电子元器件静电防护措施

2021-07-28武文娟

数字技术与应用 2021年6期

武文娟

(西安航天精密机电研究所,陕西西安 710100)

1 静电的产生

1.1 摩擦产生静电

静电是一种特殊的现象,当物体表面的正电荷与负电荷在局部范围内难以保持在平衡状态下时,就产生了静电现象,从本质上看,电子或者离子的转移是引起静电现象的直接原因。对于两个相互绝缘的物体而言,相互之间因为存在着一定的摩擦作用力,伴随着摩擦作用力的产生,一个物体中的部分电子会转移至另一物体表面,电子的转移使得该物体失去了部分电子,带上了“正电荷”,而另一个物体因为得到了电子,带上了“负电荷”,这种电子转移引起了静电现象[1]。因此,接触摩擦是引起静电现象的一大原因,同样是静电的一大类型,现实生活中,塑料、地毯、化纤织物、纸张等由于其材料性质的特殊性,相互之间存在摩擦或者与人之间的摩擦,产生了一定量的静电荷。

除了不同物质之间的相互接触摩擦会产生静电现象,相同物质之间的相互接触摩擦同样会造成一定的静电现象,比如,金属和非金属之间同样会存在摩擦。从根本上看,静电现象下的静电能量大小除了与物质本身的特点有关外,更是与材料表面的清洁程度、环境条件、接触压力等各种因素有着直接的关系[2]。

1.2 感应产生静电

现实生活中的静电现象还表现为一种感应静电,就是当导体或者电介质处于一定的静电场条件下时,会出现明显的感应起电现象。当带静电的物体附近有导体分布的情况下,因为存在静电场的作用力,也就加剧了导体极化,而极化以后的电介质在电力线方向相对的两面出现了大小相同、极性相反的感应电荷,也就同步伴随着静电现象的发生,这一类静电现象的产生过程如图1所示。

图1 静电感应现象Fig.1 Electrostatic induction

2 静电对电子元件的危害

吸引或者排斥是静电的基本物理特性,静电与大地之间存在着明显的电位差,该电位差的存在使得静电现象发生的同时出现了一定的放电电流,静电的这些物理特性使得静电现象对于电子元器件的危害性相对较大[3]。从本质上来看,静电现象对电子元器件的危害具体表现在以下方面:静电在吸附灰尘的同时,使得线路之间的阻抗发生了明显的变化,电子元器件的性能和使用寿命都难以维持最佳状态;静电放电现象对电子元器件造成了一定的损伤,虽然在些微损坏的情况下电子元器件依旧可以正常使用,但是其使用寿命却大大缩短;静电放电过程中的电磁场幅度异常变化,使电子元器件存在着严重的电磁干扰。

针对静电现象对电子元器件造成的损伤和危害,根据危害程度,可能是永久性的也可能是短暂性的,既可以是突发性的也可以是潜在性的。相比较而言,静电放电对电子元器件的损伤最大,也是影响电子元器件正常使用的直接原因。一般情况下,人们更多地认为CMOS类晶片对静电是最为敏感的,事实上,对于集成度非常高的电子元器件而言,其对于静电现象同样具有极高的敏感性。随着技术的日渐进步,集成电路元器件表现出线路缩小、耐压降低、线路面积减小的特点,正是因为电子元器件的这些特点,使得各类电子元器件的耐静电冲击能力相对较差,静电放电对电子元器件的使用造成了巨大的干扰。此外,随着生产生活领域塑料制品的广泛使用,这些高绝缘材料增加了静电现象的出现频次,再加上日常生活中的走动、空气流动或者搬运等,均可能会出现静电现象,对电子元器件造成的危害是非常大的,因此,为避免电子元器件由静电现象而引起失效,应重视静电防护。

3 电子元器件的静电防护措施

由于静电对电子元器件的危害是非常大的,因此,为提高电子产品的静电防护能力,使得电子产品具备极高的能力来应对静电损伤,就需要在电子元器件的设计、加工、装配、测试、运输等各个环节,参与到这些环节的全部人员都应该具备极高的防静电意识,对各个岗位人员做好静电防护知识的普及和推广[4]。电子元器件静电防护应从以下方面来开展:

3.1 导体带静电的防护

电子元器件的有关部位出现静电现象的几率较高,在静电防护过程中,针对可能出现或者已经出现静电现象的导体部位,如生产线、设备、仪表外壳等,因为这些部分出现静电现象的几率较高,且危害较大,为了消除静电危害,可以在这些部位提供相应的通道来使得静电得以快速泄放,这种方式也就是接地处理。一般情况下,良好的接地处理可以给静电提供对应的泄放通道,使得在带电体中的静电荷可以经由该通道泄出并导入大地,基于接地处理的一系列流程,即使出现了静电现象,泄放通道的存在可以使得静电放电对电子元器件的损伤大大减小。电子元器件的防静电处理中,在条件允许的情况下,可以通过防静电接地线的单独布设,来将防静电接地线与电源接地线隔离开来,将需要进行防静电的导体直接连接于防静电地线上。

3.2 非导体带静电的防护

一些静电现象是在绝缘体上发生的,这种情况下的静电防护方面,因为电荷无法在绝缘体上流动,因此,常规的接地处理的方式无法实现有效的静电防护,为解决这一情况下的静电问题,电荷中和的方法更为合适。比如,通过离子风扇的使用,就可以大大减小静电危害,在离子风扇的运行过程中,伴随着一定的正、负离子产生,而这些正、负离子实现静电的中和。根据电荷中和法的技术原理,如果静电现象难以通过接地泄放的方式来实现防护,就可以采用电荷中和法,比如,高速贴片接头等部位,电荷中和法的防静电效果十分理想。此外,静电消除剂的使用同样可以实现静电防护,绝缘物体表面的静电可以利用静电消除剂反复擦洗来降低静电的发生概率。

静电放电与温度、湿度等环境因素也存在着紧密的联系,在同一大气环境条件下,温度偏低区域的湿度要高于温度偏高地区的湿度,湿度偏大的情况下,非导体材料表面的电导率也相对偏大,空气导电性能的增大使得原先在绝缘物体表面上积累的静电荷可以在非常短的时间内泄露出去。因此,根据这一变化关系,在环境温度越低的情况下,湿度越大,静电现象发生的几率也相对较低,静电防护相对简单。当静电防护过程中面临的是存在静电威胁的场所,在条件允许的情况下,基于环境温度和湿度等与静电现象之间的关系,可以通过增加湿度、降低温度的方式来实现静电防护,这种环境温度和湿度控制的静电防护手段相对简单,且整体的成本投入相对较低。

静电屏蔽同样十分有效,对于一些易出现静电现象的设备、部件和仪器而言,选用静电屏蔽的方法更为有效。在利用静电屏蔽法进行静电防护的过程中,主要利用的是导体在静电场中的静电平衡性,当使用相应的屏蔽设备切断了静电源与敏感元器件之间的耦合路径以后,也就实现了对静电现象的预防与控制。在电子元器件的搬运、输送过程中,为通过静电屏蔽的方式进行静电防护,可以将这些电子元器件放置于三层结构的防静电屏蔽袋或者屏蔽盒内。防静电屏蔽袋或者屏蔽盒内层采用的是低起电材料所制成的,在使用的过程中可以对摩擦起电起到一定的抑制作用。导电的中间金属层一般使用的是铝箔材料,经由地面、桌子、料架等以接地点之间可靠连接,也就使得外部的电荷经由该连接线被引向大地,这种情况下,即使外部静电源再大,但在屏蔽袋或者屏蔽盒内的电势差、电厂均为零,保持在相对的静电平衡条件下,静电现象出现的概率大大降低,实现了对电子元器件的保护[5]。

3.3 静电防护器材的使用

在电子元器件的静电防护过程中,通过一定静电防护器材的使用,可以实现静电防护。通常情况下,静电防护器材需满足:存在一定的导电性,这一特性使得其自身的静电产生相对较少,使得外电场静电可以在较短的时间内及时泄露出去;具备一定的电阻特性,这一特性使得静电防护器材可以有效对静电泄放的速度加以有效控制,因为一旦泄放电流得不到有效的控制,可能会导致电子元器件的损坏,影响电子元器件的正常使用。现阶段,随着电子元器件生产工艺的日渐成熟,在各类电子元器件的组装过程中大多使用的是表面电阻为1×105Ω以内的静电亚导体等作为静电防护器材的材料,静电防护效果相对理想[6]。电子元器件的生产和组装过程中,应加强对各类防静电器材的使用,比如,防静电腕带、工作服、手套、防静电地坪等,积极通过这些防静电器材的使用来减小静电危害。