时间: 2025-03-21 19:49:14 | 作者: 新闻中心
电子技术的进步可以说是集成化的提高和新的半导体材料的使用，集成化的提高意味着器件耐受静电击穿的能力的降低。当今集成电路的最小线MV/CM计算的理论耐击穿能力只有45V，可能只是我们弯腰捡起一片纸张时产生的静电压的1/20，而另一些领域，如硬盘行业中的生产对静电控制的要求已经降到5V以下，这些必定对于静电防护提出了新的挑战。
电子产品制作的完整过程，从半导体材料到最终的组装要经过半导体制造、晶片、装片、固定、键合、封装、电路板制作、贴装焊接、插接、装配、测试等多个环节经历各环节不同厂家数百个工序，任何一个环节上的静电都可能对器件造成损伤。一旦哪一个环节的静电保护不够就意味最终产品出现问题。而全过程系统化地控制静电也是电子行业静电防护的一个重要特点。
尽管人类发现静电已经有数千年的历史，但对于电子行业来讲，静电防护远非想象的那么简单。这是因为：
电子产品的制造从元器件生产到组装，再到使用维修的过程中会使用半导体、金属、各种封装材料、线路板基材、机壳、机座等多种原料，而生产设备、操作工具、操作环境、包装容器等又会使得有可能与电子器件相接触的物品和材料更加繁多。材料之间的东莞空调维修接触分离、摩擦、感应等都会产生静电，而且这些物品当中有又相当多使用的是静电易产生不易消除的高分子在允许电压下不导电的材料，这些都无疑会增加电子无尘服产品静电损伤的风险和静电防护的难度。
体积：MLV的性能完全由其内部材质决定，因此很难在减小尺寸的同时保持或提高性能，封装尺寸从0402到1206。而TVS采用硅芯片技术，能够获得比MLV更小的元件封装尺寸（如图7所示）。
图7 TVS元件与02封装可变电阻尺寸比较，蓝色为建议焊接面积（资料来源：安森美半导体）
MLV是一种基于ZnO压敏陶瓷材料，采取了特殊的制造和处理工艺而制得的高性能电路保护元件，其伏安特性符合I=kVa，能够为受保护电路提供双向瞬态过压保护。MLV的工作原理是利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，以此来实现对后级电路的保护。目前，MLV在很多领域得到了广泛的应用，如手机、机顶盒、复印机等等。
静电和静电放电在我们的日常生活中无处不见，但对电子器件来说，一次我们没办法察觉的轻微静电放电就可能对其导致非常严重的损伤。电子技术的迅猛发展，已经让电子科技类产品的功能越来越强大，体积却越来越小，但这都是以电子元器件的静电敏感度慢慢的升高为代价的。这是因为，高的集成度意味着单元线路会慢慢的窄，耐受静电放电的能力越来越差，此外大量新发展起来的特种器件所使用的材料也都是静电敏感材料，从而让电子元器件，特别是半导体材料器件对于生产、组装和维修等过程环境的静电控制要求越来越高。
另一方面，湿度亦是一个重要的考量因素。适宜的湿度可降低ESD发生的机率。（见表2）这也是电子制造厂为何多在南方建厂的原因之一。
虽然上述避免ESD发生的方法有着很理想的效果，不过对于终端用户显然不太适合——举例来说，我们不可能在使用电子设备之前先戴上静电手环，通话结束后将手机放到静电袋中以避免ESD。事实上，由于用户鲜有机会接触到产品内部的元器件及电路板，因此也不需要如此严格的ESD保护措施，但这并不代表ESD的问题不存在——首先，ESD可以输入/输出连接器（如USB接口、充电器接口、SIM卡插槽等）为路径进入电路中的各种元件；其次，随着电子科技类产品，特别是消费电子科技类产品向着轻薄化发展，导致内部IC的外观尺寸不断减小，其自身ESD防护能力亦不断减弱。所以，工程师在设计时通常加入ESD保护器件，而很多IC内部也有片上ESD保护电路。
ESD是英文electronstatic discharge的缩写，原意是静电放电，通常也指对静电放电的防护（也就是我们平时所说的静电防护或防静电）；
ANSI/ESD S20.20是美国静电放电协会电子科技类产品生产的全部过程中静电防护的标准，是目前国际上电子行业静电防护的最权威的标准，也是唯一可以认证的静电防护标准。企业通过ANSI/ESD S20.20认证，说明静电在该企业在生产当中得到了严格的控制，来保证了产品的品质，保证了产品的可靠性。
相信所有人都希望ESD防护能完全地集成到IC芯片内部，因为这样会节省的板级空间，减少系统成本并降低设计与布线的复杂度。但从目前情况去看，前景并不乐观。如今，IC制程工艺的进步成了片上ESD保护的一大难题。一方面，工艺的进步虽提升IC的性能与集成度并降低功耗与尺寸，但由于栅极氧化层厚度越来越薄，IC自身的ESD防护能力反而降低。另一方面，随着IC尺寸的不断减小，由于受到空间的限制，因此保护能力有限。
图4随着IC面积的不断减小，很难在IC中集成ESD保护电路（资料来源：安森美半导体）
由于片上ESD保护电路能力有限，为保证总系统有较好的ESD防护能力，外部ESD保护器件是必不可少的。很常见的有陶瓷电容、齐纳二极管、肖特基二极管、MLV(Multi-Layer Varistor，多层变阻器)和TVS（Transient Voltage Suppresser瞬态电压抑制器）。
ESD是一个“看似很小的大问题”，一个产品ESD防护的好坏直接影响到该产品的良品率及寿命。科研人员对ESD防护的研究从未停止过，相信在不久的未来，会有更好的材料、更新的技术来让我们应对ESD所带来的困扰。
在电子产品制造中，静电放电往往会损伤器件，甚至使器件失效，导致非常严重损失，因此SMT生产中的静电防护很重要。本刊分别邀请北京。上海的两位专家撰文介绍与分析电子科技类产品制造中的静电产生源及静电防护原理，较详细地介绍了SMT生产中的一些静电防护技术基础与相应措施。供各位参考。1．静电和静电的危害静电是一种电能，它存留于物体表面，是正负电荷在局部范围内失去平衡的结果，是通过电子或离子的转换而形成的。静电现象是电荷在产生和消失过程中产生的电现象的总称。如摩擦起电。人体起电等现象。随着科学技术发展，静电现象已在静电喷涂。静电纺织。静电分癣静电成像等领域得到普遍的有效应用。但在另一方面，静电的产生在许多领域会带来重大危害和损失。例如在第一个阿波罗载人宇宙飞船中，由于静电放电导致爆炸，使三名宇航员丧生；在火药制作的完整过程中由于静电放电(ESD),造成爆炸伤亡的事故时有发生。在电子工业中，随着集成度慢慢的升高，集成电路的内绝缘层越来越薄，互连导线宽度与间距越来越小，例如CMOS器件绝缘层的典型厚度约为0．1μm,其相应耐击穿电压在80-100V；VMOS器件的绝缘层更薄，击穿电压在30V。而在电子科技类产品制造中以及运输。存储等过程中所产生的静电电压远超于MOS器件的击穿电压，往往会使器件产生硬击穿或软击穿(器件局部损伤)现象，使其失效或严重影响产品的可靠性。为了控制和消除ESD,美国。西欧和日本等发达国家均制定了国家。军用和企业标准或规定。从静电敏感元器件的设计。制造。购买。入库。检验。仓储。装配。调试。半成品与成品的包装。运输等均有相应规定，对静电防护器材的制造使用和管理也有较严格的规章制度要求。我国也参照国际标准制定了军用和企业标准。例如有航天部。机电部。石油部等标准。2．静电敏感器件(SSD)对静电反应敏感的器件称为静电敏感元器件(SSD)。静电敏感器件主要是指超大规模集成电路，特别是金属化膜半导体(MOS电路)。表1为静电敏感器件的分级表。可根据SSD分级表，针对不同的SSD器件，采取不同的静电保护措施。3．电子科技类产品制造中的静电源(1)人体的活动，人与衣服。鞋。袜等物体之间的摩擦。接触和分离等产生的静电是电子产品制造中主要静电源之一。人体静电是导致器件产生硬(软)击穿的根本原因。人体活动产生的静电电压约0．5-2KV。另外空气中水分含量对静电电压影响很大，若在干燥环境中还要上升1个数量级。表2为相对湿度对与人体活动带电的关系。人体带电后触摸到地线，会产生放电现象，人体就会产生不同程度的电击感反应，其反应的程度称为电击感度。表3为不同静电压放电过程中人体的电击感度。(2)化纤或棉制工作服与工作台面。坐椅摩擦时，可在服装表面产生6000V以上的静电电压，并使人体带电，此时与器件接触时，会导致放电，容易损坏器件。(3)橡胶或塑料鞋底的绝缘电阻高达1013Ω，当与地面摩擦时产生静电，并使人体带电。(4)树脂。漆膜。塑料膜封装的器件放人包装中运输时，器件表面与包装材料摩擦能产生几百伏的静电电压，对敏感器件放电。(5)用PP(聚丙烯).PE(聚乙烯).PS(聚内乙烯).PVR(聚胺脂).PVC和聚脂。树脂等高分子材料制作的各种包装。料盒。周转箱。PCB架等都可能因摩擦。冲击产生1-3．5KV静电电压，对敏感藉件放电。(6)普通工作台面，受到摩擦产生静电。(7)混凝土。打腊抛光地板。橡胶板等绝缘地面的绝缘电阻高，人体上的静电荷不易泄漏。(8)电子生产设备和工具方面：例如电烙铁。波峰焊机。再流焊炉。贴装机。调试和检测等设备内的高压变压器。交／盲流电路都会在设备卜感应出静电。若设备静电泄放措施不好，都会引起敏感器件在制作的完整过程中失效。烘箱内热空气循环流动与箱体摩擦。CO2低温箱冷却箱内的CO2蒸汽均会可产生大量的静电荷。4．静电防护原理电子科技类产品制造中，不产生静电是不可能的。产生静电不是危害所在，其危害所在于静电积聚以及由此产生的静电放电。静电防护的核心是“静心消除”。静电防护原理：(1)对可能会产生静电的地方要防止静电积聚。采取一定的措施在安全范围内。(2)对已经存在的静电积聚迅速消除掉，即时释放。5．静电防护方法(1)使用防静电材料：金属是导体，因导体的漏放电流大，会损坏器件。另外由于绝缘材料易产生摩擦起电，因此不能采用金属和在允许电压下不导电的材料作防静电材料。而是采用表面电阻l×105Ω？cm以下的所谓静电导体，以及表面电阻1×105-1×108Ω？cm的静电亚导体作为防静电材料。例如常用的静电防护材料是在橡胶中混入导电碳黑来实现的，将表面电阻控制在1×106Ω？cm以下。(2)泄漏与接地：对可能会产生或已经产生静电的部位进行接地，提供静电释放通道。采用埋大地线的方法建立“独立”地线)静电防护材料接地方法：将静电防护材料(如于作台面垫。地垫。防静电腕带等)通过1MΩ的电阻接到通向独立大地线的导体上(参见SJ／T10630- 1995)。串接1MΩ电阻是为了确认和保证对地泄放＜5mA的电流，称为软接地。设备外壳和静电屏蔽罩通常是直接接地，称为硬接地。(3)导体带静电的消除：导体上的静电可以用接地的方法使静电泄漏到大地。放电体卜的电压与释放时间可用下式表示：UT=U0L1/RC式中UT-T时刻的电压(V) U0一起始电压(V) R-等效电阻(Ω) C-导体等效电容(pf)一般要求在1秒内将静电泄漏。即1秒内将电压降至1OOV以下的安全区。这样做才能够防止泄漏速度过快。泄漏电流过大对SSD造成损失破坏。若U0=500V,C =200pf,想在1秒内使UT达到100V,则要求R=1．28×109Ω。因此静电防护系统中通常用1MΩ的限流电阻，将泄放电流限制在5mA以下。这是为操作安全设计的。如果操作人员在静电防护系统中，不小心触及到220V工业电压，也不会带来危险。(4)非导体带静电的消除：对于绝缘体上的静电，由于电荷不能在绝缘体上流动，因此不能用接地的方法消除静电。可采用以下措施：(a)使用离子风机？离子风机产生正。负离子，可以中和静电源的静电。可设置在空间和贴装机贴片头附近。(b)使用静电消除剂？静电消除剂属于表面活性剂。可用静电消除剂檫洗仪器和物体表面，能迅速消除物体表面的静电。(c)控制环境湿度？增加湿度可提高非导体材料的表面电导率，使物体表面不易积聚静电。例如北方干燥环境可采取加湿通风的措施。(d)采用静电屏蔽？对易产生静电的设备可采用屏蔽罩(笼),并将屏蔽罩(笼)有效接地。(5)工艺控制法：为了在电子科技类产品制造中尽量少的产生静电，控制静电荷积聚，对已经存在的静电积聚迅速消除掉，即时释放，应从厂房设计。设施安装。操作。管理制度等方面采取比较有效措施。6．静电防护器材(1)人体防静电系统包括防静电腕带。工作服。帽。手套。鞋。袜等(2)防静电地面包括防静电水磨石地面。防静电橡胶地面。PVC防静电塑料地板。防静电地毯。防静电活动地板等。(3)防静电操作系列：包括防静电：I:作台垫。防静电包装袋。防静电物流小车。防静电烙铁及工具等。7．静电测量仪器．(1)静电场测试仪：用于测量台面。地面等表面电阻值。平面结构场合和非平面场合要选不一样规格的测量仪。(2)腕带测试仪：测量腕带是否有效。(3)人体静电测试仪：用于测量人体携带的静电量，人体双脚之间的阻抗，测量人体之间的静电差，腕带。接地插头。工作服等是否阻护有效。还可当作入门放电，把人体静电隔在车间之外。(4)兆欧表：用于测量所有导电型。抗静电型及静电泄放型表面的阻抗或
电子产品轻薄化的发展的新趋势使其对ESD防护要求慢慢的升高，MLV渐渐有些力不从心，TVS二极管则开始崭露头角。TVS通常并联于被保护电路，当瞬态电压超过电路的正常工作电压时，二极管发生雪崩，为瞬态电流提供通路，使内部电路免遭超额电压的击穿或超额电流的过热烧毁。当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管自动回复高阻状态，整个回路进入正常电压。由于TVS二极管的结面积较大，使得它具有泄放瞬态大电流的优点，具有理想的保护作用。改进后的TVS二极管还具有适应低压电路（＜5 V）的特点，且封装集成度高，适用于在印制电路板面积紧张的情况下使用。
一般，ESD保护一般是通过两种途径来实现，第一种方法是避免ESD的发生；第二种方法则是通过片内或片外集成内部保护电路或专用ESD保护器件，从而避免ESD发生后将被保护器件损坏。
避免ESD发生的方法多出现于产品交付客户以前，即研发、生产等过程。因为在这些阶段，IC、电路板等静电敏感器件可能在外（如生产工过程中的SMT制程），IC因ESD而损坏的可能远大于有外壳保护的成品。
尽管现代电子科技类产品生产自动化程度慢慢的升高，但在整个制作的完整过程离开人员操作是不可能的。相比机器设备人的活动要复杂的多，人对器件的操作要复杂的多，因而人体静电的防护要比设备和环境要复杂的多。同时，人作为生产的主宰，人员防静电的意识和静电防护的操作水平会最终决定静电防护是否有效。这一些都会增加静电防护的难度。
实际上电子行业对静电的关注由来已久，从电子科技类产品特别是晶体管一出现，这一问题已开始为各企业及各国所认识和重视。对于静电及静电防护的研究也逐步演变为一个新的边缘学科，形成了现代静电工程学和静电防护工程学，包含在其中的静电起电原理、静电放电模型、静电作用机理、静电危害及其防护以及与其相关的静电测试技术都得到了快速的发展。
而潜在性损伤指的是器件部分被损，功能尚未丧失，且在生产的全部过程的检测中不能发现，但在使用当中会使产品变得不稳定，时好时坏，因而对产品质量构成更大的危害。这两种损伤中，潜在性失效占据了90%，突发性失效只占10%。也就是说90%的静电损伤是没办法检测到，只有到了用户手里使用时才会发现。无尘布手机出现的经常死机、自动关机占、话音质量差、杂音大、信号时好时差、按键出错等问题有绝大多数与静电损伤相关。也因为这一点，静电放电被认为是电子科技类产品质量最大的潜在杀手，静电防护也成为电子科技类产品质量控制的一项重要内容。而国内外品牌手机使用时稳定性的差异也基本上反映了他们在静电防护及产品的防静电设计上的差异。
Surround（包围）：静电敏感元器件都以抗静电材料包装，或使用有盖的抗静电容器储放；而在静电敏感区域（如SMT制程）工作的人员，则还要穿着静电服。
Impound（排除）：排除所有工作区域内的非抗静电材质；此外，可在对静电极为敏感工作站位增加离子风扇以中和产品表面所带静电。
但另外一方面，在电子科技类产品生产、使用和维修等环境中，又会大量使用易产生静电的各种高分子材料，这无疑给电子科技类产品的静电防护带来了更多的难题和挑战。
静电放电对电子科技类产品造成的破坏和损伤有突发性损伤和潜在性损伤两种。所谓突发性损伤，指的是器件被严重破损毁坏，功能丧失。这种损伤通常能够在生产的全部过程中的质量检验中能发现，因此给工厂带来的主要是返工维修的成本。
性能：TVS有更低的箝制电压、更低的漏电以及更快的响应速度（如图8所示）
寿命：由于工作原理不同，TVS与MLV的寿命也不完全一样。安森美半导体亚太区市场营销副总裁麦满权做了一个形象的比喻：“TVS的原理就好像太极，把接收到的能量快速的转移到接地端，所以它的寿命几乎就是无限的。而可变电阻就好像一个人在不停的挨打，它把能量都由自己来承受吸收，因此，寿命是有限的，而且随使用时间的增加，性能会慢慢下降。”
日常生活中，ESD (Electro-Static Discharge，静电放电)对我们来说是一种常见的现象，然而对电子科技类产品而言，ESD往往是致命的——它可能会引起元器件内部线路受损，直接影响产品的正常常规使用的寿命，甚至造成产品的损坏。因此，ESD防护一直以来都是工程师们的工作重点。对于刚开始职业生涯的电子工程师而言，在掌握专业技能之前通常都要接受一些ESD相关知识的培训，足见ESD防护的地位与重要性。