科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,電子、通信、航天航空等新產(chǎn)業(yè)迅速崛起,尤其需要電子儀器儀表和設(shè)備等電子產(chǎn)品日趨小型化、多功能及智能化。因此高密度的大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路不斷問世。這類器件具有線間間距短、線徑細(xì)、集成度高、運(yùn)行速度快、低功率和輸入阻抗高等特點(diǎn),因而導(dǎo)致此類器件對(duì)靜電越來越敏感。在應(yīng)用中人們逐漸發(fā)現(xiàn)器件無緣無故地?fù)p壞或早期失效。這類現(xiàn)象往往是由于靜電放電(即ESD)造成的。
另一方面,在電子產(chǎn)品生產(chǎn)、使用和維修等環(huán)境中,大量使用容易產(chǎn)生靜電的各種高分子材料,這無疑給電子產(chǎn)品的靜電防護(hù)帶來更多難題和挑戰(zhàn)。
靜電的物理特征有三點(diǎn):
1. 有吸引和排斥力;
2. 有電場存在,與大地有電位差;
3. 產(chǎn)生放電電流。
在電子工業(yè)過程中從元器件的生產(chǎn)到使用的整個(gè)過程都會(huì)產(chǎn)生靜電,按照階段可以分為:
1. 元件制造過程:制造、切割、接線、檢驗(yàn)、發(fā)貨;
2. 印刷電路板生產(chǎn)過程:收貨、驗(yàn)收、儲(chǔ)存、插入、焊接、品管、包裝;
3. 產(chǎn)品或設(shè)備制造過程:電路板驗(yàn)收、儲(chǔ)存、裝配、品管、出貨;
4. 產(chǎn)品或設(shè)備使用過程:安裝、試驗(yàn)、使用、保養(yǎng);
5. 產(chǎn)品或設(shè)備維修過程:均會(huì)產(chǎn)生靜電。
靜電電壓可能高達(dá)數(shù)千伏,甚至數(shù)萬伏,而電流可能小于1毫安(μA),當(dāng)電阻值小于1兆歐(MΩ)時(shí)就有可能發(fā)生靜電短路而泄放靜電能量。
靜電產(chǎn)生后會(huì)在其周圍形成靜電場產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng)、放電效應(yīng)及靜電感應(yīng)效應(yīng)等。在上述幾點(diǎn)效應(yīng)中,放電效應(yīng)造成的危害較為嚴(yán)重。由于靜電的存在,元器件容易吸附灰塵,它可改變線路間的阻抗影響元器件的功能或壽命。
靜電的危害主要體現(xiàn)在靜電放電(即ESD)環(huán)節(jié)。靜電泄放電的時(shí)間只有毫秒級(jí),瞬間脈沖高,平均功率可達(dá)千瓦以上,足以擊穿元器件導(dǎo)致電子設(shè)備或系統(tǒng)失靈。
ESD損害的突出特點(diǎn)是隨機(jī)性、無規(guī)律,和不易察覺性。在現(xiàn)代工業(yè),特別是電子工業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)中,人們沒有感覺到放電就已造成了靜電損傷而且不易被檢測出來,ESD對(duì)元器件的損害后果是導(dǎo)致硬擊穿和軟擊穿。硬擊穿是一次性造成芯片內(nèi)熱,二次擊穿金屬噴鍵、熔融介質(zhì)、擊穿表面等,結(jié)尾使集成電路徹底損壞,長期失效。軟擊穿可造成元器件性能劣化或參數(shù)指標(biāo)下降,但還沒有完全損壞,從而形成隱患,在結(jié)束質(zhì)量檢測中很難被發(fā)現(xiàn),在使用時(shí)靜電造成的電路潛在損傷會(huì)使其參數(shù)變化、品質(zhì)劣化、壽命降低,使設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后隨溫度、時(shí)間、電壓的變化出現(xiàn)各種故障從而不能正常工作。如果受損芯片屬于一些重要的控制系統(tǒng),如:網(wǎng)絡(luò)中心控制系統(tǒng)、自動(dòng)播出控制系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度控制中心、電子作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、各種發(fā)射控制系統(tǒng),其造成的危害有時(shí)是難以預(yù)料的。潛在的損傷實(shí)際上具有更大的危害,造成的直接或間接損失更為嚴(yán)重,有關(guān)資料證明ESD引起的器件損傷90%為潛在性的軟擊穿損傷,10%為立即失效的損傷類型。
另外靜電感應(yīng)和靜電放電時(shí)產(chǎn)生電磁脈沖也具有一定的危害性:靜電放電一般產(chǎn)生頻率為幾百千赫(kHz)~幾十兆赫(MHz),電平高達(dá)幾十毫伏的電磁脈沖干擾可使靜電敏感器件(SSD)損壞。
有人認(rèn)為加有ESD保護(hù)電路的集成電路板不怕靜電破壞,實(shí)際上盡管加有保護(hù)電路確實(shí)能夠起到一定的保護(hù)作用,但當(dāng)人體或工作環(huán)境中帶有上千伏靜電時(shí),雖然敏感器件內(nèi)有保護(hù)電路也是無法承受的。所有的集成電路均對(duì)靜電敏感,其不同之處只在于所能承受的閥電壓值不同而已。

半導(dǎo)體及IC生產(chǎn)線上的靜電及危害:
1.穿著尼龍衣、塑膠基底鞋在清潔地板上緩慢走動(dòng),人身會(huì)帶靜電7~8KV電壓;
2.玻璃纖維制成的的晶體載料盒滑過聚乙稀桌面時(shí),易產(chǎn)生10KV靜電;
3.晶片裝配線:晶片靜電可達(dá)5KV,晶片裝料盒35KV,工作服10KV,有機(jī)玻璃蓋8KV,石英晶件1.5KV,晶片托盤6KV;
4.光刻間塑料地面500~1000V,金屬網(wǎng)隔地面500~1000V,擴(kuò)散間塑料地面500~1500V,塑料墻面約700V,金屬活動(dòng)皮革椅面500~3000V。
靜電電場力的危害:
元器件在靜電電場力的作用下,吸附粉塵、污物,從而增大泄露或造成短路使性能受損,成品率大大下降。如粉塵顆粒在100微米,鋁線寬度在100微米,薄膜厚度在50微米以下時(shí),更易使產(chǎn)品報(bào)廢。這類情形多發(fā)生在腐蝕、清洗、光刻、點(diǎn)焊和封裝等工藝過程中。

各類元件耐靜電壓值
類 型 耐放電壓值(V)
VMOS 30~1800
MOSFET 100~200
GaAsFET 100~300
EP ROM 100
運(yùn)算放大器 190~2500
JFET 140~700
肖特基二極管 300~3000
雙極型晶體管 380~7000
可控硅 680~1100
肖特基TTL 300~2500
COMS 250~3000
從表中我們可以了解到集成電路對(duì)靜電的敏感性,各種芯片不同之處在于所能承受的耐靜電電壓值不同而已。實(shí)際工用條件中,幾乎30V的靜電電壓直接接觸器件就足以毀壞或降低其性能,硬盤磁頭更是受到3V以下靜電影響,使其合格率降低。
靜電感應(yīng)危害:
靜電感應(yīng)是物質(zhì)(如金屬,即導(dǎo)體)中電子流動(dòng)的一種現(xiàn)象。金屬物體內(nèi)部的電子移向表面,使表面帶有與接近它的帶電物體相反極性的電荷,并有靜電力學(xué)現(xiàn)象和放電現(xiàn)象發(fā)生。如果感應(yīng)物體是電阻較小的良導(dǎo)體時(shí),容易發(fā)生靜電放電現(xiàn)象從而造成危害。
1.金屬物體(導(dǎo)體)上的吸附
帶電物體(灰塵等)接近金屬物體時(shí),金屬物體內(nèi)部會(huì)發(fā)生靜電感應(yīng),導(dǎo)致物體中的自由電子移向表面,使表面處于帶電狀態(tài),因此靜電感應(yīng)產(chǎn)生的電位與帶電物體(灰塵等)的靜電在庫侖力的作用下相互吸引,這樣便發(fā)生吸附現(xiàn)象。此類現(xiàn)象即使金屬物體接地會(huì)發(fā)生靜電感應(yīng),往往不能有效地消除金屬物體的靜電。
2.絕緣體上的吸附
由于庫侖力的作用,絕緣體吸引帶有相反極性電荷的灰塵,對(duì)于絕緣體或吸附物,只要消除二者中任何一個(gè)上的靜電就足夠了。實(shí)際上,消除絕緣體的靜電效果會(huì)更好。另外消除絕緣體的靜電也比消除空氣中粒子或灰塵的靜電更容易。在現(xiàn)代大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)過程中,增加防止靜電危害的投資,必然會(huì)得到相應(yīng)的滿意回報(bào)。

靜電危害的防護(hù)一般有以下四種方式:
1.靜電接地;
2.空氣加濕,相對(duì)濕度超過65%時(shí),難以產(chǎn)生靜電;
3.材料的抗靜電改性;
4.應(yīng)用靜電消除器??臻g靜電消除是防止靜電損害更有效的措施。
靜電消除器可以分為二類:電暈放電型和光照射型。
電暈放電型包涵自放電型和應(yīng)用電壓型二種靜電消除器。
自放電型工作原理:
自放電型靜電消除器具有簡單、高傳導(dǎo)性結(jié)構(gòu)。其中碳或其它導(dǎo)電傳導(dǎo)纖維系成一束,并且接地,當(dāng)帶電物體靠近靜電消除器時(shí),發(fā)生靜電誘導(dǎo),與物體所帶電荷極性相反的電荷從地面流入并聚集在傳導(dǎo)纖維刷的尖、端,聚集的電荷量超過特定水平時(shí),會(huì)發(fā)生電暈放電,由此產(chǎn)生的空氣離子受帶電物體吸引,與物體所帶電荷結(jié)合,導(dǎo)致物體帶電呈中性。自放電型靜電消除器無需采用高壓電源,價(jià)格低廉,因此得到廣泛應(yīng)用。典型例子就是用于傳真機(jī),復(fù)印機(jī)的靜電消除器,可以消除紙張上的靜電。不過,自放電型靜電消除器的能力取決于帶電物體的電荷數(shù)量,以及靜電消除器與物體之間的距離。如果它們之間的距離太遠(yuǎn),或者電荷數(shù)量太少,均不會(huì)發(fā)生電暈放電。因此,應(yīng)用電壓型靜電消除器更適用于靜電消除精度要求較高的場合。
應(yīng)用電壓型工作原理:
應(yīng)用電壓型靜電消除器在針形電極的尖、端應(yīng)用高壓,以強(qiáng)行產(chǎn)生電暈放電并生成正負(fù)離子,這種方法的優(yōu)點(diǎn)是僅需打開電源即可生成穩(wěn)定的正負(fù)離子、易于安裝、消除靜電能力強(qiáng),通過空氣動(dòng)力可以實(shí)現(xiàn)長距離靜電消除,其高精度的靜電消除能力不受帶電物體形狀的影響。
光照射型工作原理:
光照射型靜電消除器使用軟X射線,其波長小于1.3 (埃),可以直接電離空氣中的分子用于消除靜電。軟X射線的發(fā)射角度大于130°,因此可以大面積消除靜電,由于可以在離目標(biāo)極近位置生成離子,所以無需氣流便可消除靜電,同時(shí)可以穿透較薄物體,消除背面的靜電。光照射型是種非常有效的消除靜電的方法,不過在使用此類方法時(shí)應(yīng)采取足夠的控制措施,并應(yīng)用特殊的保護(hù)設(shè)施,以免軟X射線對(duì)人體造成傷害。因此它的應(yīng)用范圍受到相應(yīng)的限制。
靜電消除器需要具備三種能力:
1.靜電消除速度
應(yīng)具備快速消除靜電的能力,這種能力取決于應(yīng)用高壓的方式,它的衡量指標(biāo)為靜電檢測儀充電板上的電壓由1000V下降到100V所需的時(shí)間。
2.離子平衡
離子平衡是靜電消除器能夠消除多少靜電及能夠在低值保持多長時(shí)間的度量標(biāo)準(zhǔn)。靜電電壓越接近0V,靜電消除器的平衡狀態(tài)越好。
3.靜電消除能力的維持
靜電消除器的能力(消電速度和離子平衡)隨著使用時(shí)間增加逐漸減弱,能力減弱的主要因素是電極尖、端上的堆積物及針尖磨損,在使用靜電消除器時(shí),不僅要考慮消電速度,還應(yīng)考慮靜電消除能力隨時(shí)間的變化。
應(yīng)用電壓型靜電消除器由接地裝置、高壓電流及電極探針組成,它的靜電消除能力取決于應(yīng)用方式。常見的應(yīng)用方式有以下幾種:
1.AC方式(交流方式)
此方式在正半周期內(nèi)對(duì)放電探針應(yīng)用正高壓以生成正離子,在負(fù)半周期內(nèi)應(yīng)用負(fù)高壓以生成負(fù)離子,它可以中和正負(fù)極性的帶電物體,具有更好的離子平衡狀態(tài),此方式為傳統(tǒng)而大量應(yīng)用的方式,并且價(jià)格低廉。
2.DC方式(直流方式)
此方式通過同時(shí)連續(xù)地提供的正負(fù)高壓分別在不同的電極上生成正負(fù)離子,從而快速消除靜電。
3.脈沖DC方式
此方式分別針對(duì)正負(fù)離?的電極探針,交替應(yīng)用直流正負(fù)高壓產(chǎn)生間隙的正負(fù)離子輸出,此方式生成的離子數(shù)量較多,因此消除靜電速度較快,同時(shí)具有良好的離子平衡能力。
4.脈沖AC方式
此方式是將正負(fù)直流高壓交替應(yīng)用到同一電極探針上,它綜合了AC、DC及脈沖DC方式的優(yōu)點(diǎn),與AC方式相比,生成的離子數(shù)量更多,因此消除靜電速度更快,同時(shí)具有良好的離子平衡狀態(tài)。
直流靜電消除器的控制方式:
為求得直流高壓的高穩(wěn)定性、對(duì)稱性,常見有反饋、比較的自平衡方式,亦有通過采取調(diào)節(jié)正負(fù)高壓的對(duì)稱性達(dá)到較佳的離子平衡狀態(tài)。
目前有部分廠商應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)在作直流靜電消除器的集中群控研發(fā),通過電腦同時(shí)監(jiān)控二三百臺(tái)靜電消除器的運(yùn)行狀況,為提高生產(chǎn)線靜電消除器的管理效率做出有益的貢獻(xiàn)。
