理解包裝術語，懂得特定情況下包裝的使用是實施和保持有效的ESD控制體系的關鍵。
摘要

本文描述了ESD防護包裝及工作表面使用材料必須考慮的基本技術問題。這些基本原理可用于傳統的包裝材料如紙箱、包裝袋和周轉箱，也可以用于暫時性包裝材料，如制造過程中的周轉包裝袋。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。

重要術語的理解

以下術語是理解ESD材料和進行包裝設計的基礎：

•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。按照靜電協會（ESDA）和電子工業聯合會（EIA）的定義，其表面電阻在105 ~1012 Ω/sq之間。抗靜電材料和靜電耗散材料可直接用于多數充電和放電失效過程中防護，甚至包括了自動生產線。當然在使用當中須經過簡單的測試。不過，這并不時說它們是萬能的，有時我們也需要使用導靜電材料。
•導靜電材料（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，比如，許多材料既是抗靜電材料又是靜電耗散材料；很多時候通常導電材料與一些絕緣材料也會產生靜電，但這些材料不能視為抗靜電材料。

要清楚材料的區別，懂得在它們在什么情況下的應用，對于實施和保持有效的ESD控制體系非常關鍵，同時也是正確評價防靜電材料供應商產品有效性的關鍵因素。這些材料特性不能對正常的生產過程造成影響。此外，耐磨損性，熱穩定性，污染的影響以及其他很多其他特性也應當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生靜電，這是因為物體接觸時，會發生電荷（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最小化。不過，因為摩擦起電取決于相互作用的兩種物質或物體，所以單獨說某種材料是抗靜電的并不準確。

準確的說法應該是，該種材料對另一種材料來講是抗靜電的。實際當中，所指其他材料既有絕緣材料，如印刷線路板（PWB）環氧樹脂基材，也有導電材料，如PWB 上的銅帶。它們在某些過程及取放當中都可能帶電。

多數商用抗靜電材料是對生產過程中的多數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理還不得而知。然而，研究發現，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。實際應用同樣也是，抗靜電劑的效果受環境濕度的影響很大。此外，抗靜電劑也可減少摩擦力，有利于減少摩擦電壓。

因為抗靜電劑具有一定的導電性能，所以在適當濕度的條件下，它們能夠通過耗散來泄放靜電。但在實際當中，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最主要的指標。但是，抗靜電材料更重要的功能應當是其在沒有接地的狀態下減少靜電產生的功能，而不是導電性。

靜電耗散材料及使用

很多時候靜電的產生不可避免，因此安全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來講是適當的，這類器件會因熱熔導致失效。

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指標是靜電衰減率。按照孤立導體靜電衰減模型，靜電衰減周期與其泄放電路的電阻與電容乘積（RC）成指數關系：

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。

研究靜電泄放能力，典型的假設是，在特定的時間內，如2秒內，將靜電電壓衰減到一個特定的百分比，如1%。對一個盛放PWB的周轉箱來說，其電容大約為50 pF，這時其電阻應為：




這個數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，在靜電衰減測試當中要予以控制和記錄。

導靜電材料的特性和使用

表面電阻率小于1 X 105Ω/sq的材料被定義為導靜電材料。導靜電材料可以將導靜電材料或靜電耗散材料上的靜電轉移到自身的表面。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。

要想達到分流的目的，須保證兩點：第一，在快速放電中保持等電位。這一限制與材料的電感有關。測試實驗中發現，8000V的脈沖電壓能將放在導靜電泡沫材料中的，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，對器件引腳進行分流保護在工廠生產環境中已經足夠，但是有證據表明，分流保護仍然不能排除可能的損傷。最近公布的一些實驗數據證明了這一點。

第二，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，此時器件引腳上的ESD會在電流流過分流導電材料形成的等電位連接之前就損傷了器件。

很少有實例表明，器件會對純粹的靜電場敏感。實際當中，使用導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，因為它們金屬尖端結構中有微小的空氣間隙（這種結構會讓靜電場增強）。此外，非連續型金屬氧化物半導體（MOS）器件在有非常長的天線引入線接觸器件時，由于場強影響放大，也會被靜電場損壞。

典型的導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是導靜電材料和靜電耗散材料的界限值，它并不是提供CDM保護的下限值。這一點，在只有10–104 Ω/sq導電材料可以選擇時非常有用。使用導靜電材料會導致CDM損傷的風險增加。

幾種典型的包裝應用

卷盤包裝.SMT的普及讓卷盤成為集成電路（IC）取放方式的首選包裝。因為卷盤能夠大幅度提高生產能力，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，

卷盤包裝最早用于分立型被動器件，如片式電阻的包裝，因為這些器件通常不是ESD敏感器件。早期的卷盤包裝不是防靜電的，結果，在將卷盤覆蓋層從載帶剝離時經常會產生超過10000V的靜電。此時片狀器件甚至會受靜電引力在載帶上直立起來，這對自動化的生產過程有極大的危害。這一點要求卷盤生產中與IC相接觸的材料必須使用安全的材料。因為會增加器件的潛在損傷緣故，我們努力尋找合適的材料來解決這一問題。有一點是明確的，卷盤材料對器件產生的靜電比包裝管對器件產生的靜電確實要高，盡管在它們的廣告上說是ESD安全的，或者說是按照EIA541之類標準制作的。

材料
典型的靜電壓（V）
典型情況下的靜電量（nc）

包裝管
0
0.005

導電覆蓋帶
50
0.725

耗散覆蓋帶
50
0.611

絕緣覆蓋帶
8000
1.020



表1 器件在包裝管和不同材料的卷盤包裝中產生的靜電。


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，仍會產生超出預料的高靜電壓。

除此之外，另外一點需要注意的是，載帶材料的導電性過強，還可能會導致場感應的CDM失效。其原因是，當時沒有能與典型的抗靜電材料相匹配的粘膠。

導電材料載帶的這種缺陷在CDM敏感器件（150V）的一系列實驗中可以得到證實。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，以模擬器件的運輸和取放過程，然后測試其是否失效。結果顯示，器件中有相當大的數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驗，卻沒有出現電性能的下降。圖1是實驗結果的匯總。



圖1 不同材料載帶振動后1-µA漏電電流下擊穿電壓


防靜電包裝袋.對于屏蔽袋的使用，在ESD行業曾經有許多誤區。這些誤區主要與早期的靜電場敏感器件有關。盡管在ESD保護環境中，很難發生無保護的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（三層結構）
6500–8000
5000–6000





表2 各類ESD包裝袋所能提供器件保護電壓


現在這些觀點已經基本被摒棄了，但是許多產業仍然保留著使用屏蔽袋的要求。盡管器件會因感應帶電，這取決于其在電場中停留的時間，而屏蔽層確實可以減少感應的影響，但這些屏蔽層既不是唯一的解決辦法，也不是最佳的解決辦法。表2是幾種包裝抗靜電能力的測試結果。其實驗基本方法是，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。數值指示的是器件在袋中被損壞時施加電壓。

這些數據表明，在一個常規的ESD控制條件下的環境中，如電子產品生產車間，表中所列的任何一種材料都可以使用。此環境的靜電壓完全可以保持在2500V以下，低于最小的靜電損傷電壓。

屏蔽包裝袋在使用后效果會大大減弱，因為折疊或彎曲都會造成金屬層穿孔和破裂。因此，包裝袋或盒最重要的特性是它們的抗靜電性、靜電耗散性以及物理保護性能。表2的數據還說明，屏蔽包裝袋不是解決電子產品在非控制環境中取放的最理想的材料。相比之下，剛性材料的包裝可以提供適當的空隙，對器件的ESD保護和物理保護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

導電和屏蔽材料多數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最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算：


從式中可以看到，剛性結構的包裝管會有空隙間距，有助于減少VD。盡管Unger對此有不同認識，一般認為VD/VS的比值通常為1：50。以此計算，在這種結構下，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。從這一點講，除非器件極端敏感或包裝放在很高的靜電場中，導電材料或金屬材料的IC包裝管完全沒有必要。事實上，Unger的研究表明，導電材料的包裝管更容易將電荷傳導到器件上，因為它們允許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


周轉箱：多數的周轉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導電材料的桌面上泄。圖4是存放線路板的耗散材料周轉箱的示意圖，其外側及周邊周轉箱的電荷可能無法通過接地消除，但箱子的結構及線路板的方位可以讓其與這些靜電源的耦合最小：



圖4 印刷線路板（PCBA）與周轉箱的底面的耦合（Cb），以及與平行面的耦合（Ce）示意


從平行電容模型來看，周轉箱與線路板接觸的部分與后者垂直，能夠將電容降低到最小，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。

這種結構能夠提供的保護很難量化。相比線路板放水平面靜電源上的耦合，這種結構通常情況下能夠讓其耦合減少一半。因為箱體經常需要進行滑動，而其摩擦所產生的靜電會在表面停留，從這一點來說，圖4是方式是可以接受的。

發泡包裝與（屏蔽）包裝袋：使用剛性或半剛性包裝材料時，能夠在運輸和取放時讓器件與外界保持適當的空隙，這些空隙可以讓包裝在不使用導電材料的前提下，提供物理性保護的同時減少場強的影響。我們所看到的多數對屏蔽研究的文獻，是假設包裝袋處于極端惡劣的環境下，周圍的靜電源高達15,000-35,000 V，得出的結論，實際在通常的情況下，剛性包裝與其他的包裝結合使用已經足夠減少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，但實際上理想的效果很難達到。這是因為：首先，沒有任何技術能夠保證萬無一失。抗靜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

3.器件在靠近表面帶靜電物體的附近時處于接地狀態（CDM）
空氣離子化處理
使用靜電耗散材料

B
1. 由于運動讓絕緣材料的器件包裝產生靜電。
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(CDM)
使用靜電耗散材料

C
1.由于人的活動產生靜電
手腕帶接地。

2.人體帶電
使用導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。兩個表面間的運動產生靜電，敏感器件被放置在其電場中，而器件隨后又進行了接地。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，唯一的去除方法就是使用空氣離子化。操作3問題是導致失效操作，唯一可行的保護辦法就是避免導體接觸放電的器件，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，這是因為離散電阻會產生寄生電容，它允許高頻大電流，導致典型的CDM的靜電損傷。

情況A和B由運動所導致，生產中經常會在器件的操作當中產生。我們所熟知的人為因素在這并不是ESD損傷的關鍵因素，而這些情況才是最大的靜電損傷隱患，因為在生產過程中，它們會持續產生靜電。

情況C。相比而言，在生產車間，人員接地容易做到，HBM風險會越來越少。但是，即便是在檢查非常嚴密時，也偶爾會有操作員工不正確地使用手腕帶，導致其失去作用的情況出現，因而，包裝必須提供附加的保護。這種保護在缺少保護的工廠外，如線路板維修和保養環境下顯得更為重要。情況C描述的是帶電人體對器件的影響，以及包裝防護的措施。要防止情況C的出現，就要從原理上消除靜電，但這很少能做到。多數的抗靜電地墊是靜電耗散材料或靜電導電材料的。對于操作2的情況，實際上的做法是使用手腕帶，或將人體靜電泄放掉。另一個選擇是使用房間系統的空氣離子化，但成本高昂，且不能完全解決問題，因而很少使用。操作3的情況是將電荷傳遞給器件，可能是由于將器件或線路板從包裝袋中拿出，或直接接觸包裝所導致。假如此時未出現器件電解質擊穿，有兩個要求避免出現問題：即要適當增加與靜電源間的絕緣程度，避免快速放電，又要提供充分的靜電耗散導電性，讓靜電源靠近時，包裝表面的放電緩慢。

多數抗靜電的靜電耗散包裝袋材料能夠提供充分的保護，但對于高敏感器件（敏感電壓低于100V）來說，還需要更多的考慮。使用剛性材料能夠確保有效的空氣間距，減小與外界靜電源的耦合，提供充分的附加保護。

理解和掌握ESD防護措施重要性和效果的各種觀點還有一個益處就是，能夠就防靜電用品廠商對其產品和材料所稱的功能和技術指標進行評估判斷。在面對必須使用導電材料的斷言時，以下幾點可能是你必須注意的：

•器件在靜電場中由于電介質擊穿所造成的簡單失效比ESD失效少得多。
•靜電場可以通過運用空氣間隙減少耦合電容的方式減小。
•能夠擊穿靜電耗散材料包裝袋的電壓可能不會低于5000V。
•多數有關屏蔽效果的研究所顯示的結果是極端惡劣環境下的情況。
•增強周邊環境的導電性會增加器件CDM損傷的可能性，過強的導電性是不必的。
•在只有HBM數據的前提下，對多數的敏感器件使用導電材料不是理性的做法。這是因為器件耐受的靜電壓要比得到的數據高很多（因為HBM測試時，器件是直接接地狀態的）。HBM數據與介質擊穿的敏感度不相關，是否選用屏蔽包裝進行ESD保護要看CDM數據。
• 大量實踐表明，線路板不使用屏蔽材料，同樣能得到有效的ESD保護。