生活,生产中静电可谓无处不在,无时不在,从举手投足间服装的磨擦,到干燥空气的流动,都是静电产生的青萍之末.如果条件适宜,发端乎几伏,登峰造极于几百上千伏,瞬间亦可实现.这些都对CMOS等静电敏感电路造成极大威胁,更不待说设备漏电造成的危害了,故电子行业无不将静电当成大敌,尽一切努力将之柜之门外.
静电是相对于“动电”,即导体中的流动电荷而言,是一般情况下不流动的电荷.多由绝缘体物体间互相磨擦或干燥空气与绝缘物磨擦产生.当它能量积累到一定程度,防碍它中和的绝缘体再也阻挡不住时,即发生剧烈放电,即静电放电(ESD),这时的最高电压可达几千乃至几万伏.势必对静电敏感组件造成损害(见表1﹑表2)
表1 生产现场易产生的静电电压.
生产场合
静电电压
湿度10~20%
湿度65~90%
在地毯上走动时
35000V
1500V
在乙烯树脂地板上走动时
12000V
250V
手拿乙烯塑料袋装入器件时
7000V
600V
在流水线工位接触聚酯塑袋时
20000V
1200V
在操作工位与聚胺酯类接触时
18000V
1500V
表2 静电对部分电子器件的击穿电压.
器件类型
EOS/ESD的最小敏感度
(以静电电压V表示)
VMOS
MOSFET
砷化镓FET
EPROM
JFET
SAW(声表面波滤波器)
运算放大器
CMOS
肖特基二极管
SMD薄膜电阻器
双极型晶体管
射极耦合逻辑电路
可控硅
肖特基TTL
30~1800
100~200
100~300
100以上
140~7000
150~500
190~2500
250~3000
300~2500
300~3000
380~7800
500~1500
680~1000
100~2500
雷电是气流与云层中水滴磨擦产生的高压静电放电而形成,高压带电云层经过建筑物附近时,可由避雷针的"尖端放电"效应中和掉一部分电荷;当云层中电荷量太大,或云层移动太快而来不及全部中和时,将通过避雷针剧烈放电形成雷击.这两种情况下,尤其是雷击时,整个建筑物及附近地面都是带电的,雷击的危害主要是直击雷和雷电感应.由于人在建筑物中处于"等电位"状态,象鸟儿落在高压线上一样,所以一般不会受到雷击.但雷电感应(超高压静电感应和强电磁感应)会对静电敏感器件造成损害.
设备漏电,尤其是不会对人造成触电伤害的徽小漏电并不属于静电.虽然大多数情况下人们几乎感觉不到,但由于其普遍性(任何电器设备多少总有些漏电)和高内阻的特点,产生最高近似于电源电压(100~400V),时间很短的尖峰电脉冲,仍足以对静电敏感器件造成电气过载(EOS)损害.所以也是静电防护体系中极为重要的一个方面.
静电放电(ESD)及电气过载(EOS)对电子元器件造成损害的主要机理有:热二次击穿;金属镀层熔融;介质击穿;气弧放电;表面击穿;体击穿等等。见附表3
元器件类别
元器件组成部分
失效机理
失效标志
MOS结构
MOSFET(分立)
MOS集成
数字集成
线性集成
混合电路
电压引起的介质击穿和接着发生的大电流现象
短路漏电大
半导体结
二极管(PN.PIN肖特基)
双极晶体管
结型场效应管
可控硅
双极型集成电路,MOSFET和MOS集成电路
电过剩能量和过热引起的微等离子体二次击穿和微扩散
由Si和AL的扩散引起电流束增大(电热迁移)
失效
薄膜电阻器
混合集成电路(厚膜、薄膜)电阻单片集成电路薄膜电阻器
密封薄膜电阻器
介质击穿,与电压有关的电流通路与焦尔热量有关的微电流通路的破坏
电阻漂移
金属化条
混合IC
单片IC
梳状覆盖式晶体管
与焦尔热能量有关的金属烧毁
开路
场效应结构和非导电性盖板
存贮器
EPROM等
由于ESD使正离子与表面积垒.引起表面反型或栅阀值电压漂移
性能退化、失效
压晶体管
晶振声表面波
电压过高产生的机械力使晶体破裂
性能退化、失效
电极阀的间距较小部位
声表面波器件
IC内各种微电路
电孤放电使电极材料熔融
性能退化、失效
防静电应以防止和抑制静电荷的产生,积聚,并迅速安全﹑有效地消除已产生的静电荷为基本原则.但防静电诸多措施实为一套系统工程,一个环节的疏漏可能就有千里之堤溃于蚁穴之臾,不可不慎.
1. 防静电地线的埋设:
(1).厂房建筑物的避雷针一般与建筑物钢筋混凝土焊接在一起妥善接地,当雷击发生时,接地点乃至整个大楼的地面都将成为高压大电流的泄放点,一般认为在泄放接地点20M范围内都会有"跨步电压"产生,即在此范围内不再是理想零电位.另外,三相供电的零线由于不可能绝对平衡而也会有不平衡电流产生并流入零线的接地点,故防静电地线的埋设点应距建筑物和设备地20米以外.(见图一)
(2).埋设方法:为保证接地的可靠,致少应有三点以上接地,即每隔5m挖深1.5m以上坑,将2m以上铁管或角铁打入坑内(即角铁插入地下2m以上),再用3mm厚铜排将这三处焊接在一起,用16ｍ㎡绝缘铜芯线焊上引入室内为干线.
(3).坑内施以适量木炭粉和工业盐,以增加土壤导电性,填埋后用接地电阻测试仪测量,接地电阻应<4Ω.(见图2)且每年至少测试一次。
2. 防静电地线的铺设和测试:
(1).防静电地线全部使用6ｍ㎡多股铜芯绝缘线,每楼层或适当区段用铜排或40A以上开关,闸刀与主干线相连,以利检查维修.
(2).防静电地线缆应与设备外壳,工作台铁架,工作灯架等良好绝缘,防止短路,搭连或破皮连接.
(3).于分段铜排或开关的"干线端",另铺一条检查线.(1.5~2ｍ㎡即可),每车间设2~3检查点,固定好,标识清楚.
(4).测量:使用指针式万用表,电阻档.
a).各防静电测试点与防静电地线间电阻5~15Ω,理想应为0Ω.但实际测得为2ｍ㎡导线从测试点到总结点电阻+6ｍ㎡,导线从总结点到被测点电阻之和,这一值约5-15Ω且基本不变,如测量结果趋于无穷大,是为防静电地线或测量线有一条断线,应及时修好.
b).防静电地与设备地间电阻,这一阻值为防静电地线本身线阻+设备地线本身线阻+两地线间地电阻组成.但两接地线间由于地面干湿程度,地电流影响等十分复杂,尤其地电流,每时每刻大小方向频率等都在变,且主要决定测量结果,故只能用指针表测量,且其值从十几欧到几百K都算正常,仅说明两地间未短路也未开路即可.
3.防静电地板(见图4):
最规范的防静电地板是类似防静电橡胶的复合结构,下层为导电层与防静电地连在一起,上层为绝缘防静电产生层,不会因行走的磨擦产生静电.铺设时导电层应用绝缘垫与建筑物地面和墙壁隔开,防止雷击时地板带静电,并将导电层通过1MΩ20W电阻与防静电地接好.起到静电屏蔽和电磁屏蔽作用.这种地板造价太高,但可以有效防止雷电的各种危害和静电产生.
一般电子厂多用简易防静电地板(仅有绝缘防静电产生层多为涂料或地板胶),直接铺在建筑物地面上,大大降低造价,且也可起到防行走产生的静电作用.但对雷击产生的超高压静电感应和强电磁感应防护作用较差.
4.防静电工作台面:如图4
防静电橡胶绿色面为防静电产生层,电阻较大,表面电阻108~1010Ω.
防静电橡胶的黑色面电阻较小,表面电阻104~106,与绿色面良好连接,可保妥善接地.起静电屏蔽和泄放作用. 可通过扣式连接,由专用静电手环导线(内含1M电阻)接地.或在绝缘台面上放0.2mm厚铁板或铜箔,焊好导线通过1MΩ电阻连接到静电地线,然后铺平防静电橡胶(黑面向下,贴紧导电片).该1MΩ电阻同样起提供静电泄放通路,防止过速放电打火和隔离的作用.
甚至坐椅(凳)也应引起重视,多数生产线上使用普通塑料凳,极易与衣物摩擦产生静电,有条件应采用防静电椅,并通过1MΩ电阻接静电地,至少要将塑料凳用防静电布料套上.
5.电烙铁,小锡炉,测试仪器等用电设备的接地与测试:
电烙铁,小锡炉测试仪器等必须用三端插头妥善接设备地,做到并不难,但由于经常发生如:插座接地端松脱,断线,烙铁头因氧化而与外壳(接设备地)断开等现象,故应每班次检测,可用自制简易通断指示灯测试,发现问题立即更换.