靜電對電子元件的危害及其防護措施

李斌

(天水華天科技股份有限公司，甘肅天水，741000)

靜電對電子元件的危害及其防護措施

李斌

(天水華天科技股份有限公司，甘肅天水，741000)

介紹了靜電的產生過程及其對電子元件的危害，采用了從產品設計、加工、運輸、貯存環節來預防與消除靜電的有效方法，總結出了在電子產品生產過程中對靜電防護的完整體系，從而降低了靜電帶來的損害，保證了產品的可靠性，提高了產品的質量與使用壽命。

靜電；電子元件；電荷；靜電放電；可靠性

隨著電子技術的不斷發展，電子元件由起初的大型器件、分立器件逐漸轉變為如今的小型器件、集成電路，并且向著多元化、智能化發展。然而這樣的器件卻對靜電非常敏感，此類器件被稱之為靜電敏感器件（Static Sensitive Device簡稱SSD）。在電子器件集成度越來越高的趨勢下，半導體行業通常會采用減薄器件氧化膜的厚度來減小其尺寸，與此同時器件的耐壓也隨之降低。這樣，半導體器件，特別是IC器件，其種類不同受靜電破壞的程度也不同，甚至弱到100 V的靜電也會造成破壞。那么，靜電的防護與消除就變得尤為重要。

2 靜電的產生過程

2.1 靜電的產生

原子是由原子核和原子核外電子組成，而原子核中的質子帶正電荷，核外電子帶與質子等量的負電荷。在這種情況下，質子帶的正電荷與電子帶的負電荷中和，對外表現為不帶電。然而，原子核外的電子一旦在外力的作用下，就會脫離其運行軌道進入到其它原子，此時，原子因失去電子而帶正電，其它原子因得到電子而帶負電。像這種物體表面所帶過剩或不足的相對靜止不動的電荷，稱之為靜電。靜電是一種客觀的自然現象，產生的方式有很多，如接觸、摩擦、感應、沖流等，靜電產生的基本過程可歸納圖1所示。

圖1 靜電的產生過程

2.2 靜電的特點

靜電的主要特點包括：1）高電壓；2）強電場；3）放電持續時間短；4）電磁輻射頻帶寬。

3 靜電對電子元件的危害

3.1 靜電放電(ESD)

靜電放電是指具有不同靜電電位的物體因直接接觸或靜電感應而引起物體間的靜電電荷轉移，是靜電場的能量達到一定程度后，擊穿其間介質而進行放電的一種現象。

3.2 靜電對電子元件的危害

靜電電荷本身不會產生危害，危害主要來自靜電放電（ESD）的過程。通常所說的靜電危害，實際是指ESD產生的危害。在電子元件的生產、檢驗、調試、安裝過程中，如果不消除靜電，將會直接影響產品的質量與可靠性。尤其是半導體器件和微電子器件生產行業，因靜電放電引起的失效頗多。

隨著電子、通訊、航天航空等高新產業的不斷崛起，一些電子設備、儀器、儀表等電子產品越來越小型化、集成化、智能化、多功能化。集成電路（IC）、高密度集成電路（MCU）已成為目前電子行業領域不可缺少的器件。然而此類器件具有鍵合線短、線細、集成度高、運算速度快、功耗低、耐壓低、輸入阻抗高等特點，因此使得這類器件對靜電愈加敏感。

ESD的能量對傳統電子元件的影響不大，但是，像集成電路及高密度集成電路，不論是MOS器件，還是雙極性器件都可能會因靜電電場和靜電放電電流而引起失效。甚至，會造成"軟擊穿"現象，從而直接影響電子產品及整機的質量、壽命與可靠性。

ESD引起的電子元件擊穿是電子工業最普遍、最嚴重的靜電危害，它分為硬擊穿和軟擊穿。硬擊穿是指一次性造成元器件介質擊穿、燒毀或永久性失效；軟擊穿則會造成器件的性能不穩定或參數指標下降。

電子器件因其種類不同所受靜電破壞的程度也不同，表1為不同類型器件靜電破壞電壓。

表1 電子器件靜電破壞電壓

3.3 靜電放電失效機理

（1）過電壓場致失效：過電壓場致失效是指高阻抗的靜電放電回路中，絕緣介質兩端的電極因接受了高靜電放電電荷而呈現高電壓，有可能使電極之間的電場超過其介質臨界而擊穿電場，最終使電極之間的介質發生擊穿而失效[1]。過電壓場致失效多發生于MOS器件，包括含有MOS電容或鉭電容的雙極型電路和混合電路。

（2）過電流熱致失效：過電流熱致失效是由于較低阻抗的放電回路中，靜電放電電流過大使局部區域溫度超過材料的熔點，導致材料發生局部熔融而使元器件失效。過電流熱致失效多發生于雙極元器件，包括輸入端用PN結二極管保護的MOS電路、肖特基二極管以及含有雙極元器件的混合電路。

3.4 ESD引起電子元件失效的情形

ESD引起電子元件失效主要包含四種情形：（1）對PN結造成軟擊穿，使產品的可靠性下降；（2）芯片內單晶硅金屬鍍膜被擊穿，使產品良率下降；（3）芯片內部引線被擊穿，使產品良率下降；（4）ESD損傷后導致產品在上機使用過程中出現燒毀現象。

3.5 靜電損害IC器件的特點

（1）隱蔽性：人體不能直接感知靜電，當發生靜電放電時，人體也不一定有被電擊的感覺，因為人體感知的靜電放電電壓為2～3 kV，因此靜電具有一定的隱蔽性。

（2）潛在性：一些IC器件受到ESD損傷后，其性能沒有明顯下降，但是多次的累積放電會使其性能不穩定或參數指標下降。因此靜電對IC器件的損傷具有潛在性。

（3）隨機性：IC器件從其芯片的生產、封裝、測試、包裝到產品的上機使用整個過程中都會受到靜電的威脅，而整個過程中靜電的產生具有隨機性，靜電對器件的損壞也具有隨機性。

（4）復雜性：靜電損傷引起的電路失效，往往很難觀察到，也很難甄別。通常要通過芯片失效定位儀器將其范圍鎖定，然后在SEM（掃描電子顯微鏡）下觀察。即便如此，有些ESD損傷也難與其它原因造成的損傷區別，有時候會將ESD引起的失效當做其它失效，因此靜電損傷IC器件具有復雜性。

4 靜電防護工藝

4.1 靜電防護工藝的目的與效果

隨著靜電意識的不斷增強，電子行業認為靜電防護這一工作非做不可，在實施靜電防護工作后取得了一定的效果。在防靜電實踐中，電子產品靜電控制與防護必須是分層次進行。

第一層次：對靜電敏感器件內部加防護靜電放電措施，采用防靜電擊穿材料及采用附加保護電路等，以提高其抗靜電能力。

第二層次：強化產品生產過程的靜電控制與靜電防護工藝，以降低最大靜電放電值，從而達到有效的保護目的。

圖2 靜電防護工藝的目的與效果圖

圖2中，E0為器件靜電放電安全標準值；Em為生產作業中，實際測量到的最大靜電放電值；E0/為提高抗靜電能力后的安全標準保護值；Em/為防靜電后的有效值。一般Em/值是在采用防靜電工藝后取得，E0/值只在設計方面采取措施后予以提高的。

4.2 靜電的基本預防途徑

4.2.1 產品設計、研發階段

因IC器件、MCU器件等高集成度電子器件對靜電非常之敏感，所以此類器件應該在設計、研發之初將對靜電的預防考慮進去，一般會采用以下幾種方法：

（1）在靜電的通路上放置適當阻值電阻，電阻是耗能元件，在靜電的通路上放置適當阻值的電阻是一個理想的選擇，而且其設計成本也不高。該電路(見圖2)的設計思路就是將抗靜電能力強的元器件放置在靜電高的地方，將抗靜電能力弱的元器件遠離靜電源，MCU放置在靜電敏感器件端。

（2）設置單二極管電路，對于一些電路，在通路上增加電阻會影響其固有功能，這時可以采用對電源上拉或者下拉一個二極管(見圖3)。因靜電放電速度非常快，所以要求這個二極管反應速度也要快，否則，起不到泄放靜電的作用。通常采用性價比較高的IN4148。

圖3 單電阻/單電容電路

（3）電阻、電容、二極管組合電路，當靜電較大，或者希望達到更高的抗靜電能力的產品，可以采用RCD(電阻、電容、二極管組合)電路(見圖4、圖5)，但此電路設計成本較高。

圖4 二極管電路

圖5 RCD組合電路

除以上對電路采取的保護措施外，我們還可以在設計PCB板時對地線采用單點共地的方式。

4.2.2 產品加工階段

4.2.2.1 生產環境要求

（1）空氣潔凈度要求。空氣潔凈度主要表示空氣的潔凈程度，主要包括兩方面：一是空氣中塵埃微粒的濃度；二是空氣中塵埃微粒的粒徑。空氣的潔凈度是電子產品、尤其是微電子生產非常重要的條件之一，空氣潔凈度不達標，會直接對產品內部造成污染，同時還會引起周圍靜電產生，從而影響產品的性能、成品率、可靠性及壽命。

微電子生產行業一般采用：一是建造密閉性、易潔性、保溫性的凈化廠房；二是加裝凈化空調。

（2）恒溫恒濕要求。微電子生產行業對生產環境的溫濕度有著嚴格的要求，當溫度變化過大時，會直接影響產品的性能、可靠性及壽命，同時當濕度變化過大時也會影響產品的性能、可靠性及壽命，而且當濕度過于低時，容易產生靜電，一般情況下空氣的相對濕度不易低于40%RH。

4.2.2.2 設備要求

（1）鋪設防靜電地板。無塵室內、各站工作區以及走道區域地板必須使用防靜電地板，地板表面電阻率應為105～1 010Ω·m。

（2）電氣設備、工作臺接地。工作臺上的電氣設備需要直接接地，并且需要和工作桌面隔絕，同時工作臺需加1 MΩ電阻間接接地。

ESD防護區安全接地應注意的原則：在工作環境中減少產生靜電的過程和材料，如保持其過程和材料具有相同的靜電勢[2]。

防靜電工作區必須有安全可靠的防靜電接地裝置，地電阻小于4Ω，防靜電地線不得與電源零線相接，不得與防雷地線共用。使用三相五線制供電時，其地線可以作為防靜電地線。

工作臺面、貨架、貨柜和其它導靜電的ESD保護措施均應通過限流電阻接到地線，防靜電腕帶應通過工作臺頂面接地點與地線連接。

（3）防靜電安全電阻的確定與計算。為了給靜電安全作業區的工作人員提供防電擊條件，根據人體受到電擊時，有能力脫離險境的極限電流（10～16 mA）的要求，取安全電流為5 mA進行計算：

由R=U/I可知，設U=220～380 V，I=5 mA，計算得知：R=4.4×104Ω～7.6×104Ω

則R值應取大于1.0×105Ω為佳

（4）防靜電系統的泄露條件分析與最大允許接地電阻的計算。電子行業中的靜電泄露系統一般由防靜電桌墊、地墊、接地、腕帶構成。該系統適用于采用靜電敏感器件產品的基本作業。當操作者臨時離開崗位之后返回時，若忘記帶上接地的防靜電腕帶，或外來人員在無防護條件下進入防靜電工作區域，當距離作業工位較近時，足以使器件處于人體防靜電威脅中。因此而引起的損傷時間僅為1 s。因此，在這種情況下除對臨時進入人員采取一定措施外，就防靜電系統本身而言，應考慮其達到最大通地電阻時，需要放電電壓達到低于100 V時的過渡時間應小于1 s。

如圖6所示，物體放電時，除需要通過接地電阻外，還有放電物體的電容量可影響放電時間，以人體電容為例，等效電容分布范圍很寬，可從100～4 000 pF，一般為200 pF（平均值）。物體放電初始電壓是不同的，國際電子工業一般規定為5 000 V。

圖6 靜電放電等效電路

根據以上分析，防靜電系統保證在1 s內將5 000 V靜電電壓能夠釋放到100 V安全電壓的最大容許接地電阻計算為：

其中：U=100 V(靜電系統安全電壓)；U0= 5 000 V(放電初始電壓）；t=1 s(放電電壓釋放到100 V以下所需時間）；C=200 pF=200×10-12F(人體對地或物體間電容的統計平均值）。將數據代入公式(1)計算得：

可見，只要系統電阻值小于1.28×109，就可保證在1 s內使放電電壓降到安全值，防止靜電危害。

4.2.2.3 作業人員要求

作業人員進入工作區域時，必須進行人體綜合電阻測試，在測試合格后方可進入工作區域。作業人員還必須穿戴防靜電工作服同時佩戴防靜電腕帶。腕帶的要求是放電的速度與人體上產生靜電電荷的速度要相同，使其不會產生靜電電壓。同時腕帶必須保證操作者即使在移動時身上的電勢也限定在100 V以下。

當腕帶的接地電阻不同時，在人體電容上產生的電壓是不同的(見表2)。

表2 腕帶不同電阻時人體產生的電壓

可見，當電阻超過1×108Ω時，將不能保證觸摸時產生的脈沖電壓達到100 V的安全值，從表中可以看出，腕帶的限流電阻在1 MΩ以下時，對電子器件特性無明顯影響。因此，腕帶到地的電阻值應當限制在1～100 MΩ。

具體計算如下：

由公式：R=τ/C

其中，τ為人體對地放電時間常數，要求5τ＜0.1 s；C為人體對地電容，通常取200 pF；

R為人體對地放電回路電阻。

解得：

為了保證腕帶在任何情況下都能在0.1 s內使人體電容上電壓降到100 V以下，同時為了保證作業員不遭電擊，腕帶電阻應選擇在105～108Ω間。若要得到最佳的靜電安全保護效果和最佳的人體保護作用，腕帶接地電阻取1×108Ω為佳。

4.2.2.4 離子風機、離子風槍的使用

任何對靜電敏感的材料放于工作臺之前，必須把離子風機先打開，且中途不可關閉。工作時產品必須放置于距離子風機5～40 cm的圓弧內（兩邊各近似45°），離子風機靜電電壓≤±100 V。

4.2.3 產品包裝、運輸、存貯、保管階段

靜電敏感電子器件在包裝、運輸、存貯、保管中應遵循以下原則：

（1）包裝時應采用防靜電包裝材料，包裝前必須將產品放在已經接地的工作臺或貨架上。

（2）運輸過程中，產品不得掉落地下，不得任意脫離包裝。

（3）在搬運時，產品的全部引出腳必須處于等電位的防靜電包裝袋中。防靜電包裝袋的表面電阻率應在1×1011Ω·m以下，并將產品放置在加蓋的防靜電盒中。對入庫的所有產品要檢查其包裝盒上和入庫單上是否有防靜電警告標志。

（4）貯存產品的庫房，其室內的相對濕度不能低于30%～40%RH。因為在這種環境下，非常容易積聚靜電。庫房的相對濕度應保持在60%RH左右為宜。

（5）產品在貯存過程中應保持原包裝，若需要更換包裝時，要使用具有防靜電性能的專用容器，不得任意使用普通塑料袋，普通塑料盒等容器，也不得隨意倒入抽屜、柜子中。

（6）靜電敏感產品的貯存庫，在存放產品容器的可視位置上，應貼有防靜電專用標簽。在庫房內，產品的品種規格不得混雜在一起。庫管人員需經過嚴格培訓，作業時應穿防靜電工作服或棉織物工作服。庫房內產品放置區域應具有靜電防護措施。

總之，在電子產品生產過程中對ESD的防護要形成一套完整的體系[3]，圖7為ESD體系標準拓撲關系。

圖7 ESD體系標準拓撲關系

5 結束語

靜電對電子器件的損害不容忽視，但是通過在產品設計、產品加工、產品包裝、運輸、貯存等各環節的預防，可以將靜電帶來的損害降到最低，從而保證產品的可靠性，提高產品的質量與使用壽命。

[1] 孔學東，恩云飛.電子元器件失效分析與典型案例[M].北京：國防工業出版社，2006.

[2] 龍瓊，周云靜，羅汝芬，等.靜電控制方案淺談[J].科技信息，2010，27(26)：138-139.

[3] 馬勝男，郭德華.國外靜電安全標準進展[J].標準科學，2012，49(07)：68-73.

Electrostatic Hazards and Protection of Electronic Devices

LI Bin

(Huatian Technology Co.,Ltd，Tianshui 741000,China)

This paper mainly introduced the produce process of static and Electrostatic hazards for electronic devices,By an effective method of product design,processing,transportation and storage link to prevent and eliminate static electricity,summarizes whole static electricity protection system in Electronic product manufacturing process,Which reduces the electrostatic damage,Ensure the reliability of the product,Improve the quality of the product and the service life.

static；Electronic devices；charge；ESD；reliability

TN607

B

1004-4507(2015)05-0050-06

李斌（1986-），男，甘肅省天水市秦州區人，畢業于天水師范學院物理系專業，現擔任天水華天科技股份有限公司可靠性與失效分析實驗室FA工程師，主要從事塑封IC電路失效分析工作。

2015-05-06