ESD防護(hù)包裝基本技術(shù)原理，懂得特定情況下包裝的使用是實(shí)施和保持有效的ESD控制體系的關(guān)鍵。
摘要
本文描述了ESD防護(hù)包裝及工作表面使用材料必須考慮的基本技術(shù)問題。這些基本原理可用于傳統(tǒng)的包裝材料如紙箱、包裝袋和周轉(zhuǎn)箱，也可以用于暫時性包裝材料，如制造過程中的周轉(zhuǎn)包裝袋。這些原理同樣也可以用于器件在組裝過程中可能接觸到的工作臺臺面和傳送帶。

重要術(shù)語的理解
以下術(shù)語是理解ESD材料和進(jìn)行包裝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)：
•抗靜電材料（Antistatic）：能夠有效地阻止靜電荷在自身及與其接觸材料上積累的材料。
•靜電耗散材料（Static Dissipative）：用于減緩帶電器件模型（CDM）下快速放電的材料。按照靜電協(xié)會（ESDA）和電子工業(yè)聯(lián)合會（EIA）的定義，其表面電阻在105 ~1012 Ω/sq之間?？轨o電材料和靜電耗散材料可直接用于多數(shù)充電和放電失效過程中防護(hù)，甚至包括了自動生產(chǎn)線。當(dāng)然在使用當(dāng)中須經(jīng)過簡單的測試。不過，這并不時說它們是萬能的，有時我們也需要使用導(dǎo)靜電材料。
•導(dǎo)靜電材料（Conductive）：按照定義，是指表面電阻率小于105 Ω/sq的材料。它們通常被用于器件與同電位分流連接，在某些時候，它們還被用于區(qū)域的靜電場屏蔽。
在對這三種材料的理解上容易有一些誤區(qū)，比如，許多材料既是抗靜電材料又是靜電耗散材料；很多時候通常導(dǎo)電材料與一些絕緣材料也會產(chǎn)生靜電，但這些材料不能視為抗靜電材料。
要清楚材料的區(qū)別，懂得在它們在什么情況下的應(yīng)用，對于實(shí)施和保持有效的ESD控制體系非常關(guān)鍵，同時也是正確評價防靜電材料供應(yīng)商產(chǎn)品有效性的關(guān)鍵因素。這些材料特性不能對正常的生產(chǎn)過程造成影響。此外，耐磨損性，熱穩(wěn)定性，污染的影響以及其他很多其他特性也應(yīng)當(dāng)成為評價材料特性時需要考慮的因素。
抗靜電材料及使用
絕緣材料與其他材料相接觸會產(chǎn)生靜電，這是因?yàn)槲矬w接觸時，會發(fā)生電荷（電子或分子離子）的遷移，抗靜電材料能夠讓這種電荷的遷移濟(jì)小化。不過，因?yàn)槟Σ疗痣娙Q于相互作用的兩種物質(zhì)或物體，所以單獨(dú)說某種材料是抗靜電的并不準(zhǔn)確。
準(zhǔn)確的說法應(yīng)該是，該種材料對另一種材料來講是抗靜電的。實(shí)際當(dāng)中，所指其他材料既有絕緣材料，如印刷線路板（PWB）環(huán)氧樹脂基材，也有導(dǎo)電材料，如PWB 上的銅帶。它們在某些過程及取放當(dāng)中都可能帶電。
多數(shù)商用抗靜電材料是對生產(chǎn)過程中的多數(shù)材料是抗靜電材料的材料，因此才被稱為抗靜電材料。它們有三種不同類型：（1）通過抗靜電劑表面處理；（2）合成時混入抗靜電劑在表面形成抗靜電膜的材料（3）本身就有抗靜電性的材料。
常用的抗靜電劑能夠減少許多材料的靜電，因此應(yīng)用廣泛。它們一般是溶劑或載體溶液混入抗靜電表面活性劑，如季銨化合物、胺類、乙二醇、月桂酸氨基化合物等而制成。使用抗靜電劑能夠在材料之間形成一層主導(dǎo)材料表面特性的薄膜。這些抗靜電劑都是表面活性劑，其減少摩擦電壓的機(jī)理還不得而知。然而，研究發(fā)現(xiàn)，這些表面活性劑都具有吸收水分子的特性，它們能夠促使材料表面吸收水分。實(shí)際應(yīng)用同樣也是，抗靜電劑的效果受環(huán)境濕度的影響很大。此外，抗靜電劑也可減少摩擦力，有利于減少摩擦電壓。
因?yàn)榭轨o電劑具有一定的導(dǎo)電性能，所以在適當(dāng)濕度的條件下，它們能夠通過耗散來泄放靜電。但在實(shí)際當(dāng)中，后一種特性可能更容易得到重視，因而它也就成為了評估抗靜電材料的濟(jì)主要的指標(biāo)。但是，抗靜電材料更重要的功能應(yīng)當(dāng)是其在沒有接地的狀態(tài)下減少靜電產(chǎn)生的功能，而不是導(dǎo)電性。
靜電耗散材料及使用
很多時候靜電的產(chǎn)生不可避免，因此可靠地消除靜電顯得更為重要。許多抗靜電材料在接地或與地板等大的平面導(dǎo)體接觸的時候也具備靜電耗散功能。靜電耗散材料具有相似的體積電阻，或用導(dǎo)電材料覆蓋，如用于工作臺的臺墊等。耗散材料在接觸帶電器件時，能夠使放電的電流得到限制。
按照EIA 和ESDA的定義，靜電耗散材料是表面電阻率在105 ~1012 Ω/sq的材料。Bossard等學(xué)者的研究表明，105 Ω/sq下限電阻對于ESD能量敏感器件的保護(hù)來講是適當(dāng)?shù)?，這類器件會因熱熔導(dǎo)致失效。
除表面電阻率之外，靜電耗散材料另一個重要特性是將其將靜電荷從物體上泄放的能力，而描述這一特性的技術(shù)指標(biāo)是靜電衰減率。按照孤立導(dǎo)體靜電衰減模型，靜電衰減周期與其泄放電路的電阻與電容乘積（RC）成指數(shù)關(guān)系：
V(t) = V0e-t/t
式中V(t) 為衰減后靜電電壓，V0是衰減前靜電電壓，t為時間，t= RC 是時間常數(shù)。
研究靜電泄放能力，典型的假設(shè)是，在特定的時間內(nèi)，如2秒內(nèi)，將靜電電壓衰減到一個特定的百分比，如1%。對一個盛放PWB的周轉(zhuǎn)箱來說，其電容大約為50 pF，這時其電阻應(yīng)為：
這個數(shù)字正好是靜電耗散材料阻值范圍中的值。此外，對靜電耗散材料來說，相對濕度也是重要的因素，在靜電衰減測試當(dāng)中要予以控制和記錄。

導(dǎo)靜電材料的特性和使用
表面電阻率小于1 X 105Ω/sq的材料被定義為導(dǎo)靜電材料。導(dǎo)靜電材料可以將導(dǎo)靜電材料或靜電耗散材料上的靜電轉(zhuǎn)移到自身的表面。它通常用于分流目的，將器件的引腳連接到一起以保證引腳之間的電位相同。
要想達(dá)到分流的目的，須保證兩點(diǎn)：弟一，在快速放電中保持等電位。這一限制與材料的電感有關(guān)。測試實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，8000V的脈沖電壓能將放在導(dǎo)靜電泡沫材料中的，對HBM放電非常敏感的器件（小于50V）的器件損壞。雖然有測試表明，對器件引腳進(jìn)行分流保護(hù)在工廠生產(chǎn)環(huán)境中已經(jīng)足夠，但是有證據(jù)表明，分流保護(hù)仍然不能排除可能的損傷。濟(jì)近公布的一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了這一點(diǎn)。
弟二，分流必須讓器件引腳閉合。許多靜電放電，特別是帶電器件模型（CDM）下的放電，放電的時間只有1nS，如果分流用物體距離器件幾英寸遠(yuǎn)，此時器件引腳上的ESD會在電流流過分流導(dǎo)電材料形成的等電位連接之前就損傷了器件。
很少有實(shí)例表明，器件會對純粹的靜電場敏感。實(shí)際當(dāng)中，使用導(dǎo)靜電材料僅僅對表面聲波（SAW）過濾的器件和光掩膜集成電路（IC）的器件是必要的，因?yàn)樗鼈兘饘?*結(jié)構(gòu)中有微小的空氣間隙（這種結(jié)構(gòu)會讓靜電場增強(qiáng)）。此外，非連續(xù)型金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）器件在有非常長的天線引入線接觸器件時，由于場強(qiáng)影響放大，也會被靜電場損壞。
典型的導(dǎo)靜電材料是混入了碳粉的高分子聚合材料（如前面所提到的導(dǎo)電泡棉）或采用真空熏鍍金屬層的材料（如屏蔽袋）。雖然，105 Ω/sq是導(dǎo)靜電材料和靜電耗散材料的界限值，它并不是提供CDM保護(hù)的下限值。這一點(diǎn)，在只有10–104 Ω/sq導(dǎo)電材料可以選擇時非常有用。使用導(dǎo)靜電材料會導(dǎo)致CDM損傷的風(fēng)險增加。

幾種典型的包裝應(yīng)用
卷盤包裝.SMT的普及讓卷盤成為集成電路（IC）取放方式的優(yōu)選包裝。因?yàn)榫肀P能夠大幅度提高生產(chǎn)能力，并能減少操作人為影響，這種包裝方式很大程度上取代了IC包裝管。然而，
卷盤包裝濟(jì)早用于分立型被動器件，如片式電阻的包裝，因?yàn)檫@些器件通常不是ESD敏感器件。早期的卷盤包裝不是防靜電的，結(jié)果，在將卷盤覆蓋層從載帶剝離時經(jīng)常會產(chǎn)生超過10000V的靜電。此時片狀器件甚至?xí)莒o電引力在載帶上直立起來，這對自動化的生產(chǎn)過程有極大的危害。這一點(diǎn)要求卷盤生產(chǎn)中與IC相接觸的材料必須使用可靠的材料。因?yàn)闀黾悠骷臐撛趽p傷緣故，我們努力尋找合適的材料來解決這一問題。有一點(diǎn)是明確的，卷盤材料對器件產(chǎn)生的靜電比包裝管對器件產(chǎn)生的靜電確實(shí)要高，盡管在它們的廣告上說是ESD可靠的，或者說是按照EIA541之類標(biāo)準(zhǔn)制作的。
表1 器件在包裝管和不同材料的卷盤包裝中產(chǎn)生的靜電。
一些卷盤帶上的確使用了抗靜電材料，但這些材料僅僅是在外面的非粘貼層，粘貼面與器件接觸后，仍會產(chǎn)生超出預(yù)料的高靜電壓。
除此之外，另外一點(diǎn)需要注意的是，載帶材料的導(dǎo)電性過強(qiáng)，還可能會導(dǎo)致場感應(yīng)的CDM失效。其原因是，當(dāng)時沒有能與典型的抗靜電材料相匹配的粘膠。
導(dǎo)電材料載帶的這種缺陷在CDM敏感器件（150V）的一系列實(shí)驗(yàn)中可以得到證實(shí)。將敏感器件裝入表面電阻率為1~100 Ω/sq材料的載帶，做振動試驗(yàn)，以模擬器件的運(yùn)輸和取放過程，然后測試其是否失效。結(jié)果顯示，器件中有相當(dāng)大的數(shù)量擊穿電壓等電性能顯著下降；相反，使用104 Ω/sq載帶和絕緣材料的覆蓋帶做同樣的實(shí)驗(yàn)，卻沒有出現(xiàn)電性能的下降。圖1是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的匯總。
圖1 不同材料載帶振動后1-µA漏電電流下?lián)舸╇妷?/span>
防靜電包裝袋.對于屏蔽袋的使用，在ESD行業(yè)曾經(jīng)有許多誤區(qū)。這些誤區(qū)主要與早期的靜電場敏感器件有關(guān)。盡管在ESD保護(hù)環(huán)境中，很難發(fā)生無保護(hù)的MOSFET的器件失效，但是人們還是普遍相信這些器件會在靜電場中損壞。
材料
損傷電壓(V)
新包裝袋
舊包裝袋
導(dǎo)電紙板
2500 —
絕緣袋
4000 —
抗靜電（粉紅色聚乙烯）袋
4500 —
靜電耗散袋
5000–6000 —
抗靜電氣泡片
4500–6500
6000
抗靜電泡棉
6500 —
屏蔽包裝袋（三層結(jié)構(gòu)）
6500–8000
5000–6000
表2 各類ESD包裝袋所能提供器件保護(hù)電壓
現(xiàn)在這些觀點(diǎn)已經(jīng)基本被摒棄了，但是許多產(chǎn)業(yè)仍然保留著使用屏蔽袋的要求。盡管器件會因感應(yīng)帶電，這取決于其在電場中停留的時間，而屏蔽層確實(shí)可以減少感應(yīng)的影響，但這些屏蔽層既不是**的解決辦法，也不是濟(jì)佳的解決辦法。表2是幾種包裝抗靜電能力的測試結(jié)果。其實(shí)驗(yàn)基本方法是，將HBM敏感度200V的敏感器件或同等電壓敏感度的探頭放在包裝袋中，再使用HBM模擬器放電測試其靜電破壞情況。數(shù)值指示的是器件在袋中被損壞時施加電壓。
這些數(shù)據(jù)表明，在一個常規(guī)的ESD控制條件下的環(huán)境中，如電子產(chǎn)品生產(chǎn)車間，表中所列的任何一種材料都可以使用。此環(huán)境的靜電壓完全可以保持在2500V以下，低于濟(jì)小的靜電損傷電壓。
屏蔽包裝袋在使用后效果會大大減弱，因?yàn)檎郫B或彎曲都會造成金屬層穿孔和破裂。因此，包裝袋或盒濟(jì)重要的特性是它們的抗靜電性、靜電耗散性以及物理保護(hù)性能。表2的數(shù)據(jù)還說明，屏蔽包裝袋不是解決電子產(chǎn)品在非控制環(huán)境中取放的濟(jì)理想的材料。相比之下，剛性材料的包裝可以提供適當(dāng)?shù)目障叮瑢ζ骷?/span>ESD保護(hù)和物理保護(hù)都能收到較好的效果。
圖2 能夠提供空氣間隙的包裝：(a)IC包裝管、靜電耗散泡棉以及卷盤；(b)沒有屏蔽層的靜電耗散袋；(c)剛性包裝：特殊處理過的保利絨；(d)靜電耗散泡沫
電容耦合和空氣間隙
導(dǎo)電和屏蔽材料多數(shù)情況下不是必須的包裝材料，其中一個原因是，器件相對于靜電源的方位可以濟(jì)大限度地減少其受到的影響。圖2中所列示的材料都能夠通過空氣間隙達(dá)到這一目的，接下來我們逐一討論。
集成電路（IC）包裝管：圖3是放置在IC包裝管中的器件受到外界靜電場影響的示意圖。其中，Vs是靜電源的電壓，CC是靜電源與器件之間的電容，CD是器件對地的電容，此時器件的電壓可以以下公式計(jì)算：
從式中可以看到，剛性結(jié)構(gòu)的包裝管會有空隙間距，有助于減少VD。盡管Unger對此有不同認(rèn)識，一般認(rèn)為VD/VS的比值通常為1：50。以此計(jì)算，在這種結(jié)構(gòu)下，靜電耐受能力大于100V的器件放在包裝管中，外界5000V的靜電也不會對其形成威脅。從這一點(diǎn)講，除非器件極端敏感或包裝放在很高的靜電場中，導(dǎo)電材料或金屬材料的IC包裝管完全沒有必要。事實(shí)上，Unger的研究表明，導(dǎo)電材料的包裝管更容易將電荷傳導(dǎo)到器件上，因?yàn)樗鼈冊试S電荷在整個包裝管上快速流動。
圖3 外界靜電場下器件與IC包裝管的耦合
周轉(zhuǎn)箱：多數(shù)的周轉(zhuǎn)箱使用靜電耗散材料制作，其表面的靜電荷可以通過接地，或放置在靜電耗散材料或?qū)щ姴牧系淖烂嫔闲埂D4是存放線路板的耗散材料周轉(zhuǎn)箱的示意圖，其外側(cè)及周邊周轉(zhuǎn)箱的電荷可能無法通過接地消除，但箱子的結(jié)構(gòu)及線路板的方位可以讓其與這些靜電源的耦合濟(jì)小：
圖4 印刷線路板（PCBA）與周轉(zhuǎn)箱的底面的耦合（Cb），以及與平行面的耦合（Ce）示意
從平行電容模型來看，周轉(zhuǎn)箱與線路板接觸的部分與后者垂直，能夠?qū)㈦娙萁档偷綕?jì)小，因而耦合較弱，而與線路板平行的表面，由于線路板與箱面之間能保持大約為1/2英寸以上的距離，因而也能夠降低其電容值，有效減少耦合。
這種結(jié)構(gòu)能夠提供的保護(hù)很難量化。相比線路板放水平面靜電源上的耦合，這種結(jié)構(gòu)通常情況下能夠讓其耦合減少一半。因?yàn)橄潴w經(jīng)常需要進(jìn)行滑動，而其摩擦所產(chǎn)生的靜電會在表面停留，從這一點(diǎn)來說，圖4是方式是可以接受的。
發(fā)泡包裝與（屏蔽）包裝袋：使用剛性或半剛性包裝材料時，能夠在運(yùn)輸和取放時讓器件與外界保持適當(dāng)?shù)目障?，這些空隙可以讓包裝在不使用導(dǎo)電材料的前提下，提供物理性保護(hù)的同時減少場強(qiáng)的影響。我們所看到的多數(shù)對屏蔽研究的文獻(xiàn)，是假設(shè)包裝袋處于極端惡劣的環(huán)境下，周圍的靜電源高達(dá)15,000-35,000 V，得出的結(jié)論，實(shí)際在通常的情況下，剛性包裝與其他的包裝結(jié)合使用已經(jīng)足夠減少ESD的損壞。
三類ESD失效情況的對策
我們將引起ESD損傷的情況分為三類，對它們的分析和對策如表3所示。理論上講，在這些措施中任意一個對于減少ESD損傷都有效，但實(shí)際上理想的效果很難達(dá)到。這是因?yàn)椋菏紫龋瑳]有任何技術(shù)能夠保證萬無一失?？轨o電劑會有一定的時效性，過期就會失效，此時接地會時好時壞，或完全斷開。其次，某些措施可能限制一些防護(hù)措施的使用，或甚至將其完全排除在外。例如，卷盤包裝的覆蓋帶的粘貼面必須使用絕緣材料，才能將與載帶粘合在一起。
情況
操作
解決辦法
A
1.移動時在表面產(chǎn)生靜電
使用抗靜電材料或在任意一個表面涂抗靜電劑
2.將器件帶到表面帶靜電物體的附近
物體表面使用耗散材料
保持空隙或/和使用屏蔽保護(hù)
3.器件在靠近表面帶靜電物體的附近時處于接地狀態(tài)（CDM）
空氣離子化處理
使用靜電耗散材料
B
1. 由于運(yùn)動讓絕緣材料的器件包裝產(chǎn)生靜電。
包裝材料使用抗靜電材料或使用抗靜電劑處理表面。
2.器件本身帶靜電
空氣離子化處理
3.器件帶靜電后處于接地狀態(tài)(CDM)
使用靜電耗散材料
C
1.由于人的活動產(chǎn)生靜電
手腕帶接地。
2.人體帶電
使用導(dǎo)電或靜電耗散地板和鞋
3.接觸器件將靜電傳遞到器件
房間系統(tǒng)空氣離子化
將器件隔離
使用靜電耗散包裝以減慢放電速度
使用導(dǎo)電材料分流靜電
表3 三類常見的ESD情況及ESD控制措施
情況A。兩個表面間的運(yùn)動產(chǎn)生靜電，敏感器件被放置在其電場中，而器件隨后又進(jìn)行了接地。接觸的表面使用抗靜電材料可以解決操作1的問題。表面所產(chǎn)生的靜電可以通過靜電耗散材料、空氣離子化中和、使用空隙間隔或靜電屏蔽來消除。操作3的問題，可以通過使用靜電耗散材料來控制靜電泄放的速度。
情況B。情況A中，可以有多種途徑來解決操作3的問題，而情況B則不同，它是器件與其他材料接觸后自身帶電的情況。在情況A中，操作1的問題可以通過使用抗靜電材料或靜電耗散材料來解決，但對于情況B，器件本身的材料不可替換，不可能使用這兩種材料來解決問題。要滿足電路要求，制作器件的陶瓷或塑料材料須是高絕緣材料，同時對于防潮和防腐蝕也對材料提出了相應(yīng)的要求。這些對于操作2問題的解決都有限制。此時器件包裝上有靜電荷，除非允許長時間，**的去除方法就是使用空氣離子化。操作3問題是導(dǎo)致失效操作，**可行的保護(hù)辦法就是避免導(dǎo)體接觸放電的器件，而改用靜電耗散材料與器件接觸。
對于像工作臺面這類大的材料，單獨(dú)使用一個105–1012 Ω阻值的外接電阻并不是好的替代方法，這是因?yàn)殡x散電阻會產(chǎn)生寄生電容，它允許高頻大電流，導(dǎo)致典型的CDM的靜電損傷。
情況A和B由運(yùn)動所導(dǎo)致，生產(chǎn)中經(jīng)常會在器件的操作當(dāng)中產(chǎn)生。我們所熟知的人為因素在這并不是ESD損傷的關(guān)鍵因素，而這些情況才是濟(jì)大的靜電損傷隱患，因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中，它們會持續(xù)產(chǎn)生靜電。
情況C。相比而言，在生產(chǎn)車間，人員接地容易做到，HBM風(fēng)險會越來越少。但是，即便是在檢查非常嚴(yán)密時，也偶爾會有操作員工不正確地使用手腕帶，導(dǎo)致其失去作用的情況出現(xiàn)，因而，包裝必須提供附加的保護(hù)。這種保護(hù)在缺少