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静电危害及消除器


科学技术的飞速发展,电子、通信、航天航空等新产业迅速崛起,尤其需要电子仪器仪表和设备等电子产品日趋小型化、多功能及智能化。因此高密度的大规模及超大规模集成电路不断问世。这类器件具有线间间距短、线径细、集成度高、运行速度快、低功率和输入阻抗高等特点,因而导致此类器件对静电越来越敏感。在应用中人们逐渐发现器件无缘无故地损坏或早期失效。这类现象往往是由于静电放电(即ESD)造成的。
另一方面,在电子产品生产、使用和维修等环境中,大量使用容易产生静电的各种高分子材料,这无疑给电子产品的静电防护带来更多难题和挑战。

 

静电的物理特征有三点:
1. 有吸引和排斥力;
2. 有电场存在,与大地有电位差;
3. 产生放电电流。

在电子工业过程中从元器件的生产到使用的整个过程都会产生静电,按照阶段可以分为:
1. 元件制造过程:制造、切割、接线、检验、发货;
2. 印刷电路板生产过程:收货、验收、储存、插入、焊接、品管、包装;
3. 产品或设备制造过程:电路板验收、储存、装配、品管、出货;
4. 产品或设备使用过程:安装、试验、使用、保养;
5. 产品或设备维修过程:均会产生静电。

静电电压可能高达数千伏,甚至数万伏,而电流可能小于1毫安(μA),当电阻值小于1兆欧(MΩ)时就有可能发生静电短路而泄放静电能量。
静电产生后会在其周围形成静电场产生力学效应、放电效应及静电感应效应等。在上述几点效应中,放电效应造成的危害最为严重。由于静电的存在,元器件容易吸附灰尘,它可改变线路间的阻抗影响元器件的功能或寿命。
静电的危害主要体现在静电放电(即ESD)环节。静电泄放电的时间只有毫秒级,瞬间脉冲高,平均功率可达千瓦以上,足以击穿元器件导致电子设备或系统失灵。
ESD损害的突出特点是随机性、无规律,和不易察觉性。在现代工业,特别是电子工业的大规模生产中,人们没有感觉到放电就已造成了静电损伤而且不易被检测出来,ESD对元器件的损害后果是导致硬击穿和软击穿。硬击穿是一次性造成芯片内热,二次击穿金属喷键、熔融介质、击穿表面等,最终使集成电路彻底损坏,永久失效。软击穿可造成元器件性能劣化或参数指标下降,但还没有完全损坏,从而形成隐患,在最后质量检测中很难被发现,在使用时静电造成的电路潜在损伤会使其参数变化、品质劣化、寿命降低,使设备运行一段时间后随温度、时间、电压的变化出现各种故障从而不能正常工作。如果受损芯片属于一些重要的控制系统,如:网络中心控制系统、自动播出控制系统、生产调度控制中心、电子作战指挥系统、自动导航系统、各种发射控制系统,其造成的危害有时是难以预料的。潜在的损伤实际上具有更大的危害,造成的直接或间接损失更为严重,有关资料证明ESD引起的器件损伤90%为潜在性的软击穿损伤,10%为立即失效的损伤类型。
另外静电感应和静电放电时产生电磁脉冲也具有一定的危害性:静电放电一般产生频率为几百千赫(kHz)~几十兆赫(MHz),电平高达几十毫伏的电磁脉冲干扰可使静电敏感器件(SSD)损坏。
有人认为加有ESD保护电路的集成电路板不怕静电破坏,实际上尽管加有保护电路确实能够起到一定的保护作用,但当人体或工作环境中带有上千伏静电时,虽然敏感器件内有保护电路也是无法承受的。所有的集成电路均对静电敏感,其不同之处只在于所能承受的阀电压值不同而已。

半导体及IC生产线上的静电及危害:
1.穿着尼龙衣、塑胶基底鞋在清洁地板上缓慢走动,人身会带静电7~8KV电压;
2.玻璃纤维制成的的晶体载料盒滑过聚乙稀桌面时,易产生10KV静电;
3.晶片装配线:晶片静电可达5KV,晶片装料盒35KV,工作服10KV,有机玻璃盖8KV,石英晶件1.5KV,晶片托盘6KV;
4.光刻间塑料地面500~1000V,金属网隔地面500~1000V,扩散间塑料地面500~1500V,塑料墙面约700V,金属活动皮革椅面500~3000V。

静电电场力的危害:
元器件在静电电场力的作用下,吸附粉尘、污物,从而增大泄露或造成短路使性能受损,成品率大大下降。如粉尘颗粒在100微米,铝线宽度在100微米,薄膜厚度在50微米以下时,最易使产品报废。这类情形多发生在腐蚀、清洗、光刻、点焊和封装等工艺过程中。

各类元件耐静电压值
类 型 耐放电压值(V)
VMOS 30~1800
MOSFET 100~200
GaAsFET 100~300
EP ROM 100
运算放大器 190~2500
JFET 140~700
肖特基二极管 300~3000
双极型晶体管 380~7000
可控硅 680~1100
肖特基TTL 300~2500
COMS 250~3000

从表中我们可以了解到集成电路对静电的敏感性,各种芯片不同之处在于所能承受的耐静电电压值不同而已。实际工用条件中,几乎30V的静电电压直接接触器件就足以毁坏或降低其性能,硬盘磁头更是受到3V以下静电影响,使其合格率降低。

静电感应危害:
静电感应是物质(如金属,即导体)中电子流动的一种现象。金属物体内部的电子移向表面,使表面带有与接近它的带电物体相反极性的电荷,并有静电力学现象和放电现象发生。如果感应物体是电阻较小的良导体时,容易发生静电放电现象从而造成危害。
1.金属物体(导体)上的吸附
带电物体(灰尘等)接近金属物体时,金属物体内部会发生静电感应,导致物体中的自由电子移向表面,使表面处于带电状态,因此静电感应产生的电位与带电物体(灰尘等)的静电在库仑力的作用下相互吸引,这样便发生吸附现象。此类现象即使金属物体接地会发生静电感应,往往不能有效地消除金属物体的静电。
2.绝缘体上的吸附
由于库仑力的作用,绝缘体吸引带有相反极性电荷的灰尘,对于绝缘体或吸附物,只要消除二者中任何一个上的静电就足够了。实际上,消除绝缘体的静电效果会更好。另外消除绝缘体的静电也比消除空气中粒子或灰尘的静电更容易。在现代大规模工业生产过程中,增加防止静电危害的投资,必然会得到相应的满意回报。

静电危害的防护一般有以下四种方式:
1.静电接地;
2.空气加湿,相对湿度超过65%时,难以产生静电;
3.材料的抗静电改性;
4.应用静电消除器。空间静电消除是防止静电损害最有效的措施。
静电消除器可以分为二类:电晕放电型和光照射型。
电晕放电型包涵自放电型和应用电压型二种静电消除器。

自放电型工作原理:
自放电型静电消除器具有简单、高传导性结构。其中碳或其它导电传导纤维系成一束,并且接地,当带电物体靠近静电消除器时,发生静电诱导,与物体所带电荷极性相反的电荷从地面流入并聚集在传导纤维刷的尖端,聚集的电荷量超过特定水平时,会发生电晕放电,由此产生的空气离子受带电物体吸引,与物体所带电荷结合,导致物体带电呈中性。自放电型静电消除器无需采用高压电源,价格低廉,因此得到广泛应用。典型例子就是用于传真机,复印机的静电消除器,可以消除纸张上的静电。不过,自放电型静电消除器的能力取决于带电物体的电荷数量,以及静电消除器与物体之间的距离。如果它们之间的距离太远,或者电荷数量太少,均不会发生电晕放电。因此,应用电压型静电消除器更适用于静电消除精度要求较高的场合。


应用电压型工作原理:
应用电压型静电消除器在针形电极的尖端应用高压,以强行产生电晕放电并生成正负离子,这种方法的优点是仅需打开电源即可生成稳定的正负离子、易于安装、消除静电能力强,通过空气动力可以实现长距离静电消除,其高精度的静电消除能力不受带电物体形状的影响。

光照射型工作原理:
光照射型静电消除器使用软X射线,其波长小于1.3 (埃),可以直接电离空气中的分子用于消除静电。软X射线的发射角度大于130°,因此可以大面积消除静电,由于可以在离目标极近位置生成离子,所以无需气流便可消除静电,同时可以穿透较薄物体,消除背面的静电。光照射型是种非常有效的消除静电的方法,不过在使用此类方法时应采取足够的控制措施,并应用特殊的保护设施,以免软X射线对人体造成伤害。因此它的应用范围受到相应的限制。

静电消除器需要具备三种能力:
1.静电消除速度
应具备快速消除静电的能力,这种能力取决于应用高压的方式,它的衡量指标为静电检测仪充电板上的电压由1000V下降到100V所需的时间。
2.离子平衡
离子平衡是静电消除器能够消除多少静电及能够在最低值保持多长时间的度量标准。静电电压越接近0V,静电消除器的平衡状态越好。
3.静电消除能力的维持
静电消除器的能力(消电速度和离子平衡)随着使用时间增加逐渐减弱,能力减弱的主要因素是电极尖端上的堆积物及针尖磨损,在使用静电消除器时,不仅要考虑消电速度,还应考虑静电消除能力随时间的变化。

应用电压型静电消除器由接地装置、高压电流及电极探针组成,它的静电消除能力取决于应用方式。常见的应用方式有以下几种:
1.AC方式(交流方式)
此方式在正半周期内对放电探针应用正高压以生成正离子,在负半周期内应用负高压以生成负离子,它可以中和正负极性的带电物体,具有极佳的离子平衡状态,此方式为传统而大量应用的方式,并且价格低廉。
2.DC方式(直流方式)
此方式通过同时连续地提供的正负高压分别在不同的电极上生成正负离子,从而快速消除静电。
3.脉冲DC方式
此方式分别针对正负离?的电极探针,交替应用直流正负高压产生间隙的正负离子输出,此方式生成的离子数量较多,因此消除静电速度较快,同时具有良好的离子平衡能力。
4.脉冲AC方式
此方式是将正负直流高压交替应用到同一电极探针上,它综合了AC、DC及脉冲DC方式的优点,与AC方式相比,生成的离子数量更多,因此消除静电速度更快,同时具有良好的离子平衡状态。

直流静电消除器的控制方式:
为求得直流高压的高稳定性、对称性,常见有反馈、比较的自平衡方式,亦有通过采取调节正负高压的对称性达到最佳的离子平衡状态。
目前有部分厂商应用单片机技术在作直流静电消除器的集中群控研发,通过电脑同时监控二三百台静电消除器的运行状况,为提高生产线静电消除器的管理效率做出有益的贡献。

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