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电子产品生产和使用中的静电防护
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ESD Protect in Manufacturing and Operation of
Electronic Product
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■宋竞男
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前言
集成电路技术的迅速发展、生产规模的扩大和集成化程度的提高使静电放电（ESD）的危害严重影响到电子产品的质量和性能。在电子工业领域，由于ESD的影响，美国每年造成的损失约100亿美元，英国每年损失为35亿英镑，日本不合格的电子器件中有70%是由静电引起。在我国，因静电造成的损失也很严重。
静电击穿情况
电子产品因静电导致损坏，通常是其内部的集成电路被静电击穿。
随着集成度不断提高，集成电路的内绝缘层愈来愈薄，其互连线与间距愈来愈小，相互击穿电压愈来愈低。MOS电路是集成电路制造的主导技术。通常MOS电路栅级绝缘层二氧化硅膜的厚度为0.07-0.15
m，典型值是0.1 m。即使二氧化硅膜材料的击穿强度高达16Kv/m，但厚度只有0.1 m之薄，故可算出栅氧膜的理论击穿电压为U=16kV/m
0.1 10-6m=0.1kV，即100V 。如果再将工艺误差、材料不均匀性等考虑进去，其耐压值将在100伏以下（0.75mmCMOS电路工艺加工线宽0.5~0.03mm，其绝缘层典型耐击穿电压在80~100V之间），膜厚度更薄时耐压更低。VMOS器件的耐击穿电压只有30V。表1是一些器件的静电敏感电压值。
从表1可以看出，MOS电路对静电放电的损伤最敏感。而在微电子器件及电子产品的生产、运输和存储过程中，所产生的静电电压远远超过其阈值，人体或器具上所带静电如不加以适度防护，很容易超过表中所列的低端电压。MOS器件栅氧化截面宽度的减小还将导致承受功率的降低。而且由于尺寸减小，使相应的电容量减小，根据公式U=Q/C，在同样的静电荷水平情况下，如电容量C减小一倍，则静电电压U相应增大一倍。于是击穿的危险性更大，极易使器件和产品形成软或硬损伤，造成失效，甚至严重影响产品质量。据有关资料报导，由于静电放电导致MOS器件的输入回路烧毁或栅极穿通的约占总失效数的20%-50%。对于双列直插式封装的双极型电路，这一数值为10%-15%。
ESD产生情况
了解了集成电路的静电击穿情况，为了进行有效的防护，必须清楚什么情况下会产生静电，以及各种情况下静电电压有什么不同。
静电是一种客观自然现象，产生的方式很多，如接触、摩擦、冲流等等。两种不同材料摩擦后分开，会分别带有正、负电荷，处于带电（静电）状态，其带电量多少取决于材料性质、摩擦力大小以及摩擦的频率。图1是一些材料的摩擦带电排序情况。
处于排序表两端的材料相互摩擦会产生较强的静电。如人发与PVC摩擦时，人发带正电，PVC带负电，并且带电量会很大。
以实际生产环境为例，电子产品生产过程中的很多操作都可以产生静电，简要介绍如下。
1．工作服:作业人员穿用的普通工作服（化纤和纯棉制）与工作台面、工作椅摩擦时可产生0.2-10 C的电荷量，在服装表面能产生6kV以上的静电电压并使人体带电。当作业人员手持集成电路或工作服与工作台面放置的元器件接触时，即可导致放电。因元器件各引出线接触电位不同和芯片电介质极薄、绝缘强度很低等原因，很容易造成器件电介质的击穿。
2．工作鞋:一般工作鞋（橡胶或塑料鞋底）的绝缘电阻高达1013 以上，当与地面摩擦时产生静电荷使人体和所穿服装带静电。调查表明工作鞋与地面摩擦所产生静电导致器件失效的事例并不多。但因其较高的绝缘电阻，使人体所带静电不能很快泄漏，从而对元器件的生产带来不良影响。
3．树脂、浸漆封装表面:电子工业用许多元器件需要用高绝缘树脂，浸漆封装表面。这些器件放入包装后，因运输过程的摩擦，在其表面能产生几百伏以上的静电电压，造成器件芯片击穿。
4．各种包装和容器:用PE(聚乙烯)、PT(聚丙烯)、PS(聚苯乙烯)、PUR（聚氨酯）、ABS、聚酯树脂等高分子材料制备的包装和元件盒（箱）都可因摩擦、冲击产生静电和对所包装器件产生不良影响。
5．终端台、工作台:终端台、工作台表面受到摩擦产生静电，可对放置其上的电子器件放电。
6．各种绝缘地面:混凝土、打蜡抛光地板、橡胶板等都可因摩擦产生静电。另外因其较高绝缘电阻，作业人员带静电在上工作时，短时间内不会将静电荷泄漏。
7．温箱:温箱内热循环空气流动与箱体摩擦产生大量静电荷，对器件热烘处理非常不利。
8．二氧化碳低温箱:在使用二氧化碳的冷却箱内，二氧化碳蒸汽可以产生大量的静电荷。
9．空气压缩机:利用空气压缩机的喷雾、清洗、油漆、喷砂等设备都可因空气剧烈流动或介质与喷嘴摩擦产生大量静电荷。带电介质接触到电子器件时可造成损坏。
10．某些电子生产设备:焊烙铁、波峰焊机等某些元器件装配设备内设的高压变压器、交直流电路都可在设备上感应出静电电压。如不采取静电泄漏措施，可使元器件在装配过程中失效。
湿度与温度对ESD的影响
在实际生产过程中，除上述具体材料及装备会对电子生产产生静电威胁外，环境温湿度对静电的影响也非常明显。其中湿度影响更大。从静电防护角度出发，环境温度越低，湿度越大，对静电的防护就越有利。
湿度与温度对静电放电都有影响。在某一有限空间中，对于含有相同水分的空气来说，热空气更能吸收更多的湿气，这样它的相对湿度就更低。也就是说，在同一个大环境中，温度较高的区域会比温度低的区域相对湿度更小。例如，在冬天室外温度为0℃，且湿度大约为40%，房间内温度达到22℃时，室内的相对湿度可能只有10%左右。在这种情况下，如果室内没有安装可以补偿水分匮乏的加湿设施，ESD放电的可能性就会很大。
由于湿度增加则非导体材料的表面电导率增加，使物体积蓄的静电荷可以更快地泄漏。因此对有静电危险的场所，在工艺条件许可时，可以安装空调加湿、喷雾器等以提高空气的相对湿度，消除静电。一般情况，用增湿法消除静电的效果是很明显的。但需要指出的是，对于表面容易形成水膜，及容易被水湿润的材料如PVC材料、三聚氰胺、水泥制品等，增湿是有效的。而对于表面不能形成水膜的材料如聚四氟乙烯类包装及容器类材料等，增湿对消除静电的效果不很显著。对于孤立（无静电泄漏途径）的带电绝缘体，增湿也是无效的。笔者在试验室环境下对不同材料进行了电极正常测试及加垫湿滤纸测试的对比实验。同样测试电压，同类被测材料，电极与被测材料间垫有湿滤纸的测试数据一般会比不加湿滤纸时降低1~2个数量级。但对于高分子材料制备的柔性包装及容器，测试数据差别不大。表2为具体实验数据。
因此，适度将环境湿度控制在较大的水平上，可以有效控制静电的发生。当然，对于某些工艺和测量环境，例如电子器件的装配间、精密仪器测量间等，出于控制产品极间短路、漏电等情况的发生和保证测试结果准确性的需要，其湿度不允许过大，通常要求将环境湿度控制在45%~75%之间。除了这些环境外，为防止静电的发生，建议应尽量创造较高的环境湿度。
在具体的生产中，环境千差万别，产生静电的情况也各有不同，需要具体对待。大多数情况下，笔者建议，在尽可能提高环境湿度的基础上，根据产品自身的防静电要求，配备必要的静电防护设施（如防静电地面、桌椅、工作台、周转容器等）和静电防护用品，（如防静电工作服、鞋帽等）就可以有效减少静电损失，提高经济效益。
结束语
近30年来，随着电子技术的飞速发展，特别是以构件物理尺寸日趋缩小和集成密度日趋增大为特征的集成电路、微组装技术的发展，以及许多新的高分子材料的广泛使用，静电防护问题为更多的行业所关注，而ESD的防护领域也日渐广泛。随着现代科技的进步，目前IC技术发展的趋势按每代芯片面积增大1.5倍，单元面积缩小1/3的规律，已生产出千兆位的DRAM。其特征尺寸为0.15-0.1
m。如此集成度高、尺寸精小细微的产品对静电更加敏感，其耐压仅为10~20V。这对静电防护工作提出了新的课题，迫使人们更为深入地去分析电子工业生产中静电的产生因素及危害形式，并采取系统、全面、全过程的防护措施。人们对静电防护的认识也必将随着现代科学技术的不断进步而日益深化。
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