- 半導體器件的靜電破壞模式
- 除靜電措施與除靜電器應用
- 靜電的測量和管理
- 利用除靜電器除去靜電
- 使用導電墊子等來除去作業(yè)臺的靜電
當今在電子產品設計與制造過程中,人們很關心的是如何迸行電子產品的靜電放電保護。因為它是提高產品的耐受性并關系影響整個電子工業(yè)長期發(fā)展的重要問題，所以靜電破壞與促使靜電放電(ESD)保護己顯得日益重要。這是因為隨著近來零件小型化和半導體高集成化趨勢,其靜電放電而引起的電路或器件的靜電破壞已成為一大隱患的技術問題。靜電破壞隱患問題是如何產生的吶？
眾所周知，MOS結構的IC、FET及高頻器件等產品對靜電非常敏感，容易受到靜電破壞。其MOS器件比雙極器件更易遭受到ESD破壞，并且隨著制造工藝尺寸的每一次縮短而更加脆弱。由于隨著IC制造工藝從500nm左右演變到90nm和更小尺寸，集成器件的擊穿電壓已大大降低。這與工作電壓的降低直接相關，在計算核心領域幅度最大，而且在I／O、存儲器、模擬電路也是如此。這個趨勢的一個受害者就是傳統(tǒng)的保護器件，它們的閾值電壓超過了當前器件的最高電壓應力極限。IC內部的傳導膜也會遭受ESD導致熔斷引發(fā)的故障，從而導致斷路。熔斷行為遵循門特征。內部峰值電流高達30A時，即使ESD的短暫閃擊也能毀壞鈦鎢或鎳鉻薄膜跡線。
為此防范危險的最好保護方法首先應了解危險的性質，以及它對系統(tǒng)的損害方式。通過靜電電位傳感器“EP傳感器”的測量與生產現場應采取怎樣的除靜電措施來實施電子產品的靜電放電保護，這就是本文研討的思路與重點。首先對半導體器件的靜電破壞模式作闡述。
半導體器件的靜電破壞模式
器件的靜電破壞模式大致分為以下3種：人體帶電模式(HBM)、機器模式(MM)、器件帶電模式(CDM)。
人體帶電模式(HBM)，見圖1(a)。人體帶電模式為人體所帶的電荷接觸到器件端子時放電的模式。其發(fā)生原因是因未穿著防靜電腕帶與導電鞋與直接用手接觸端子等造成。
機器模式(MM)，見圖1(b)。機器模式(MM)為金屬裝置所帶的電荷接觸到器件端子時放電的模式。其發(fā)生原因是因設備或機器人的帶電、接地不充分與電絡鐵的電源泄漏等造成。
器件帶電模式(CDM)，見圖1（c）。器件帶電模式為器件的導體部(芯片、電線、引線框等)帶靜電、器件端子接觸到設備或工具夾具時放電的模式。其發(fā)生原因是因IC的自動裝配機的搬運部分發(fā)生摩擦帶電等造成。
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什么是靜電與其相關技術
物質因摩擦等原因而導致正負電荷失衡、電子極性偏向一方的現象稱為“帶電”。在干燥的冬天，用手接觸汽車車門時有時會聽到噼啪的聲響——這就是靜電（其動電是一般的電）。
靜電是指物質中殘留的電。因衣服和座位摩擦而附帶接觸金屬部分后會放電，約3KV的高電壓。
1靜電產生的原因是什么
物質均由原子組成。原子由若干帶負電的電子和帶正電的原子核(質子和不帶電的中子)組成。電子環(huán)繞于原子核周圍。這些電子就是靜電的原形。在通常狀態(tài)下，質子帶的正電荷電量與電子帶的負電荷電量相同，所以原子整體上呈電中性。中性的原子會因摩擦、接觸或剝離等原因而導致電子發(fā)生移動——如果帶上多余電子便會帶負電；反之。如果失去電子的話便會帶正電。
帶電種類有以下幾種類型：
⑴ 接觸帶電.2個物體相互接鈾而帶電分為：摩擦帶電、剝離帶電、滾動帶電、噴射帶電等4種。
⑵ 感應帶電.未發(fā)生接觸便帶電，因帶有靜電的物體接近或離開其他物體而帶電。像這種沒有相互接觸卻帶上靜電的現象稱為“感應帶電”。例如，只需將帶電物體靠近IC，便會發(fā)生帶電現象(靜電感應)。因靜電感應而導致發(fā)生故障的例子如圖2所示。即使工件沒有帶電，如果帶電物體接近導電體的話，導電體可能會因靜電感應而導致內部出現極化，并產生放電現象。
⑶ 除塵時的靜電。除塵的陷阱之一，即使通過吹風將垃圾吹走后，帶電狀態(tài)仍會持續(xù)。除塵的陷阱之二，某些除靜電方法無法徹底除去吸附的垃圾。.對于帶靜電的產品，可以用較強的離子風來同時進行除靜電和除塵。
生產現場采取的除靜電措施與除靜電器應用
1除靜電措施
⑴ 靜電吸附灰塵的原理
帶電物質相互接近后，會受到庫侖力的作用。如同磁鐵的S極和N極一樣，同極性互相排斥，不同極性互相吸引。由于該庫侖力的作用，會出現產品吸附灰塵的現象。
帶電量越大，距離越近，相互之間的吸引力就越強。對于工件為絕緣體時，由于工件本身帶電量很大，因此會吸附帶電的灰塵。另外，不帶電的灰塵有時也會在內部出現極化，也會被吸附。對于工件為導體時，一旦灰塵帶電的話，便會因靜電感應而導致出現灰塵吸附現象。即使在接地后也不會發(fā)生改變，因此需要除去灰塵的靜電。
⑵ 生產現場采取的除靜電措施
對于機械或人體等導電體而言，接地、防靜電腕帶、導電鞋等非常有效。另外，可以使用導電墊子等來除去作業(yè)臺的靜電；對于接地無效的絕緣體而言，可以使用防靜電噴劑、或通過濕度管理來防止帶靜電、或是利用離子來中和靜電。
4.2利用除靜電器除去靜電
“除靜電盒”是一種組合箱體。它裝有高頻AC方式除靜電器和空氣幕簾，可在保持作業(yè)現場潔凈的同時，高效地實現除靜電、除塵及集塵功能。
如Creceed除靜電盒產品具有3種功能：除靜電、除塵與集塵。其構成由小型噴嘴式高頻AC“除靜電器”與BOX及集塵機構組成，如圖3(a)所示。
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除靜電盒是一種新型“除靜電．除塵，集塵”箱，適用于除去液晶零件、樹脂成型品以及電子零件等的靜電，并能預防因附著灰塵而引起故障。小型箱體不僅可以節(jié)省作業(yè)空間，提高作業(yè)效率，而且還能提高產品品質和生產能力。
因高壓吹風而導致工件再次帶靜電或附著灰塵,可利用高頻AC除靜電器，有效除去靜電，并能防止重新附著灰塵。由于采用了空氣幕簾，吹風后的灰塵不會四處飛散。作業(yè)過程節(jié)省空間,設置面積為A4&A3，適合用于單元生產。作業(yè)效率(時間)提高，拆下側面外罩后可在流水線上使用。
除靜電器是一種通過向對象物吹送正電荷及負電荷的離子風來中和對象物帶電狀態(tài)的裝置，如圖3（b）所示。
除靜電器有槍式產品、噴咀式產品與除靜電盒等。
3除靜電器的方式
⑴ 除靜電器有軟X線式、電暈放電式、放射線式與紫外線式等4種。而電暈放電式又分DC方式與AC方式2種。而DC方式含有脈沖DC式；AC方式又分為商用AC，高頻AC及脈沖AC等3種。下邊介紹電暈放電式和離子的產生。
⑵ 電暈放電是指：2個導體之間產生局部高電壓時，因空氣絕緣遭到破壞而產生的伴有藍紫色輝光的放電現象。電暈放電式除靜電器會對放電針施加高電壓，從而引起電暈放電。由于電暈放電的緣故，放電針附近的空氣發(fā)生電離，產生帶電離子。圖4(a)所示為向放電針施加帶正電的高電壓后產生正離子過程。圖4(b)所示為向放電針施加帶負電的高電壓后，產生負離子過程。
⑶ AC方式和DC方式的區(qū)別
根據電壓施加方式的不同，電暈放電式除靜電器可以分為“AC方式”和“DC方式”2大類。小金井的除靜電器采用了AC方式。其AC方式由1根放電針交互產生正離子和負離子。電離平衡良好，與DC方式相比，離子的產生量較少。而DC方式由正離子專用放電針和負離子專用放電針分別產生帶電離子的方式。近距離的電離平衡較差，與AC方式相比，離子的產生量較多。
⑷小金井公司采用高頻方式利用軟管／管道運送離子成為可能的原因
商用頻率的除靜電器產生帶電離子的頻率很低，只有50／60Hx，因此短時間內的電離平衡較差，帶電離子會在軟管中消失，所以無法利用軟管運送帶電離子，見圖5（a）。從圖中可知，因軟管內帶電離子相互吸引力較強，容易被中和,無法運送帶電離子。而小金井除靜電器的頻率高達68kHz，因此電離平衡良好、且?guī)щ婋x子在軟管中難以被中和，所以使原本難以實現的“利用軟管運送離子”成為可能，如圖5（b）所示。由圖可知,因軟管內帶電離子相互吸引力較弱，難以被中和,所以利用軟管運送離子”成為可能。
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新型靜電電位傳感器“EP傳感器”的測量與應用
EP傳感器是適用于在線靜電監(jiān)視的傳感器。無需在靜電的測量和管理方面花費工時，即可適時監(jiān)視肉眼無法看見的靜電?？赏ㄟ^適時監(jiān)視來針對那些便攜式測量器具難以測量的地方進行靜電管理。
靜電電位傳感器“EP傳感器”主要利用了帶電物體和檢測電極之間的靜電感應現象。帶電物體的電場會致使檢測電極表面產生感應電荷。該感應電荷會被換算成帶電物體的電位并顯示出來。其基本原理見圖6。電荷Q(感應電荷)與電壓V(帶電電壓)成比例。
實際上，在檢測電極的前面還內置有可高速開閉的音叉快門?？筛鶕撘舨婵扉T的開閉量來獲得與帶電量成比例的交流信號，然后利用該信號測量帶電物體的電位,EP傳感器用音叉快門方式迸行測量。
1靜電電位傳感器“EP傳感器”技術特征與應用
EP傳感器是適用于在線靜電監(jiān)視的傳感器,可實現便攜式測量器具無法實現的在線靜電測量和適時監(jiān)視。采用一體式結構，具備低成本化和節(jié)省總體空間的特點。值此以Creceed(克雷斯德)靜電電位傳感器“EP傳感器”為例說明其技術特征與應用。
⑴ 可實現在線靜電管理。無需在靜電的測量和管理方面花費工時，即可適時監(jiān)視肉眼無法看見的靜電。可通過適時監(jiān)視來針對那些便攜式測量器具難以測量的地方進行靜電管理。
⑵ 簡便功能。簡單設計，采用了一體式設計，EP傳感器具備判定輸出和異常輸出功能。此外，無需通過放大器等設備即可直接連接外部控制設備，因而可以節(jié)省總體空間。
⑶ 電壓數據具有“數字輸出”和”“模擬輸出”兩種。可以選擇與控制裝置之間的連接方式?？梢杂米雒嫦蛲獠康呐卸ㄝ敵?，或是利用電腦進行歷史記錄管理等。
⑷ 判定輸出功能。一旦超過設定電壓(臨界值)，便會通過傳感器LED和電壓比較輸出(判定輸出)發(fā)出通知,如圖7(a)所示。
⑸ 具有3種動作模式。平均化數據輸出模式、實測數據輸出模式、電離平衡監(jiān)視器模式。
?、倨骄瘮祿敵瞿Ｊ綄y得的數據平均化之后向外部輸出。數據輸出周期可以選擇：100ms、200ms、500ms、1s。
?、趯崪y數據輸出模式.將測得的實測數據向外部輸出，數據輸出周期可以選擇：100ms、200ms、500ms、1s。
?、垭婋x平衡監(jiān)視器模式.測量除靜電器的電離平衡。
⑹ 具備校零開關功能。利用校零開關功能，可以將當前的測量值調整為0V。
⑺ EP傳感器的設定方式可以選擇“EP監(jiān)視器”和“電腦軟件”2種。EP傳感器的設定可通過EP監(jiān)視器或電腦軟件來進行,設定通過S232C進行,見圖7(b)所示。
[page]⑻具備電離平衡測量功能,可以確認除靜電器的性能。通過安裝監(jiān)視器面板可以簡便地查看簡易電離平衡。關于除靜電器與監(jiān)視器安裝板之間的距離，可參照各除靜電器廠商的建議設置最小距離。
2EP傳感器技術指標與輸出
技術指標(以小金井公司產的DTY-EPS型為例)如下：電源電壓為DC24V±10％；電源電流50mA以下；測量范圍為5mm—50mm；精度為±5％rdg±2dig；判定輸出的方式為NPN晶體管集電極開路,施加電壓30VDC以下,其SINK電流為20mA以下；傳感器異常輸出的方式為NPN晶體管集電極開路，施加電壓30VDC以下,其SINK電流為20mA以下；模擬輸出其輸出電壓為1V—5V,而零點為3V；通信I／F符合RS232C；采樣周期約10ms；數據輸出周期為100ms，200ms，500ms，1s；輸入輸出響應時間(平均化數據輸出模式時)為最大數據輸出周期的2倍；溫度特性為—O.5％FS／℃；運行溫度范圍為O—40℃；電纜線長度為3m；外殼材質為導電性ABS樹脂；外形尺寸為61.2(W)mmx34.2(H)mm~15.0(D)mm。
3EP傳感器應用
使用實例：硅晶片等的電位測量,可通過支持軟件來進行設定、顯示和管理；除去包裝用薄膜等的電位測量；樹脂容器、零件等的電位測量;測量除靜電前和除靜電后的電位與安裝監(jiān)視器安裝板來測量除靜電器的電離平衡及玻璃電路板等的電位測量。
4EP傳感器連接實例
EP監(jiān)視器連接(通過電腦來進行設定時)如圖8所示。
從圖8可知，通過電腦進行設定的EP監(jiān)視器連接是由外部控制裝置與電腦及其組件構成。而組件必需是EP傳感器1臺(如DTY-EPS型)與EP監(jiān)視器1臺(如DTY-EPU)及電源SW•通信電纜線.及EP傳感器用通信電纜線。
除了以上所述利用電子產品的靜電放電保護來保護系統(tǒng)以外，還有防止高壓靜態(tài)輸入技術與芯片AAT4684的應用，詳見附錄。
附錄
用AAT4684—3x2.75mml包裝提供高達28V的過電壓保護。其特征為：最高+28V的過電壓保護；固定或可調節(jié)的過電壓保護閾值；3V欠壓鎖定閾值，即快速過電壓保護響應,過電壓瞬變值1μs(最大)；低靜態(tài)電流,即常用-30μA與關機(禁用)時電流最大為1μA；常用100mΩ(最大為130mΩ)RDS(ON)，電壓為4.5V；最大連續(xù)電流為1.8A;TSOPJW—12封裝。
AAT4684指標：Vin為0.3V～28V,RDS(ON)為100mΩ，IQ為30μA，TRESPOV為1μs。
該芯片優(yōu)點為高壓保護，靈活的過電壓保護閾值設置，阻止非有用輸入源，快捷且安全的過電壓保護，延長電池壽命，低壓差，廣泛應用的高連續(xù)電流與小型解決方案。
