李 宏，牛靜霞

(1.河北聯(lián)合大學(xué),理學(xué)院，河北 唐山 063000；2.河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院，河北 唐山 0630090)

引言

由于靜電問題的存在，許多LED產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中因靜電防護不當(dāng)致使管芯被損害，進而影響燈具的使用壽命，甚至直接使產(chǎn)品變成廢品。為了解決這一問題，本文以靜電防護為主題，總結(jié)了一些防靜電方面的經(jīng)驗，希望LED生產(chǎn)企業(yè)能將這些措施應(yīng)用到實際生產(chǎn)中去，做好靜電防護。

1 靜電的特點及危害

1.1 靜電現(xiàn)象

日常生活中如走動、空氣流動、搬運等都能產(chǎn)生靜電。靜電是一種處于相對穩(wěn)定狀態(tài)的電荷。靜電是一種電能，它存留于物體表面，是正負(fù)電荷在局部范圍內(nèi)失去平衡的結(jié)果，是通過電子或離子的轉(zhuǎn)換而形成的。靜電現(xiàn)象是電荷在產(chǎn)生和消失過程中產(chǎn)生的電現(xiàn)象的總稱。

1.2 靜電的特點

在電子工業(yè)生產(chǎn)中，產(chǎn)生的靜電具有高電位、小電量、對地分部電容小、泄漏與放電時間短的特點。設(shè)備、生產(chǎn)環(huán)境或人體上的靜電電位可達幾千伏以上。電子生產(chǎn)環(huán)境所積累的靜電量一般不高，通常為微庫侖級、納庫侖級。放電時間多為微秒級、納秒級。但瞬間放電的峰值能量可達幾百瓦以上，峰值電流達幾至幾十安培，足以造成微電子器件(組件)的損壞。靜電較之流動電流受環(huán)境條件，特別是濕度的影響比較大。靜電測量時復(fù)現(xiàn)性差、瞬態(tài)變化多。

1.3 靜電對LED產(chǎn)品的危害

靜電對LED產(chǎn)品的危害主要有靜電損傷和靜電擊穿。 LED產(chǎn)品失效原因排序，見表1。

表1 LED產(chǎn)品失效原因排序Table 1 Failure of LED products

可見，靜電放電引起的失效排在第1位，成為LED產(chǎn)品的“頭號殺手”。

靜電損傷的特點有：

(1)隱蔽性：人體不能直接感知靜電，除非發(fā)生靜電放電，但發(fā)生靜電放電，人體也不一定能有電擊的感覺。這是因為人體感知的靜電放電電壓為2～3kV及以上。

(2)潛伏性：有時LED受到靜電損傷后性能沒有明顯的下降，但多次累加放電會給LED造成內(nèi)傷而形成隱患，而且增加了LED對靜電的敏感性。已產(chǎn)生的問題并無任何方法可治愈。

(3)隨機性：從LED生產(chǎn)后一直到它損壞以前所有的過程都受到靜電的威脅，而這些靜電的產(chǎn)生也具有隨機性。由于靜電的產(chǎn)生和放電都是瞬間發(fā)生的，極難預(yù)測和防護。

(4)復(fù)雜性：有些靜電損傷現(xiàn)象難以與其他原因造成的損傷加以區(qū)別，使人誤把靜電損傷失效當(dāng)作其它失效，對靜電放電損害未充分認(rèn)識之前，常常歸咎于早期失效或情況不明的失效,從而不自覺地掩蓋了失效的真正原因。

靜電擊穿的危害更大，直接導(dǎo)致LED產(chǎn)品報廢。見圖1中小圓內(nèi)圈劃的位置。

圖1 LED產(chǎn)品被靜電擊傷的圖片F(xiàn)ig.1 The wounded pictures of LED products

靜電的危害有目共睹，現(xiàn)在越來越多的廠家已經(jīng)開始實施各種程度的防靜電措施和工程。但是完善有效的防靜電工程要依照不同企業(yè)的實際情況，制定相應(yīng)的對策。防靜電措施應(yīng)是系統(tǒng)的、全面的，否則可能會事倍功半，甚至造成破壞性的后果。

2 靜電防護

在LED產(chǎn)品生產(chǎn)、裝配存儲、運輸、使用過程中，不產(chǎn)生靜電是不可能的，但產(chǎn)生靜電并非危險所在，危險在于靜電積累，以及由此產(chǎn)生的靜電感應(yīng)、吸附和放電。對靜電積累的限制和采取各種防護措施尤為重要。靜電防護措施很多，主要有以下幾方面：

2.1 靜電耗散及泄漏

將生產(chǎn)環(huán)境和各種操作過程中產(chǎn)生的靜電迅速耗散及泄露，是防止靜電危害行之有效的方法。靜電耗散及泄漏是：通過替換LED生產(chǎn)過程中接觸到的各類絕緣物制備的工具(包括各種工裝夾具、包裝、生產(chǎn)工具、物流傳遞用品、人體用品等)，而改用防靜電材料制備并使之接地來完成的。防靜電材料又稱為ESD防護材料，通常在LED行業(yè)所用防靜電材料應(yīng)屬靜電耗散和疏導(dǎo)靜電類。

通常靜電耗散及泄漏的措施同時使用，在某些特殊情況下，也有使用接地導(dǎo)電刷與帶電絕緣體接觸泄漏其積累靜電的實例。一般情況下，人體、ESD防護用品(裝備)任一表面與接地極之間的靜電泄漏電阻小于1GΩ，都可以認(rèn)為是符合要求的。對于防靜電接地電阻(接地體與大地之間的電阻)GB 12158-90規(guī)定：每組專設(shè)的靜電泄漏接地電阻值，一般不應(yīng)大于100Ω。在山區(qū)等地，其接地電阻值也不應(yīng)大于1000Ω。

LED環(huán)境的防靜電接地，有軟接地和硬接地之分。軟接地是指通過串接限制流過人體的電流達到安全值的電阻連接到大地電極的一種方式。軟接地的目的在于，當(dāng)人觸電時將通過人體的電流限制在人身安全范圍之下(通常為5mA以下)。硬接地是指直接與大地做導(dǎo)電性連接的一種接地方式。一般情況下硬接地用于靜電屏蔽或儀器、生產(chǎn)設(shè)備、金屬體的接地。

2.2 靜電中和

靜電中和是消除靜電的重要措施之一。在某些場合中，當(dāng)不便使用ESD防護材料時必須將某些高絕緣易產(chǎn)生靜電的用品存放在工作臺或工藝線上時，或者在操作SSD(靜電敏感器件)時使用的各類器具(包括金屬制品)不能良好接地時，為了預(yù)防靜電積累及放電就必須對操作環(huán)境采取靜電中和措施。一般情況下，對局部工作區(qū)域(工作臺)采取靜電中和措施，對某些要求較高的靜電防護環(huán)境，可采取整體廠房靜電中和措施。

2.3 靜電屏蔽與接地

靜電屏蔽及接地通常用于對高壓電源產(chǎn)生的靜電場屏蔽，某些對靜電極敏感電路的屏蔽，從而避免靜電場對SSD和SSD組建的感應(yīng)及靜電放電的產(chǎn)生。

為防止屏蔽體內(nèi)電子設(shè)備接地和屏蔽體存在較大的電位差，常常將屏蔽體接地與設(shè)備接地互連。靜電屏蔽包裝是靜電被動屏蔽原理的典型應(yīng)用。

2.4 環(huán)境增濕

環(huán)境相對濕度增加，則非導(dǎo)體材料(衣服、工作臺等)表面的電阻減小，使物體積累的靜電荷可以更快的泄漏。有靜電的場所，在工藝條件許可時可以安裝空調(diào)設(shè)備、噴霧器(或在集中空調(diào)送風(fēng)口設(shè)置大功率加濕裝置)以提高空氣的相對濕度消除靜電。一般情況下，用增濕法消除靜電的效果是很明顯的。為對靜電達到最佳的控制，環(huán)境相對濕度應(yīng)保持在65%～70%。

2.5 人員的靜電防護

人體在日常活動和生產(chǎn)操作中可產(chǎn)生電壓為數(shù)十伏到數(shù)萬伏的靜電(見表2)，而放電過程是極短促的，所以放電過程中釋放出的能量可達幾十瓦,足以引起LED芯片微區(qū)燒毀或SiO2膜擊穿，人體靜電可以損毀任何一個常用的半導(dǎo)體器件。因此對進入防靜電工作區(qū)的人員要進行靜電防護配備如防靜電服及防靜電鞋，對設(shè)備維修維護人員和元器件作業(yè)臺上作業(yè)人員還應(yīng)配備防靜電腕帶。

2.6 設(shè)備的靜電防護

防靜電安全工作臺是防靜電工作區(qū)的基本組成部分，它由工作臺防靜電桌墊、腕帶接頭和接地線等組成，靜電安全工作臺上不允許堆放塑料、橡皮、紙板、玻璃等易產(chǎn)生靜電的雜物，圖紙、資料等應(yīng)裝入防靜電文件袋中，座椅墊套等都應(yīng)是導(dǎo)靜電的并與防靜電的接地相連，必要時工作臺上配備離子風(fēng)靜電消除器，座椅下可以鋪設(shè)防靜電地墊。在電子設(shè)備研制生產(chǎn)過程中一切貯存周轉(zhuǎn)靜電敏感器件(SSD)的容器(元器件袋、轉(zhuǎn)運箱、印刷板架、元器件存放盒等)應(yīng)具備靜電防護功能，不允許使用金屬和普通塑料容器。

表2 人體所帶的靜電范圍Table 2 Electrostatic range carried by body

3 LED生產(chǎn)車間靜電防護

LED產(chǎn)品管芯大都很薄，耐壓較低，結(jié)構(gòu)較脆弱，容易被高幅值的電壓脈沖擊穿，也容易被高幅值的電流脈沖擊穿，而LED產(chǎn)品最主要部分就是管芯了，這里一經(jīng)損壞就意味著報廢，所以說靜電對LED產(chǎn)品的傷害是致命的，從事與LED生產(chǎn)銷售有關(guān)的產(chǎn)品必須要做好靜電防護。

LED生產(chǎn)車間的靜電防護通常的做法，一般存在不同程度的隱患，主要表現(xiàn)在：車間工作區(qū)所使用的防靜電產(chǎn)品和工具等，經(jīng)過一段時間后，電阻大于108～1010Ω。

在測控手段方面，對工作區(qū)增添溫度和濕度監(jiān)測，每天記錄溫度濕度，嚴(yán)格控制在標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)；每月測量靜電壓；員工防靜電衣、帽每洗一次后，檢測一次表面電阻和摩擦電壓；防靜電臺墊等每年檢測一次表面電阻；車間門口設(shè)置人體綜合阻值測試儀；每次進入LED生產(chǎn)車間后必須用離子噴槍對全身進行靜電消除；工廠如果在北方，由于北方的氣候相對南方干燥，在車間必須有離子風(fēng)機來平衡電壓進行靜電消散。例如一個撕膜的制作過程(見表3)，如果完全沒有靜電消除器作保護，在撕膜時間為2秒時，靜電高達1600V；如果撕膜的同時對晶片進行靜電消除，可在3秒內(nèi)將靜電消散至30V， 從而避免了因為撕膜動作瞬間所產(chǎn)生的高靜電傷害晶片?？梢婋x子風(fēng)扇對消散靜電是非常有效的。

表3 離子風(fēng)扇有效性比較Table 3 Comparison of the effectiveness of ion fan

生產(chǎn)過程中注意采取適當(dāng)?shù)姆婪洞胧?，必須能防止靜電產(chǎn)生，組裝人員操作時需穿戴防靜電服裝(如防靜電衣服、帽子、鞋子、指套或手套等)。 必須能迅速將其表面或內(nèi)部的靜電散逸，組裝操作人員需配戴防靜電手腕帶(腕帶必須連通接地系統(tǒng))。能提供屏蔽保護防止受靜電突然放電或電場沖擊，組裝臺(工作臺)需使用防靜電臺墊，且接地；盛裝LED需使用防靜電元件盒；烙鐵、切腳機、錫爐(或自動回流焊設(shè)備)均需接地。

作業(yè)過程中，盡可能避免直接觸摸發(fā)光管之管腳，取放時盡可能觸拿膠體部分。接地措施應(yīng)完全防止靜電產(chǎn)生，工作臺、烙鐵、切腳機、錫爐(或自動回流焊設(shè)備)之接地，必須用粗的鐵線引入泥土內(nèi)，在鐵線未端系上大鐵塊，埋入地表1米以下，各接地線均需與主線連接在一起，操作人員配戴的靜電環(huán)若有引出線的，亦需將引出線接通在埋地線上。半成品、成品檢測設(shè)備亦需接地。

在LED產(chǎn)品包裝時要使用防靜電包裝帶，操作時須帶上防靜電手套。

4 LED采用防靜電電路的實際效果

以上說的都是在生產(chǎn)過程的一些措施，我們在LED產(chǎn)品設(shè)計方面也應(yīng)該采用防靜電電路(圖2)的設(shè)計思路，力求能最好的做到靜電防護。

圖2 防靜電電路Fig.2 Anti-static circuit

以下一組實驗照片是檢測采用防靜電電路設(shè)計的實際效果。

(a)沒有采用防靜電電路設(shè)計的模組；(b)采用防靜電電路設(shè)計的模組圖3 一組實驗照片F(xiàn)ig.3 Photos of experiments

(1)實驗過程說明

第一步，實驗開始，將放電火花置于PCB板上空約5厘米處：(a)沒有采用防靜電電路設(shè)計的模組，(b)采用防靜電電路設(shè)計的模組沒有明顯差異；

第二步，開始加大電流: (a)沒有采用防靜電電路設(shè)計的模組比，(b)采用防靜電電路設(shè)計的模組的火花密集；

第三步，繼續(xù)逐步加大電流：(a)沒有采用防靜電電路設(shè)計的模組放電出現(xiàn)半電弧輝光，而(b)采用防靜電電路設(shè)計的模組安然無恙；

第四步，繼續(xù)縮短距離放電火花最終落在PCB板上，繼續(xù)加大高壓電流，放電變成半弧光放電：沒有采用防靜電電路設(shè)計的模組模板燒焦，采用防靜電電路設(shè)計的模組損害明顯小于沒有采用的。

(2)實驗結(jié)論

采用防靜電電路設(shè)計思路做出來的產(chǎn)品在面對高電壓時，其防護性能明顯高于沒有采用防靜電電路的產(chǎn)品。

5 結(jié)語

綜上所述，LED防靜電技術(shù)遵循三項原則：抑制、疏導(dǎo)、中和。靜電放電的控制程序一般集中在五個基本方面：把靜電保護設(shè)計到元件和產(chǎn)品內(nèi)；消除產(chǎn)生靜電的材料與過程；驅(qū)散或中和靜電放電；提供對靜電放電的物理保護；檢測生產(chǎn)的過程與環(huán)境。

掌握ESD (靜電放電)防護技巧，徹底將靜電這個問題扼殺在搖籃中,這樣才能提高LED產(chǎn)品可靠性，保證LED產(chǎn)品的質(zhì)量。

[1] 劉尚合，武占成，朱長清，等.靜電放電及危害保護[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004.

[2] 孫延林.電子工業(yè)靜電防護[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3] 防靜電工作區(qū)技術(shù)要求.信息產(chǎn)業(yè)部電子標(biāo)準(zhǔn)化所，2006.

[4] 電子產(chǎn)品防靜電控制大綱.信息產(chǎn)業(yè)部電子標(biāo)準(zhǔn)化所，1998.