静电对电子元器件的危害与有效防护

文/张红

随着电子技术的发展，电子元器件也在不断向轻、薄、短、小、高密度、多功能等方向发展，电子元器件的静电敏感度越来越高。在电子元器件制造和应用环境中各种高分子材料的广泛应用，使静电的产生更加容易和广泛。静电放电会导致静电敏感器件立即失效或潜在失效（性能下降），而电子元器件静电放电损伤中90%属于潜在性损伤，没有办法通过检测发现，静电放电成为电子元器件质量和可靠性的重要杀手，有效的静电放电防护是提高电子元器件质量和可靠性的重要手段。

1　静电对电子元器件的危害

所谓静电，就是一种处于静止状态的电荷或者说不流动的电荷。当电荷聚集在某个物体上或表面时就形成了静电，而电荷分为正电荷和负电荷两种，也就说静电现象也分为正静电和负静电。当正电荷聚集在某个物体上时就形成了正静电，当负电荷聚集在某个物体上时就形成了负静电，当带有正静电或负静电的物体与其有电位差的物体接触时就会发生电荷的转移，而产生静电放电现象。结合以往的工作经验和当下的工作标准，认为静电对电子元器件的危害，主要是体现在以下几个方面：

（1）静电场能使导电材料感应带电，能使绝缘材料极化带电，在小物体上产生电偶，静电场对小物体的吸引作用，正是电偶在电场中受力的结果。静电会能吸附灰尘，同时会针对电子元器件的线路之间的阻抗，造成非常严重的改变现象。当电子元器件长期遭受静电的影响以后，会在自身的功能方面、寿命方面，均产生特别大的破坏现象。

（2）静电放电的热效应会使电子元器件立即失效，受静电场力的作用，绝缘介质会发生电离，电子元器件会出现潜在失效或性能下降现象。性能下降包括温、湿度范围减小，频率特性下降，绝缘性能下降以及寿命缩短等情况。电子元器件受静电放电和场力作用发生潜在失效或性能下降的可能性约为90%。

（3）静电放电多数是高电位、强电场、瞬间大电流的过程，脉冲宽度一般是ns或us级，脉冲可达几十安培甚至上百安培。在静电放电过程中会产生上升沿极陡、持续时间极短的大电流脉冲，并产生强烈电磁辐射，形成静电放电电磁脉冲，其电磁能量往往会引起逻辑电路翻转失效。

2　静电产生的原因及影响因素

使物体带静电的方法可以归结为三种，即摩擦起电、接触带电、感应带电。

摩擦起电是摩擦过的物体具有吸引轻小物体的现象，就是摩擦起电现象。由于不同物质的原子核对核外的电子的束缚能力不同，当两个物体相互摩擦时，哪个物体的原子核对核外电子的束缚本领弱，它的一些电子就会转移到另一个物体上，失去电子的物体带正电，得到电子的物体由于带有多余的电子而带负电。摩擦起电实质上并不是创造了电，只是电荷从一个物体转移到了另一个物体，是正负电荷分开，电荷的总量并没有改变。相互摩擦的两个物体，必然带上等量的异种电荷，带正电的物体缺少电子，带负电的物体有了等量的多余的电子。在转移过程中只能转移核外的电子，但原子核是稳定的。例如：被丝绸摩擦过的玻璃棒带正电。两种物体在静电序列上的位置相距越远，摩擦产生的电位差越大，摩擦起电量也会受到温湿度、外电场、摩擦时物体运动速度、气压、摩擦形态（滚动和滑动）以及物质微观结构的影响。

接触带电是指带电的物体接触不带电的物体（注意：这里的不带电物体应是导体，电荷才可以在其上自由移动），则不带电的物体也带上了与带电物体相同种类的电荷。一个物体带电，一个不带电，相接触后，总电量就重新分布了，为了取得平衡，电荷就会发生移动。接触带电是两个物体带电的均衡，最终结果是带同种但不一定等量的电荷。例如：把带负电的橡胶棒与不带电的验电器金属球接触，验电器就带上了负电，且金属箔片会张开。

图1　

感应带电也就是静电感应。一个带电物体靠近另一个不带电的导体时的电荷。例如：一个带正电荷的物体靠近某个不带电的金属球时，离带电体近的一端就带负电荷，离它远的一端则带正电荷。感应带电实质上是物体在静电场的作用下，发生了电荷的重新分布的现象。例如：电视机、电脑等的显示屏上的带电现象。

3　静电放电的有效防护

静电源、路径、敏感器件是导致静电危害发生的三个要素，如图1所示，其中静电源是由于不平衡电荷产生的，在静电放电时，提供必要的电场、电压、电流或能量。有时一个器件既可以是静电源，也可以是敏感器件；路径是指静电源或敏感器之间能量的耦合路径，可以是传到传播的，有时也可以是电场力的作用；敏感器是一切对静电敏感的对象的总称。它可以是一个PN结、一个晶片，一个元器件，一个组件、一个设备或一个系统等。因此，需要控制静电源，使其不超过敏感器件的敏感电压；切断耦合路径，使静电源和敏感器件之间没有作用的路径；对静电敏感器件进行加固设计，使敏感器件对静电不敏感。如图1所示。

从以上分析可知，减少产生的电量，增加泄漏的电量是控制静电源的两条重要途径。

为了减少产生的电量应尽量减少物体之间的接触面积，接触压力，或使物体之间不发生接触，未采静电防护措施的人员不得接触带有静电敏感标识的元器件，不得靠近正在操作的作业人员，工作台上不允许堆放塑料盒、橡皮、纸板、玻璃等易产生静电的杂物，图纸等纸质资料应装入防静电袋中，生产现场禁止堆放与生产无关的绝缘物品；尽量采用“静电序列中”中位置相近的材料或同种材料。生产现场的操作人员不得穿化纤及羊毛织品的服装，应穿戴由棉制或静电耗散材料制作的工作服、工作帽及工作鞋，操作者应在涂漆操作时应使用防静电刷，夹取电子元器件时应使用防静电镊子，生产现场应使用由静电耗散材料制作的包装袋、包装箱、周转箱；尽量使用清洁、光滑、无污染的材料；尽量减少物体之间接触分离的次数与速度，减少相对运动的速度，禁止生产现场操作人员的跑跳操作；增加温度、提高相对湿度。

接地、中和、提高湿度、涂防静电涂料是增加泄漏的电量重要措施。

生产现场不接地的设备、材料、工具和人员都是静电源，都是导致静电敏感元器件发生损伤的潜在和现实的因素，接地的目的是为静电荷提供一个泄放的通道，保证静电源与参考点之间产生的电位差最小。静电接地分为直接静电接地和间接静电接地。直接静电接地是将金属设备与接地系统直接进行电气上的可靠连接。间接接地是将物体通过静电耗散材料及制品或通过一定阻值的器件与接地系统进行电气上的可靠连接，间接接地的目的是控制泄放电流，保证人身安全。电源接地系统、功能接地系统、等电位连接或搭接是静电接地系统的三种方式。当生产现场具备单相三线电源保护地时，可以通过电源保护地实现接地，没有电源保护地或不方便、不希望使用电源保护地时，可利用功能接地系统如专用地线实现接地，在既没有电源接地系统，又没有功能接地系统可利用的情况下，可用金属线将生产现场的设备、材料、工具和人员连接起来，形成等电位系统。生产现场禁止直接使用木质地板或铺设毛、麻、化纤地毯及普通地板革，应选用由静电耗散材料构成的地面。工作台、工作柜子上应铺设防静电垫。一个防静电工作台应至少配备两个腕带插孔。防静电地面、防静电垫、腕带插孔应与接地系统可靠连接。为防止机壳所带电对静电敏感器件的损伤，生产现场中利用交流电源供电的设备、工具（如电烙铁、吸锡器、有源剥线器等），应通过电源保护地实现接地，生产现场不使用交流电的工具应通过防静电工作台或实现了接地的操作人员实现接地。生产现场应使用防静电工作椅、防静电小推车。生产现场的操作人员应佩戴防静电腕带，穿防静电鞋实现间接静电接地。所有的接地宜采用螺栓压接或焊接的方法以保证与静电接地系统的可靠连接。

某些工序如电子装联的涂覆、粘固工序等所使用的三防漆、硅橡胶等绝缘物无法提供静电泄放的通道，因此需要采用离子发生器中和静电荷。静电中和的基本原理是通过电离空气而产生正负离子，以中和操作过程中产生的正负电荷。通常采用离子风机、离子风枪、离子棒、感应式离子静电消除其进行静电中和。

湿度对静电的积累和消散的影响很大。湿度较低时，静电位高，湿度较高时静电位低。这主要因为湿度较高时，绝缘材料吸附了水分子（有事还有导电杂质）而降低了绝缘，便于静电泄漏；温度的升高增加了带电离子的热能，带电离子更容易移动，从而也降低了绝缘。但湿度太高会使电子元器件产生锈蚀，因此，一般将生产现场的相对湿度控制在30%RH～70%RH之间。

涂防静电涂料的目的是改善材料的电导率，利于静电荷的泄放，能够迅速消除材料表面的静电。

低起电的静电放电屏蔽包装袋或包装箱是非常有效的切断静电源与敏感器件之间耦合路径的措施。静电放电屏蔽包装袋或包装箱内层与静电敏感器件接触的表面材料应是静电耗散材料，其屏蔽层应为金属材料。当静电放电屏蔽包装用于在生产现场外部运转静电敏感元器件时，应将包装袋、包装箱密封或盖盖。准备开封、测试静电敏感器件时必须在防静电工作台上进行。凡静电敏感型器件不应过早地拿出原封装，要正确操作，尽量不触摸静电敏感型器件管腿。一次性使用的防静电包装应不应重复使用，需要重复使用时，应目视检查，保证完好。不应使用破裂、粉化、脱落、有腐蚀性的防静电包装袋。

4　总结

静电对于电子元器件造成的危害是非常严重的，我们只有充分认识静电产生的原因及影响因素，认真分析导致静电危害的三个要素，并有针对性的采取相应静电防护措施，才能减少或避免电子元器件的静电损伤，提高电子产品的质量。