朱震宇

（南京電子器件研究所，江蘇 南京 210016）

0 引言

在微波組件的生產(chǎn)過(guò)程中，靜電放電（ESD）是導(dǎo)致產(chǎn)品失效的主要原因之一。ESD問(wèn)題的涉及面很廣，從元器件篩選、微組裝、測(cè)量、調(diào)試、篩選和考核、產(chǎn)品中間轉(zhuǎn)移以及包裝、貯藏、運(yùn)輸，一直到使用的整個(gè)過(guò)程中都可能遭受靜電放電的危害。

1 ESD概述及ESD失效類型和損傷特點(diǎn)

1.1 ESD定義

GJB/Z 105-98《電子產(chǎn)品防靜電放電控制手冊(cè)》對(duì)靜電放電的定義是：兩個(gè)具有不同靜電電位的物體，由于直接接觸或靜電場(chǎng)感應(yīng)而引起的兩物體間靜電電荷的轉(zhuǎn)移。

1.2 ESD 形成原因

靜電產(chǎn)生主要有摩擦起電和感應(yīng)起電兩種方式。

表1舉例說(shuō)明人體活動(dòng)所產(chǎn)生的靜電電壓。人體所帶的靜電電壓與環(huán)境相對(duì)濕度有關(guān)，也和人體電阻、人體電容有關(guān)。

表1 人體活動(dòng)產(chǎn)生的靜電電壓 [1]

1.3 靜電敏感（ESDS）元器件的分級(jí)和失效機(jī)理與特征

國(guó)軍標(biāo)GJB 1649-93《電子產(chǎn)品防靜電放電控制大綱》，把ESDS元器件分為如表2所示的3個(gè)等級(jí)。微波組件中必用的微波器件、集成電路和薄膜電阻都屬于最高級(jí)1級(jí)ESDS元器件。表3為元器件靜電放電損傷的失效機(jī)理與特征[1]。

表2 靜電敏感元器件的分級(jí)

1.4 ESD失效類型和損傷特點(diǎn)

1.4.1 ESD失效可分為突發(fā)性完全失效和潛在性延時(shí)失效兩類[2]。

a）突發(fā)性失效。它使器件的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)突然劣化，完全失去規(guī)定的功能，通常表現(xiàn)為開(kāi)路、短路或電參數(shù)嚴(yán)重漂移。如介質(zhì)層擊穿，鋁條熔斷，PN結(jié)反向漏電增大甚至穿通。對(duì)CMOS電路，可因靜電放電而觸發(fā)閂鎖效應(yīng)，器件會(huì)因過(guò)大的電流而燒毀。

微波組件產(chǎn)品中采用各種砷化鎵芯片和數(shù)字驅(qū)動(dòng)數(shù)字芯片，都是靜電敏感元件，砷化鎵功放芯片有時(shí)會(huì)在FET管芯區(qū)域發(fā)生靜電擊穿燒毀，就屬于突發(fā)性完全失效。

我們?cè)?jīng)生產(chǎn)一種星載用調(diào)制功放組件（元器件種類不超過(guò)30種），做一個(gè)篩選項(xiàng)目，進(jìn)行直流開(kāi)機(jī)狀態(tài)下高低溫連續(xù)變溫循環(huán)定時(shí)加微波信號(hào)監(jiān)測(cè)，過(guò)程中電性能指標(biāo)突然超標(biāo)。最終分析定位于1只某型號(hào)國(guó)產(chǎn)鉭電容在元器件篩選或裝配過(guò)程中受靜電損傷，高低溫連續(xù)變溫加電時(shí)失效，導(dǎo)致鉭電容擊穿，但從外觀上看不出異常。之后重新購(gòu)買一批鉭電容，再由航天808所實(shí)施二次篩選，整批產(chǎn)品更換新批次鉭電容后，重新篩選，生產(chǎn)，交付用戶裝整機(jī)后最終順利地發(fā)射入軌，工作正常。

表3 元器件靜電放電損傷的失效機(jī)理

b）潛在性延時(shí)失效。如帶電體的靜電勢(shì)或存貯的能量較低，或ESD回路中有限流電阻存在，一次ESD不足以引起器件發(fā)生突然失效，但它會(huì)在器件內(nèi)部造成一些損傷，這種損傷是積累性的，隨著ESD次數(shù)的增加，器件的損傷閾值（電壓或能量）在降低，其性能在逐漸地劣化，這類損傷被稱為潛在性失效。它降低了器件抗靜電能力。潛在性延時(shí)失效的器件，不能進(jìn)行抗靜電篩選剔除。

1.4.2 ESD損傷特點(diǎn)

器件受ESD損傷發(fā)生的部位，多半是在器件易受靜電影響的部分，如輸入回路、輸出回路和電場(chǎng)集中的邊緣處，以及結(jié)構(gòu)上的薄弱處，如細(xì)絲、薄氧化層、淺結(jié)和熱容量小的地方等。損傷特點(diǎn)有隨機(jī)性、潛伏性和復(fù)雜性[2]。

a）隨機(jī)性。從一個(gè)元件生產(chǎn)后一直到它損壞以前所有的過(guò)程都受到靜電放電的威脅，而這些靜電的產(chǎn)生也具有隨機(jī)性。

b）潛伏性。有些電子元器件受到靜電損傷后其性能并沒(méi)有明顯的下降，但多次累加放電會(huì)給器件造成內(nèi)傷而形成隱患，而且增加了器件對(duì)靜電的敏感性。

c）復(fù)雜性。有些靜電損傷現(xiàn)象難以與其它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，這是對(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。

2 ESD對(duì)微波組件的危害

2.1 微波組件所用的元器件易受ESD損害

微波組件使用ESDS元器件的品種多，數(shù)量多，關(guān)鍵元器件常采用裸芯片。一個(gè)較復(fù)雜組件的元器件品種達(dá)到30～100種，數(shù)量達(dá)到50～200只是常見(jiàn)的，其中大量使用的微波器件、集成電路和薄膜電阻屬于ESDS元器件中最低的一級(jí)。裸芯片，如微波低噪聲放大器芯片、功率放大芯片和數(shù)字電路控制芯片等，更易受靜電損傷。

2.2 微波組件ESD防護(hù)必須做到全工序過(guò)程

微波組件生產(chǎn)過(guò)程微組裝工藝復(fù)雜，工序繁多，過(guò)程中轉(zhuǎn)移次數(shù)多，時(shí)間跨度長(zhǎng)，ESD防護(hù)必須做到全過(guò)程、全工序和全場(chǎng)地。微波組件不斷向小型化、多功能方向發(fā)展，內(nèi)部布局高密度，微組裝中只能采用手工、半自動(dòng)相結(jié)合的裝配工藝，操作人員使用設(shè)備直接作用于裸芯片，產(chǎn)品在負(fù)責(zé)不同工序的裝配工人之間和過(guò)程檢驗(yàn)人員之間需要數(shù)十次的轉(zhuǎn)移交接。微組裝裝配完畢后還需要經(jīng)過(guò)測(cè)量、調(diào)試、返工換片和電篩選、環(huán)境篩選以及考核、驗(yàn)收、入庫(kù)和包裝等一系列生產(chǎn)過(guò)程。其間在不同人員和不同工作場(chǎng)所之間的轉(zhuǎn)移交接至少會(huì)達(dá)到30～50次。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程從投料到入庫(kù)至少需要2～3個(gè)月，時(shí)間跨度長(zhǎng)。而且除了靜電直接損傷效應(yīng)外，靜電有吸附效應(yīng)，如把雜質(zhì)吸附于產(chǎn)品內(nèi)部，有可能對(duì)芯片表面造成污染，如果雜質(zhì)是導(dǎo)電的可能就會(huì)造成芯片加電時(shí)短路；另外，雜質(zhì)多余物也有可能造成密封產(chǎn)品的顆粒碰撞PIND篩選或考核不能通過(guò)，這樣還要開(kāi)帽，重新清洗、鏡檢、返工。

2.3 微波組件產(chǎn)生潛伏性ESD故障后返修成本高

微波組件交付用戶裝配使用后，將再隨整機(jī)或電子艙段經(jīng)一系列的生產(chǎn)過(guò)程后最終交部隊(duì)使用。而微波組件往往是導(dǎo)彈、雷達(dá)系統(tǒng)中的核心部件，對(duì)整機(jī)的平均無(wú)故障工作時(shí)間（MTBF）影響很大。產(chǎn)生故障后各層級(jí)生產(chǎn)廠所都要作故障位置分析判斷，層層拆卸。低價(jià)值的組件可不經(jīng)返修直接換新的，高價(jià)值的必須返修，還要開(kāi)蓋，判斷故障點(diǎn)。因?yàn)閮?nèi)部布局高密度，換片時(shí)可能需要更換故障點(diǎn)芯片和周邊相關(guān)多只芯片、元件和載體等。哪怕只返修單只產(chǎn)品或幾只產(chǎn)品也要把所有的生產(chǎn)檢驗(yàn)篩選考核過(guò)程再走一遍，耗費(fèi)的人力、時(shí)間和儀表設(shè)備資源是很多的。且各層級(jí)的整機(jī)廠所的返修工作也要按類似程序走。對(duì)于星載產(chǎn)品，萬(wàn)一在空間運(yùn)行時(shí)出了故障，則根本無(wú)法維修，會(huì)造成整星或分項(xiàng)電子載荷功能失效。因此，航天部門對(duì)防靜電的管理要求和對(duì)元器件與微波組件產(chǎn)品的篩選考核是最嚴(yán)格的。

2.4 微波組件裝上整機(jī)后產(chǎn)生故障，管理責(zé)任重和關(guān)聯(lián)影響大

微波組件常常最終應(yīng)用于導(dǎo)彈、雷達(dá)和機(jī)、艦、星，很多是重點(diǎn)工程和主戰(zhàn)裝備，且裝備價(jià)值高，使用年限長(zhǎng)。對(duì)于ESD延時(shí)失效的器件，無(wú)法用篩選的方法剔除；由于無(wú)法預(yù)測(cè)其何時(shí)失效，所以這類器件的隱患極大。重點(diǎn)工程出了故障，層層要作質(zhì)量歸零或管理歸零。如果是批次性問(wèn)題，則整批次裝備返修，不僅經(jīng)濟(jì)損失大，而且涉及的責(zé)任層面廣，對(duì)部隊(duì)正常工作的影響大。

3 ESD防護(hù)措施

應(yīng)制定和實(shí)施全面有效的ESD控制方案和防護(hù)措施，且應(yīng)適用于單位內(nèi)部工作的各個(gè)方面。

3.1 設(shè)計(jì)控制

微波電路或砷化鎵放大器單片設(shè)計(jì)時(shí)采取的提高產(chǎn)品自有抗ESD閾值的防護(hù)措施，主要是在器件版圖設(shè)計(jì)時(shí)，在器件的適當(dāng)部位（如電路的輸入端、輸出端，MOSFET的柵-源間）加保護(hù)網(wǎng)絡(luò)或保護(hù)器件[3]。

例如，在放大器輸入端口和放大芯片之間的50 Ω?jìng)鬏斁€上會(huì)設(shè)有隔直電容，可以在輸入端口和隔直電容之間某處到地之間布置1根1/4工作頻段波長(zhǎng)高阻抗傳輸線，近地端串接一個(gè)KΩ級(jí)別電阻到地，既可以在制做芯片版圖或微波介質(zhì)板時(shí)做通孔到地，也可以后道裝配時(shí)鍵合金絲到地，這根高阻傳輸線會(huì)把輸入端口引入的靜電旁路到地。采用這種設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)生產(chǎn)的某型功放，通過(guò)了某航天用戶的產(chǎn)品規(guī)范中2000 V抗靜電耐壓實(shí)驗(yàn)的考核，連續(xù)多年多批次考核全都通過(guò)。

圖1 ESD保護(hù)電路原理圖

再如圖1所示，某型低噪聲放大模塊在版圖設(shè)計(jì)時(shí)就在第一級(jí)輸入端柵源之間接了一個(gè)穩(wěn)壓二級(jí)管，也很好地起到了ESD保護(hù)效果[2]。

3.2 工作環(huán)境

3.2.1 明確設(shè)立ESD保護(hù)工作區(qū)

裝配、調(diào)試和設(shè)備的使用場(chǎng)所應(yīng)有明確標(biāo)識(shí)的防靜電保護(hù)工作區(qū)。ESD保護(hù)區(qū)的提醒告示應(yīng)貼在工作人員進(jìn)入ESD保護(hù)區(qū)之前可清楚地看到的地方。應(yīng)該只限完成了相應(yīng)的ESD培訓(xùn)的人員，才能進(jìn)入ESD保護(hù)區(qū)。

3.2.2 防靜電地面

要求防靜電地板不易產(chǎn)生靜電、不積累電荷，且能以適當(dāng)?shù)乃俾逝c大地交換電荷。所以防靜電地板材料的表面方塊電阻（方阻）在105～109 Ω，地板的接地端與大地要有適當(dāng)?shù)拇?lián)電阻以保證電荷的緩慢泄放。

3.2.3 防靜電工位

ESDS器件應(yīng)在防靜電工作臺(tái)上操作。臺(tái)面鋪設(shè)用靜電耗散材料制作的防靜電橡膠，綠色面為防靜電產(chǎn)生層，電阻較大，表面電阻為108～1010 Ω；黑色面的電阻較小，表面電阻為104～106 Ω，與綠色面良好地連接，可保妥善地接地，起靜電屏蔽和泄放作用。圖2是防靜電工作區(qū)域靜電防護(hù)立體展示，圖3是防靜電工作臺(tái)電連接原理[1]。

圖2 防靜電工作區(qū)域靜電防護(hù)立體展示

圖3 防靜電工作臺(tái)電連接原理

3.2.4 防靜電接地

將帶靜電物體或有可能產(chǎn)生靜電的物體（非絕緣體）通過(guò)導(dǎo)靜電體與大地構(gòu)成電氣回路的接地叫做靜電接地。靜電接地電阻一般要求不大于10 Ω。原則上，環(huán)境內(nèi)的金屬導(dǎo)體均應(yīng)進(jìn)行防靜電接地，需要接地的范圍包括加工、檢測(cè)、返修和試驗(yàn)、儲(chǔ)存以及周轉(zhuǎn)裝置、工具、設(shè)備和器具等。微波組件生產(chǎn)中防靜電接地不能用避雷接地、電氣保護(hù)接地替代。工作間使用的地線可使用寬約50 mm、厚4～5 mm的銅板條及熔焊在銅板上的引出線組成。

3.2.5 濕度

將環(huán)境濕度控制在適當(dāng)?shù)乃缴希诤芏嗲闆r下成為控制靜電發(fā)生的有效措施。工作間空氣中水分低會(huì)使絕緣材料表面（如儀器表面的絕緣防護(hù)層）的電荷難以釋放，造成電荷積累。靜電防護(hù)區(qū)的相對(duì)濕度應(yīng)控制在40%以上。必要時(shí)可進(jìn)行人工加濕，增加環(huán)境濕度，則積蓄的靜電荷可以加快泄漏。

3.3 防護(hù)設(shè)施

3.3.1 防靜電放電柱或ESD門禁

進(jìn)入ESD保護(hù)工作區(qū)之前，人員應(yīng)接觸設(shè)立在門口防靜電放電柱以釋放身體靜電。條件許可的情況下可以設(shè)立ESD門禁，通過(guò)ESD檢測(cè)合格者才能進(jìn)入工作區(qū)，同時(shí)利用門禁卡進(jìn)行身份識(shí)別和登記。

3.3.2 防靜電烙鐵

應(yīng)使用防靜電電烙鐵，使用烙鐵工作溫度和接地電阻測(cè)試儀，非專職電裝操作人員不得使用烙鐵對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行任何操作。焊接靜電高度敏感的器件或是在系統(tǒng)上更換器件時(shí)，最好在焊接的瞬間將烙鐵斷電。

3.3.3 使用防靜電外殼的電動(dòng)起子

如奇力速公司的部分電動(dòng)起子防靜電外殼是將導(dǎo)電材料加入塑料中，讓外殼可以跟接地線接在一起，即使外殼有靜電殘留，也會(huì)經(jīng)由地線導(dǎo)回大地。

3.3.4 防靜電器具

靜電防護(hù)區(qū)內(nèi)的各種容器和工具、夾具等應(yīng)避免使用易產(chǎn)生靜電的材料，主要指普通塑料制品和橡膠制品。工作中使用的文件資料不要用塑料制品和橡膠制品，可以從專業(yè)防靜電材料和設(shè)備供應(yīng)商處采購(gòu)防靜電周轉(zhuǎn)箱、防靜電運(yùn)輸車、防靜電印制板架、防靜電鑷子和其它防靜電器具。

3.3.5 防靜電檢測(cè)工具

應(yīng)該配備和定期使用如下檢測(cè)工具進(jìn)行防靜電檢測(cè)，包括手腕靜電測(cè)試儀、烙鐵工作溫度和接地電阻測(cè)試儀、表面阻抗測(cè)試儀和空間靜電電位測(cè)試儀、人體泄漏電阻檢測(cè)器。

3.4 員工

3.4.1 員工培訓(xùn)

人員培訓(xùn)對(duì)ESD控制方案的執(zhí)行至關(guān)重要。相關(guān)人員應(yīng)通過(guò)靜電知識(shí)和有關(guān)技術(shù)的培訓(xùn)與考核后上崗工作。對(duì)設(shè)計(jì)人員，要求掌握產(chǎn)品防靜電分類和標(biāo)準(zhǔn)、所有元器件對(duì)靜電放電的敏感性、靜電失效機(jī)理和ESD保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用；對(duì)管理人員，主要要求了解防護(hù)材料的分類、防護(hù)設(shè)備種類及功能；而庫(kù)房和營(yíng)銷人員，則應(yīng)掌握有關(guān)對(duì)靜電敏感產(chǎn)品的包裝、運(yùn)輸和儲(chǔ)存的特殊要求[4]。應(yīng)使所有的人員都認(rèn)識(shí)到ESD預(yù)防是一種有價(jià)值的、需持續(xù)進(jìn)行的努力，并持續(xù)致力于ESD預(yù)防的工作。

3.4.2 正確使用防靜電工作服、工作鞋和防靜電腕帶

在靜電防護(hù)區(qū)工作或者接觸靜電敏感器件的操作者應(yīng)穿防靜電工作服，戴防靜電手套和帽子，穿防靜電工作鞋。

防靜電服，采用特殊合成纖維織成布料，一般情況下揉搓磨擦不會(huì)產(chǎn)生靜電。大量采用各種芯片的微波組件生產(chǎn)測(cè)試區(qū)推薦使用連體式防靜電服。禁止穿化纖和羊毛的衣服以及橡膠底或塑料底的鞋子。防靜電手套則起防止靜電產(chǎn)生，隔離手與產(chǎn)品（絕緣），防止汗?jié)n污染產(chǎn)品等多重作用。操作者要帶防靜電腕帶。腕帶要通過(guò)一個(gè)250 kΩ～1 MΩ的電阻接地，其目的是使靜電荷緩慢地釋放，也是為了保護(hù)人體的安全。可在手腕帶上裝在線監(jiān)控器，實(shí)時(shí)監(jiān)控其是否有效。

3.4.3 操作者動(dòng)作規(guī)范

凡接觸ESDS器件的人員，包括生產(chǎn)、裝配、測(cè)量和調(diào)試以及倉(cāng)庫(kù)保管、發(fā)放等工作人員，均應(yīng)避免可能造成靜電損傷的操作。

操作者應(yīng)避免在工作時(shí)穿脫衣服、鞋帽，避免撓頭、搓手等易產(chǎn)生靜電的動(dòng)作。

在器件安裝時(shí)，盡可能地在最后工序中插入器件；拿器件時(shí)，應(yīng)僅接觸管殼，盡量不要碰器件的外引線；操作者在操作前或站起來(lái)走動(dòng)后，要先用手接觸防靜電工作臺(tái)或金屬接地線，然后再進(jìn)行工作。

在加電情況下，不要將集成電路插入管座或拔出管座；在切斷電源的情況下，不得加輸入信號(hào)到輸入端；不要將超過(guò)電源電壓值的電壓加到輸入端；將器件不用的輸入端接地。

最好不使用萬(wàn)用表檢測(cè)ESDS器件的引線端，或在檢測(cè)之前將表筆頭先接觸一下地線。

3.5 物品存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移過(guò)程中的靜電防護(hù)

3.5.1 運(yùn)送與傳遞

ESDS器件（包括裝有ESDS器件的電路板）和組件產(chǎn)品必須裝入防靜電包裝盒或包箱內(nèi)才能裝運(yùn)。這種包裝應(yīng)使得運(yùn)送器件時(shí)，不會(huì)因震動(dòng)或摩擦而產(chǎn)生靜電。在運(yùn)送時(shí)，盒子內(nèi)部盡量裝滿不加整理的器件。不要將器件堆放在一起，器件相互間不要接觸。在運(yùn)送或傳輸時(shí)，還要盡量減少機(jī)械振動(dòng)和沖擊。

3.5.2 包裝

ESDS器件和產(chǎn)品的包裝應(yīng)滿足以下要求：1）能防止靜電的產(chǎn)生和積累；2）使器件的所有管腳短路；3）對(duì)外電場(chǎng)有屏蔽作用。不要用尼龍袋、普通塑料袋或發(fā)泡苯乙烯材料進(jìn)行包裝[4]。

ESDS器件在使用前不允許隨意拆除器件的防靜電包裝。裝配前不要過(guò)早地將器件從防靜電包裝盒中取出。

紅色塑料袋與紅色泡沫時(shí)效期較短，不宜在陽(yáng)光下曬，黑色防靜電箱時(shí)效期5年，裝IC塑料管也有時(shí)效性。

圖4 實(shí)際使用的一些防靜電轉(zhuǎn)移與包裝器具

3.5.3 標(biāo)識(shí)

ESDS器件和產(chǎn)品應(yīng)采用規(guī)定符號(hào)作為標(biāo)志。ESD包裝標(biāo)識(shí)應(yīng)按顧客合同、采購(gòu)要求、圖紙或其它文件要求進(jìn)行。靜電敏感標(biāo)志應(yīng)標(biāo)志在所有裝有ESDS器件和產(chǎn)品的包裝箱上，并應(yīng)盡可能地標(biāo)在器件的外殼上。

4 結(jié)束語(yǔ)

用戶要求微波組件具有良好的可靠性，但由于產(chǎn)品集成化程度越來(lái)越高，對(duì)靜電越來(lái)越敏感，造成ESD而成為影響微波組件質(zhì)量可靠性的主要原因之一。

相關(guān)管理者必須對(duì)ESD防護(hù)給予足夠的重視，將靜電控制的技術(shù)原理和質(zhì)量管理的基礎(chǔ)思想結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)基本原則框架，要有相應(yīng)的資金投入保障，完成良好的硬件配置，設(shè)立職責(zé)清晰的管理制度，然后通過(guò)實(shí)施細(xì)則和檢查監(jiān)督機(jī)制來(lái)保障龐雜的技術(shù)要求落到每一個(gè)細(xì)處，盡可能地減小靜電損失。

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