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(wèn)題的存在，許多LED產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中因靜電防護(hù)不當(dāng)致使管芯被損害，進(jìn)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(wèn)題，本文以靜電防護(hù)為主題，總結(jié)了一些防靜電方面的經(jīng)驗(yàn)，希望LED生產(chǎn)企業(yè)能將這些措施應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中去，做好靜電防護(hù)。

1 靜電的特點(diǎn)及危害

1.1 靜電現(xiàn)象

日常生活中如走動(dòng)、空氣流動(dòng)、搬運(yùn)等都能產(chǎn)生靜電。靜電是一種處于相對(duì)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(guò)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(guò)程中產(chǎn)生的電現(xiàn)象的總稱(chēng)。

1.2 靜電的特點(diǎn)

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(duì)地分部電容小、泄漏與放電時(shí)間短的特點(diǎn)。設(shè)備、生產(chǎn)環(huán)境或人體上的靜電電位可達(dá)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(kù)侖級(jí)、納庫(kù)侖級(jí)。放電時(shí)間多為微秒級(jí)、納秒級(jí)。但瞬間放電的峰值能量可達(dá)幾百瓦以上，峰值電流達(dá)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(dòng)電流受環(huán)境條件，特別是濕度的影響比較大。靜電測(cè)量時(shí)復(fù)現(xiàn)性差、瞬態(tài)變化多。

1.3 靜電對(duì)LED產(chǎn)品的危害

靜電對(duì)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(jiàn)表1。

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

可見(jiàn)，靜電放電引起的失效排在第1位，成為L(zhǎng)ED產(chǎn)品的“頭號(hào)殺手”。

靜電損傷的特點(diǎn)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(jué)。這是因?yàn)槿梭w感知的靜電放電電壓為2～3kV及以上。

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

(3)隨機(jī)性：從LED生產(chǎn)后一直到它損壞以前所有的過(guò)程都受到靜電的威脅，而這些靜電的產(chǎn)生也具有隨機(jī)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(cè)和防護(hù)。

(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(duì)靜電放電損害未充分認(rèn)識(shí)之前，常常歸咎于早期失效或情況不明的失效,從而不自覺(jué)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(bào)廢。見(jiàn)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(lái)越多的廠(chǎng)家已經(jīng)開(kāi)始實(shí)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(shí)際情況，制定相應(yīng)的對(duì)策。防靜電措施應(yīng)是系統(tǒng)的、全面的，否則可能會(huì)事倍功半，甚至造成破壞性的后果。

2 靜電防護(hù)

在LED產(chǎn)品生產(chǎn)、裝配存儲(chǔ)、運(yùn)輸、使用過(guò)程中，不產(chǎn)生靜電是不可能的，但產(chǎn)生靜電并非危險(xiǎn)所在，危險(xiǎn)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(duì)靜電積累的限制和采取各種防護(hù)措施尤為重要。靜電防護(hù)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(guò)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(guò)替換LED生產(chǎn)過(guò)程中接觸到的各類(lèi)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(lái)完成的。防靜電材料又稱(chēng)為ESD防護(hù)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(lèi)。

通常靜電耗散及泄漏的措施同時(shí)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(shí)例。一般情況下，人體、ESD防護(hù)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(duì)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(zhuān)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(guò)串接限制流過(guò)人體的電流達(dá)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(shí)將通過(guò)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(chǎng)合中，當(dāng)不便使用ESD防護(hù)材料時(shí)必須將某些高絕緣易產(chǎn)生靜電的用品存放在工作臺(tái)或工藝線(xiàn)上時(shí)，或者在操作SSD(靜電敏感器件)時(shí)使用的各類(lèi)器具(包括金屬制品)不能良好接地時(shí)，為了預(yù)防靜電積累及放電就必須對(duì)操作環(huán)境采取靜電中和措施。一般情況下，對(duì)局部工作區(qū)域(工作臺(tái))采取靜電中和措施，對(duì)某些要求較高的靜電防護(hù)環(huán)境，可采取整體廠(chǎng)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(duì)高壓電源產(chǎn)生的靜電場(chǎng)屏蔽，某些對(duì)靜電極敏感電路的屏蔽，從而避免靜電場(chǎng)對(duì)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(dòng)屏蔽原理的典型應(yīng)用。

2.4 環(huán)境增濕

環(huán)境相對(duì)濕度增加，則非導(dǎo)體材料(衣服、工作臺(tái)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(chǎng)所，在工藝條件許可時(shí)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(duì)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(duì)靜電達(dá)到最佳的控制，環(huán)境相對(duì)濕度應(yīng)保持在65%～70%。

2.5 人員的靜電防護(hù)

人體在日?；顒?dòng)和生產(chǎn)操作中可產(chǎn)生電壓為數(shù)十伏到數(shù)萬(wàn)伏的靜電(見(jiàn)表2)，而放電過(guò)程是極短促的，所以放電過(guò)程中釋放出的能量可達(dá)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(gè)常用的半導(dǎo)體器件。因此對(duì)進(jìn)入防靜電工作區(qū)的人員要進(jìn)行靜電防護(hù)配備如防靜電服及防靜電鞋，對(duì)設(shè)備維修維護(hù)人員和元器件作業(yè)臺(tái)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(hù)

防靜電安全工作臺(tái)是防靜電工作區(qū)的基本組成部分，它由工作臺(tái)防靜電桌墊、腕帶接頭和接地線(xiàn)等組成，靜電安全工作臺(tái)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(shí)工作臺(tái)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(guò)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(yùn)箱、印刷板架、元器件存放盒等)應(yīng)具備靜電防護(hù)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(chē)間靜電防護(hù)

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(bào)廢，所以說(shuō)靜電對(duì)LED產(chǎn)品的傷害是致命的，從事與LED生產(chǎn)銷(xiāo)售有關(guān)的產(chǎn)品必須要做好靜電防護(hù)。

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

在測(cè)控手段方面，對(duì)工作區(qū)增添溫度和濕度監(jiān)測(cè)，每天記錄溫度濕度，嚴(yán)格控制在標(biāo)準(zhǔn)以?xún)?nèi)；每月測(cè)量靜電壓；員工防靜電衣、帽每洗一次后，檢測(cè)一次表面電阻和摩擦電壓；防靜電臺(tái)墊等每年檢測(cè)一次表面電阻；車(chē)間門(mén)口設(shè)置人體綜合阻值測(cè)試儀；每次進(jìn)入LED生產(chǎn)車(chē)間后必須用離子噴槍對(duì)全身進(jìn)行靜電消除；工廠(chǎng)如果在北方，由于北方的氣候相對(duì)南方干燥，在車(chē)間必須有離子風(fēng)機(jī)來(lái)平衡電壓進(jìn)行靜電消散。例如一個(gè)撕膜的制作過(guò)程(見(jiàn)表3)，如果完全沒(méi)有靜電消除器作保護(hù)，在撕膜時(shí)間為2秒時(shí)，靜電高達(dá)1600V；如果撕膜的同時(shí)對(duì)晶片進(jìn)行靜電消除，可在3秒內(nèi)將靜電消散至30V， 從而避免了因?yàn)樗耗?dòng)作瞬間所產(chǎn)生的高靜電傷害晶片?？梢?jiàn)離子風(fēng)扇對(duì)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(guò)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(shí)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(hù)防止受靜電突然放電或電場(chǎng)沖擊，組裝臺(tái)(工作臺(tái))需使用防靜電臺(tái)墊，且接地；盛裝LED需使用防靜電元件盒；烙鐵、切腳機(jī)、錫爐(或自動(dòng)回流焊設(shè)備)均需接地。

作業(yè)過(guò)程中，盡可能避免直接觸摸發(fā)光管之管腳，取放時(shí)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(tái)、烙鐵、切腳機(jī)、錫爐(或自動(dòng)回流焊設(shè)備)之接地，必須用粗的鐵線(xiàn)引入泥土內(nèi)，在鐵線(xiàn)未端系上大鐵塊，埋入地表1米以下，各接地線(xiàn)均需與主線(xiàn)連接在一起，操作人員配戴的靜電環(huán)若有引出線(xiàn)的，亦需將引出線(xiàn)接通在埋地線(xiàn)上。半成品、成品檢測(cè)設(shè)備亦需接地。

在LED產(chǎn)品包裝時(shí)要使用防靜電包裝帶，操作時(shí)須帶上防靜電手套。

4 LED采用防靜電電路的實(shí)際效果

以上說(shuō)的都是在生產(chǎn)過(guò)程的一些措施，我們?cè)贚ED產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面也應(yīng)該采用防靜電電路(圖2)的設(shè)計(jì)思路，力求能最好的做到靜電防護(hù)。

圖2 防靜電電路Fig.2 Anti-static circuit

以下一組實(shí)驗(yàn)照片是檢測(cè)采用防靜電電路設(shè)計(jì)的實(shí)際效果。

(a)沒(méi)有采用防靜電電路設(shè)計(jì)的模組；(b)采用防靜電電路設(shè)計(jì)的模組圖3 一組實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.3 Photos of experiments

(1)實(shí)驗(yàn)過(guò)程說(shuō)明

第一步，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，將放電火花置于PCB板上空約5厘米處：(a)沒(méi)有采用防靜電電路設(shè)計(jì)的模組，(b)采用防靜電電路設(shè)計(jì)的模組沒(méi)有明顯差異；

第二步，開(kāi)始加大電流: (a)沒(méi)有采用防靜電電路設(shè)計(jì)的模組比，(b)采用防靜電電路設(shè)計(jì)的模組的火花密集；

第三步，繼續(xù)逐步加大電流：(a)沒(méi)有采用防靜電電路設(shè)計(jì)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(jì)的模組安然無(wú)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(méi)有采用防靜電電路設(shè)計(jì)的模組模板燒焦，采用防靜電電路設(shè)計(jì)的模組損害明顯小于沒(méi)有采用的。

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

采用防靜電電路設(shè)計(jì)思路做出來(lái)的產(chǎn)品在面對(duì)高電壓時(shí)，其防護(hù)性能明顯高于沒(méi)有采用防靜電電路的產(chǎn)品。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，LED防靜電技術(shù)遵循三項(xiàng)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(gè)基本方面：把靜電保護(hù)設(shè)計(jì)到元件和產(chǎn)品內(nèi)；消除產(chǎn)生靜電的材料與過(guò)程；驅(qū)散或中和靜電放電；提供對(duì)靜電放電的物理保護(hù)；檢測(cè)生產(chǎn)的過(guò)程與環(huán)境。

掌握ESD (靜電放電)防護(hù)技巧，徹底將靜電這個(gè)問(wèn)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(zhǎng)清，等.靜電放電及危害保護(hù)[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(hù)[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.