电子产品的静电放电保护技术与新装置的应用

    1 前言
    当今在电子产品设计与制造过程中,人们很关心的是如何迸行电子产品的静电放电保护。因为它是提高产品的耐受性并关系影响整个电子工业长期发展的重要问题，所以静电破坏与促使静电放电(ESD)保护己显得日益重要。这是因为随着近来零件小型化和半导体高集成化趋势,其静电放电而引起的电路或器件的静电破坏已成为一大隐患的技术问题。静电破坏隐患问题是如何产生的呐？

    众所周知，MOS结构的IC、FET及高频器件等产品对静电非常敏感，容易受到静电破坏。其MOS器件比双极器件更易遭受到ESD破坏，并且随着制造工艺尺寸的每一次缩短而更加脆弱。由于随着IC制造工艺从500nm左右演变到90nm和更小尺寸，集成器件的击穿电压已大大降低。这与工作电压的降低直接相关，在计算核心领域幅度最大，而且在I／O、存储器、模拟电路也是如此。这个趋势的一个受害者就是传统的保护器件，它们的阈值电压超过了当前器件的最高电压应力极限。IC内部的传导膜也会遭受ESD导致熔断引发的故障，从而导致断路。熔断行为遵循门特征。内部峰值电流高达30A时，即使ESD的短暂闪击也能毁坏钛钨或镍铬薄膜迹线。

    为此防范危险的最好保护方法首先应了解危险的性质，以及它对系统的损害方式。通过静电电位传感器“EP传感器”的测量与生产现场应采取怎样的除静电措施来实施电子产品的静电放电保护，这就是本文研讨的思路与重点。首先对半导体器件的静电破坏模式作阐述。

    2 半导体器件的静电破坏模式

    器件的静电破坏模式大致分为以下3种：人体带电模式(HBM)、机器模式(MM)、器件带电模式(CDM)。

    人体带电模式(HBM)，见图1(a)。人体带电模式为人体所带的电荷接触到器件端子时放电的模式。其发生原因是因未穿着防静电腕带与导电鞋与直接用手接触端子等造成。

    机器模式(MM)，见图1(b)。机器模式(MM)为金属装置所带的电荷接触到器件端子时放电的模式。其发生原因是因设备或机器人的带电、接地不充分与电络铁的电源泄漏等造成。

    器件带电模式(CDM)，见图1（c）。器件带电模式为器件的导体部(芯片、电线、引线框等)带静电、器件端子接触到设备或工具夹具时放电的模式。其发生原因是因IC的自动装配机的搬运部分发生摩擦带电等造成。

    3 什么是静电与其相关技术

    物质因摩擦等原因而导致正负电荷失衡、电子极性偏向一方的现象称为“带电”。在干燥的冬天，用手接触汽车车门时有时会听到噼啪的声响——这就是静电（其动电是一般的电）。

    静电是指物质中残留的电。因衣服和座位摩擦而附带接触金属部分后会放电，约3KV的高电压。

    3.1静电产生的原因是什么

    物质均由原子组成。原子由若干带负电的电子和带正电的原子核(质子和不带电的中子)组成。电子环绕于原子核周围。这些电子就是静电的原形。在通常状态下，质子带的正电荷电量与电子带的负电荷电量相同，所以原子整体上呈电中性。中性的原子会因摩擦、接触或剥离等原因而导致电子发生移动——如果带上多余电子便会带负电；反之。如果失去电子的话便会带正电。

    带电种类有以下几种类型：
    ⑴　接触带电. 2个物体相互接铀而带电分为：摩擦带电、剥离带电、滚动带电、喷射带电等4种。
    ⑵　感应带电.未发生接触便带电，因带有静电的物体接近或离开其他物体而带电。像这种没有相互接触却带上静电的现象称为“感应带电”。例如，只需将带电物体靠近IC，便会发生带电现象(静电感应)。因静电感应而导致发生故障的例子如图2所示。即使工件没有带电，如果带电物体接近导电体的话，导电体可能会因静电感应而导致内部出现极化，并产生放电现象。

    ⑶　除尘时的静电。除尘的陷阱之一，即使通过吹风将垃圾吹走后，带电状态仍会持续。除尘的陷阱之二，某些除静电方法无法彻底除去吸附的垃圾。.对于带静电的产品，可以用较强的离子风来同时进行除静电和除尘。

    4 生产现场采取的除静电措施与除静电器应用
    4.1除静电措施
    ⑴　静电吸附灰尘的原理
    带电物质相互接近后，会受到库仑力的作用。如同磁铁的S极和N极一样，同极性互相排斥，不同极性互相吸引。由于该库仑力的作用，会出现产品吸附灰尘的现象。

    带电量越大，距离越近，相互之间的吸引力就越强。对于工件为绝缘体时，由于工件本身带电量很大，因此会吸附带电的灰尘。另外，不带电的灰尘有时也会在内部出现极化，也会被吸附。对于工件为导体时，一旦灰尘带电的话，便会因静电感应而导致出现灰尘吸附现象。即使在接地后也不会发生改变，因此需要除去灰尘的静电。
    ⑵　生产现场采取的除静电措施
    对于机械或人体等导电体而言，接地、防静电腕带、导电鞋等非常有效。另外，可以使用导电垫子等来除去作业台的静电；对于接地无效的绝缘体而言，可以使用防静电喷剂、或通过湿度管理来防止带静电、或是利用离子来中和静电。

    4.2利用除静电器除去静电
    “除静电盒”是一种组合箱体。它装有高频AC方式除静电器和空气幕帘，可在保持作业现场洁净的同时，高效地实现除静电、除尘及集尘功能。

    如Creceed除静电盒产品具有3种功能：除静电、除尘与集尘。其构成由小型喷嘴式高频AC“除静电器”与BOX及集尘机构组成，如图3(a)所示。

    除静电盒是一种新型“除静电．除尘，集尘”箱，适用于除去液晶零件、树脂成型品以及电子零件等的静电，并能预防因附着灰尘而引起故障。小型箱体不仅可以节省作业空间，提高作业效率，而且还能提高产品品质和生产能力。

    因高压吹风而导致工件再次带静电或附着灰尘,可利用高频AC除静电器，有效除去静电，并能防止重新附着灰尘。由于采用了空气幕帘，吹风后的灰尘不会四处飞散。作业过程节省空间,设置面积为A4&A3，适合用于单元生产。作业效率(时间)提高，拆下侧面外罩后可在流水线上使用。

    除静电器是一种通过向对象物吹送正电荷及负电荷的离子风来中和对象物带电状态的装置，如图3（b）所示。
    除静电器有枪式产品、喷咀式产品与除静电盒等。

    4.3除静电器的方式

    ⑴　除静电器有软X线式、电晕放电式、放射线式与紫外线式等4种。而电晕放电式又分DC方式与AC方式2种。而DC方式含有脉冲DC式； AC方式又分为商用AC，高频AC及脉冲AC等3种。下边介绍电晕放电式和离子的产生。

    ⑵　电晕放电是指：2个导体之间产生局部高电压时，因空气绝缘遭到破坏而产生的伴有蓝紫色辉光的放电现象。电晕放电式除静电器会对放电针施加高电压，从而引起电晕放电。由于电晕放电的缘故，放电针附近的空气发生电离，产生带电离子。图4(a)所示为向放电针施加带正电的高电压后产生正离子过程。图4(b)所示为向放电针施加带负电的高电压后，产生负离子过程。

    ⑶　AC方式和DC方式的区别
根据电压施加方式的不同，电晕放电式除静电器可以分为“AC方式”和“DC方式”2大类。小金井的除静电器采用了AC方式。其AC方式由1根放电针交互产生正离子和负离子。电离平衡良好，与DC方式相比，离子的产生量较少。而DC方式由正离子专用放电针和负离子专用放电针分别产生带电离子的方式。近距离的电离平衡较差，与AC方式相比，离子的产生量较多。

    ⑷小金井公司采用高频方式利用软管／管道运送离子成为可能的原因
    商用频率的除静电器产生带电离子的频率很低，只有50／60Hx，因此短时间内的电离平衡较差，带电离子会在软管中消失，所以无法利用软管运送带电离子，见图5（a）。从图中可知，因软管内带电离子相互吸引力较强，容易被中和,无法运送带电离子。而小金井除静电器的频率高达68kHz，因此电离平衡良好、且带电离子在软管中难以被中和，所以使原本难以实现的“利用 软管运送离子”成为可能，如图5（b）所示。 由图可知,因软管内带电离子相互吸引力较弱，难以被中和,所以利用 软管运送离子”成为可能。

    5 新型静电电位传感器“EP传感器”的测量与应用

    EP传感器是适用于在线静电监视的传感器。无需在静电的测量和管理方面花费工时，即可适时监视肉眼无法看见的静电。可通过适时监视来针对那些便携式测量器具难以测量的地方进行静电管理。
静电电位传感器“EP传感器”主要利用了带电物体和检测电极之间的静电感应现象。带电物体的电场会致使检测电极表面产生感应电荷。该感应电荷会被换算成带电物体的电位并显示出来。其基本原理见图6。电荷Q(感应电荷)与电压V(带电电压)成比例。

    实际上，在检测电极的前面还内置有可高速开闭的音叉快门。可根据该音叉快门的开闭量来获得与带电量成比例的交流信号，然后利用该信号测量带电物体的电位, EP传感器用音叉快门方式迸行测量。

    5.1静电电位传感器“EP传感器”技术特征与应用

    EP传感器是适用于在线静电监视的传感器,可实现便携式测量器具无法实现的在线静电测量和适时监视。采用一体式结构，具备低成本化和节省总体空间的特点。值此以Creceed(克雷斯德) 静电电位传感器“EP传感器”为例说明其技术特征与应用。
    ⑴　可实现在线静电管理。无需在静电的测量和管理方面花费工时，即可适时监视肉眼无法看见的静电。可通过适时监视来针对那些便携式测量器具难以测量的地方进行静电管理。
    ⑵　简便功能。简单设计，采用了一体式设计，EP传感器具备判定输出和异常输出功能。此外，无需通过放大器等设备即可直接连接外部控制设备，因而可以节省总体空间。
    ⑶　电压数据具有“数字输出”和”“模拟输出”两种。可以选择与控制装置之间的连接方式。可以用做面向外部的判定输出，或是利用电脑进行历史记录管理等。
    ⑷　判定输出功能。一旦超过设定电压(临界值)，便会通过传感器LED和电压比较输出(判定输出)发出通知,如图7(a)所示。   
    ⑸　具有3种动作模式。平均化数据输出模式、实测数据输出模式、电离平衡监视器模式。
     ①平均化数据输出模式将测得的数据平均化之后向外部输出。数据输出周期可以选择：100ms、200ms、500ms、1s。
     ②实测数据输出模式.将测得的实测数据向外部输出，数据输出周期可以选择：100ms、200ms、500ms、1s。
     ③电离平衡监视器模式.测量除静电器的电离平衡。
    ⑹　具备校零开关功能。利用校零开关功能，可以将当前的测量值调整为0V。
    ⑺　EP传感器的设定方式可以选择“EP监视器”和“电脑软件”2种。EP传感器的设定可通过EP监视器或电脑软件来进行, 设定通过S232C进行,见图7(b)所示。

     ⑻　具备电离平衡测量功能,可以确认除静电器的性能。通过安装监视器面板可以简便地查看简易电离平衡。关于除静电器与监视器安装板之间的距离，可参照各除静电器厂商的建议设置最小距离。

    5.2 EP传感器技术指标与输出

    技术指标(以小金井公司产的DTY-EPS型为例)如下：电源电压为DC24V±10％；电源电流50mA以下；测量范围为5 mm—50mm；精度为±5％rdg ±2dig；判定输出的方式为NPN晶体管集电极开路,施加电压30VDC以下, 其SINK电流为20mA以下；传感器异常输出的方式为NPN晶体管集电极开路，施加电压30VDC以下, 其SINK电流为20mA以下；模拟输出其输出电压为1V—5V,而零点为3V；通信I／F符合RS232C；采样周期约10ms；数据输出周期为100ms，200ms，500ms，1s；输入输出响应时间(平均化数据输出模式时)为最大数据输出周期的2倍；温度特性为—O.5％FS／℃；运行温度范围为O—40℃；电缆线长度为3m；外壳材质为导电性ABS树脂；外形尺寸为61.2(W)mmx34.2(H)mm~15.0(D)mm。

    5.3 EP传感器应用
    使用实例：硅晶片等的电位测量,可通过支持软件来进行设定、显示和管理；除去包装用薄膜等的电位测量；树脂容器、零件等的电位测量;测量除静电前和除静电后的电位与安装监视器安装板来测量除静电器的电离平衡及玻璃电路板等的电位测量。

    5.4 EP传感器连接实例
    EP监视器连接(通过电脑来进行设定时)如图8所示。

图8所示

    从图8可知，通过电脑进行设定的EP监视器连接是由外部控制装置与电脑及其组件构成。而组件必需是EP传感器1台(如DTY-EPS型)与EP监视器1台(如DTY-EPU)及电源SW•通信电缆线.及EP传感器用通信电缆线。

    6 结束语
    除了以上所述利用电子产品的静电放电保护来保护系统以外，还有防止高压静态输入技术与芯片AAT4684的应用，详见附录。

附录
用AAT4684—3x2.75mml包装提供高达28V的过电压保护。其特征为：最高+28V的过电压保护；固定或可调节的过电压保护阈值；3V欠压锁定阈值，即快速过电压保护响应,过电压瞬变值1μs(最大)；低静态电流,即常用-30μA与关机(禁用)时电流最大为1μA；常用100mΩ(最大为130mΩ)RDS(ON)，电压为4.5V；最大连续电流为1.8A;TSOPJW—12封装。
   AAT4684指标：Vin为0.3V ～28V, RDS(ON)为100 mΩ，IQ 为30μA，TRESP OV为1μs。
该芯片优点为高压保护，灵活的过电压保护阈值设置，阻止非有用输入源，快捷且安全的过电压保护，延长电池寿命，低压差，广泛应用的高连续电流与小型解决方案。

 
附图