250pf之间，其中80％在100pf以下，而人体电阻在0．1-100k之间，典型值在1K-5K之间，人体与器什相接触的方式不同，如两指捏住，手心抓住，脚与部牛或储存器什的容器相碰等等，接触电阻都会有变动。阻值大小还与空气湿度,皮肤表面的油份，盐份有关，而1.5K是较低的人体电肌值。因此美军规定厂实验电路见图1。

    当然1．5K，100pf还不是人体模拟最坏的情况。对功率击穿来说，电容量的增加意味着心储能增加，使击穿电压更低，如当100pf，1.5K时400V静电可能对某器件造成击穿，当用250pf时，300v就可能损坏器件了。后来日本有些器件制造厂采用更为严格的实验电路如图2所示：

    这种200pf，0Ω实验电路放电电流更大，对器件耐静电的要求更高。

    5．静电损坏一般机理和内部保护网络

    1)电压去穿和功率击穿

    半导体器件内有PN结，MOS是金属-氧化物-半导体结构，它的介电层是由一层非常薄的SiO2绝缘层所构成，电压击穿是绝缘层和PN结在过电压下的电压击穿。集成电路MOS是指CMOS(Complementary MOS)，PMOS(P Channal MOS)，NMOS(N Channal MOS)还有VMOS(Vertical groove MOS),HMOS(High density MOS)等，CMOS介，止长典型的厚度是1000埃约0．1μm左右，二氧化砧层的耐压强度一般在1×lO6V/cm-1×107V／cm之间，相应于0．1μm厚度下，耐乐在80-100V之间，而新技术MOS器件因为介电层更薄，在25-80V之间，如VMOS器件耐压只有30V，有的器件如千兆位存贮器芯片耐压只有10-20V，电压击穿开始时往往先在某一过电压下在介质的个别点上出现所谓的网点击穿，以后只要在较低的电压下即可出现大片区域的雪崩式击穿，造成器件的永久性损毁。

    功率击穿则与静电放电脉冲有关，它与瞬时脉冲的形状，持续时间和能量积聚有关。静电放电电流流过集成电路内部引起PN结的温度升高，或超过其熔化点，有的可能烧毁内部连接导线，有的引起合金化或造成金属的扩散，最终造成器件永久性的破坏。另一种可能的结果是严重的电老化而成为隐患——即通常所称的“软击穿”，往往当时并未发现器件有明显的损坏，但在今后随时都可能出现失效，对今后电子设备的使用和维修带来极大的隐患。

    2)保护网络设计

    为了提高MOS集成电路器件本身的抗静电性能，许多MOS器件制造厂在MOS器件内设计保护电路。保护电路主要采用高速开关二极管、晶体三极管、齐钠二极管、双三极管等，还用电阻进行限流或分流，提供静电放电通路。有些MOS器件的内部保护电路可达到4000V的安全值，但保护电路本身有它的局限性。

    a．保护电路的保护范围有最大电压和脉冲宽度二方面的限制，如超过这一限制，静电放电仍能使MOS器件击穿损坏，也可能损坏保护网络本身，从而更多的引起MOS器件功能的退化，或使MOS器件对下一次静电放电更为敏感。这常常表现为器件漏电的增加，开关速度的变化(开关时间增加)。

    b．分流电阻和限流电阻的保护作用亦有限，在大电流下是无能为力的。

    c．齐钠二极管(稳压管)需要大于5毫微秒的开关时间，这对高速MOS门可能速度不够。

    d．齐钠二极管分流限流电阻组成的网络会影响输入端原有的状态，有时直接影响到MOS器件性能的发挥。因此根本的措施还在于采取有效的抗静电防护手段。

    防静电对策和主要防静电器材

    1．总的防静电对策

    为避免敏感器件受到静电损害，总的对策是从器件生产厂家到使用器件的电子设备制造单位，设计的各道环节都应采取相应的措施，除了装焊、测试、包装、贮运等必须直接接触静电敏感器件的场合须有抗静电措施外，还应从使用这些器件电路的设计，如印刷导线安排，附加保护电路，外接负载因素，甚至电源等一系列问题都应有特殊的考虑，而在电子设备生产实际环境中，最为基本的措施是设置一个特殊操作区域来解决静电敏感器件的防静电问题。在该区域中使用一系列特殊的抗静电器材和适当的导电连接和接地方法，使处于该区域中的操作者和工作台面、地面及一切可能接触静电敏感器材都处于差不多相同的电位，它既能减少或避免静电的产生，又能使静电迅速地衰减。

    2．主要防静电器材

    1)导电腕带和人体防静电防护用品

    接触静电敏感器件的操作者都必须戴好电腕带，这是释放人体所带静电荷最简单，最有效的措施。导电腕带主要由—导电复合材料的腕带与接地组件组成，为了人体安全，串联了一只1MΩ左右的电阻。一般使用中导电腕带泄放人体静电的时间小于0．1秒，操作者的静电势可保持在2V以下。

    导电腕带是传统的重要防静电手段，但有时也可能出现接触不良的情况，因此除了在使用中应经常检查导电腕带是否可靠外，更为可靠的措施是应用系统的人体防静电保护用品来取代，它主要由防静电服、防静电手套和防静电鞋等组成。这种整体的防护措施具有静电屏蔽和静电泄放双重作用，因此能起到更好的防静电作用。

    2)防静电垫子

    在操作静电敏感器件时，工作台和地面等的防静电措施主要是铺设防静电材料制成的垫子，使所有与之接触的静电敏感器件的端子、装配：工具、仪表、人体等都达到基本均一电位，并通过适当接地使静电迅速得到释放。

    3)离子风发生器

    在静电敏感器件操作区，静电损害还可能来自非导电材料如印刷电路基板、陶瓷器件、人造织物、普通塑料贮运盘、苯乙烯防震泡沫材料等。一旦这些材料积聚了大量静电荷就能形成相当的电场，即使未直接接触也能损害离它很近的静电敏感器件，为了消除这部分静电荷，一般采用离子风来中和，即使用离子风发生器。该发生器应用直流脉冲电流通过尖端放电的方法产生一阵阵冷或热的周期交变的正、负离子风轻轻地吹向周围区域，它的放电周期和时间可进行调节控制，在理想的情况下空气中可达6×103个／cm3离子数量级。这不仅能有效地消除非导电材料上的静电荷，而且整个空间包括尘埃在内的粒子计数也减少了50％，起到了净化空气的作用，产品有离子风机与离子风枪等。

    另外，辐射离子发生法也逐步开始应用。该方法使用一种特殊的对人体有足够安全度的微量放射性元素所产生的射线使空气分子发生电离，分裂为等量的正负离子。因辐射离子法具有不需应用高压电场，不会产生臭氧等付产物的优点，在电子工业中也开始被重视应用。

    4)贮运工具的防静电

    静电学中高斯定律指出：穿过任何封闭导体的电力线总和等于封闭导体包围的电荷的代数和。它的推论之一就是在中空导体外的电荷不可能在它的内部引起静电场，这就是我们通常所说的静电屏蔽原理。因此在存放静电敏感器件时，我们应使用导电性能得到改进的抗静电塑料制成的贮运箱盒。这种塑料一般因其内部填充有金属或石墨纤维或抗静电剂等材料而大大提高了导电能力。因为它们具有良好的导电性，一方面能使其中静电敏感器件，组件免遭外部静电场的损害，同时也能把生产过程中由于种种因素积聚的静电荷迅速泄放掉。但需指出，与一般贮运箱的设计考虑略有不同，它必须有盒盖，这不仅为保证上方的静电屏蔽，导电的贮运盒盖还能起到二次保护的作用，因为任何一个带静电的操作者要从贮运箱取出零部件，一定要先接触盖子，这样，他所带的静电荷很容易从导电的盒盖转移到导电的贮运箱体，并通过与之相接触的可靠接地的防静电桌垫或地垫迅速得到中和。即使贮运箱未可靠接地，由于贮运箱电容的存在，人与箱接触时也使静电位得到降低。国内外电子设备生产厂还广泛使用一种透明的抗静电塑料薄膜袋，专门用于包装和贮运静电敏感器件和印刷板电路组件，此袋由抗静电塑料薄膜内层与一厚度100埃左右的金属化外层复合而成。该袋既能泄放电荷，又能起静电屏蔽作用。因为金属化层非常薄，有相当的透明性，不需打开就可以从外面清楚地识别内部的器件，使用起来甚为方便。另一种的防静电塑料袋是采用导电碳粉改性的高压聚乙烯材料制成的， 因此是黑色不透明的，但防静电效果基本是一样的。

    生产线用周转小推车设计时，主体构件材料应采取金属或抗静电塑料，如果轮子是一般橡胶类绝缘材料，应从导电的车身上装置一条金属链子挂到地面，与防静电地垫相接触时，可随时释放静电荷。

    防静电垫子作用和计算

    除了导电腕带外，防静电垫子是泄放静电的重要手段，它应达到的技术要求和放电过程的计算，在静电泄放过程的讨论中有典型的意义，因此下面做一些较为详细的介绍：

    1．国内外腆型防静电垫子主要技术要求介绍

    1)美国SiMCO公司产品的技术要求

    体积电阻率ρv108Ω·cm，表面电阻率ρv109Ω,电荷衰减时间，即从5000V衰减到500V的时间小于0．1秒。

    2)美国3M公司产品的技术要求

    用直径21／2”(约63.5mm)重约5磅的电极以500V直流电压测量时，要求垫子上各点对地电阻在108-109Ω范围内

    3)国内前锋无线电仪器厂QFM-1和QFM-2防静电垫子的技术要求

    表面电阻率ρs105-109Ω

    2．人体保护电阻设置的考虑

    防静电垫子使用中都附有人体保护电阻可防止操作者人身触电。研究表明，当电流通过人体可引起各种生理反应，轻微的电流会使神经受到轻微的刺激，使人感到发麻，不舒服。电流稍大一点，人体肌肉便失去收缩能力不能控制自己的行动，当电流到达一定的程度时，会使人全身肌肉麻痹，瞬间停止呼吸，这样几分钟内人会死亡。一般认为，通过人体的电流为25-30mA时，不仅有害于身体而且有生命危险，100mA以上就会使人死亡。因此从人身安全考虑，美国国防部文件DOD—HDBK263规定，应确保流过人体电流(交流均方根值或直流值)应小于5mA。因此，保护电阻一般在0．1-1MΩ之间选择，这与相应的英国标准BS5783也相一致。实际产品中一般使用1MΩ较多。相应地5mA×1MΩ=5000V，即在5000v电压下也能有足够的保护作用。

    3．防静电垫子放电计算和讨论

    1)防静电保护材料

    具有能限制静电产生，通过材料表面或内部迅速衰减静电或能起静电屏蔽的材料可称为防静电保护材料，按表面电阻率的不同可分为：

    a.导电材料：ρs≤105Ω
    b.静电衰减材料：105Ω≤ρs≤109Ω
    c．抗静电材料：109Ω≤ρs≤1014Ω

    制作防静电垫子的材料一般使用静电衰减材料。

    2)表面电阻率测试方法简介

    防静电垫子电阻率的测试可按照国标GBl410-89有关规定进行，该方法与美国标准ASTMD-257相一致。它采用三电极系统进行测试。电极配置如图3所示：

    表面电阻率计算公式：