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ESD包装选用的技术考虑（中）

2016-06-04

【提要】 本文描述了ESD防护包装及工作表面使用材料必须考虑的基本技术问题。这些基本原理可用于传统的包装材料如纸箱、包装袋和周转箱，也可以用于暂时性包装材料，如制造过程中的周转包装袋。这些原理同样也可以用于器件在组装过程中可能接触到的工作台台面和传送带。

几种典型的包装应用
卷盘包装
SMT的普及让卷盘成为集成电路（IC）取放方式的首选包装。因为卷盘能够大幅度提高生产能力，并能减少操作人为影响，这种包装方式很大程度上取代了IC包装管。然而，卷盘包装最早用于分立型被动器件，如片式电阻的包装，因为这些器件通常不是ESD敏感器件。早期的卷盘包装不是防静电的，结果，在将卷盘覆盖层从载带剥离时经常会产生超过10000V的静电。此时片状器件甚至会受静电引力在载带上直立起来，这对自动化的生产过程有极大的危害。这一点要求卷盘生产中与IC相接触的材料必须使用安全的材料。因为会增加器件的潜在损伤缘故，我们努力寻找合适的材料来解决这一问题。有一点是明确的，卷盘材料对器件产生的静电比包装管对器件产生的静电确实要高，尽管在它们的广告上说是ESD安全的，或者说是按照EIA541之类标准制作的。
一些卷盘带上的确使用了抗静电材料，但这些材料仅仅是在外面的非粘贴层，粘贴面与器件接触后，仍会产生超出预料的高静电压。
除此之外，另外一点需要注意的是，载带材料的导电性过强，还可能会导致场感应的CDM失效。其原因是，当时没有能与典型的抗静电材料相匹配的粘胶。
导电材料载带的这种缺陷在CDM敏感器件（150V）的一系列实验中可以得到证实。将敏感器件装入表面电阻率为1~100 Ω/sq材料的载带，做振动试验，以模拟器件的运输和取放过程，然后测试其是否失效。结果显示，器件中有相当大的数量击穿电压等电性能显著下降；相反，使用104 Ω/sq载带和绝缘材料的覆盖带做同样的实验，却没有出现电性能的下降。图1是实验结果的汇总。
防静电包装袋
对于屏蔽袋的使用，在ESD行业曾经有许多误区。这些误区主要与早期的静电场敏感器件有关。尽管在ESD保护环境中，很难发生无保护的MOSFET的器件失效，但是人们还是普遍相信这些器件会在静电场中损坏。
材料
典型的静电压（V）
典型情况下的静电量（nc）
包装管
0
0.005
导电覆盖带
50
0.725
耗散覆盖带
50
0.611
绝缘覆盖带
8000
1.020
表1 器件在包装管和不同材料的卷盘包装中产生的静电。
现在这些观点已经基本被摒弃了，但是许多产业仍然保留着使用屏蔽袋的要求。尽管器件会因感应带电，这取决于其在电场中停留的时间，而屏蔽层确实可以减少感应的影响，但这些屏蔽层既不是唯一的解决办法，也不是最佳的解决办法。表2是几种包装抗静电能力的测试结果。其实验基本方法是，将HBM敏感度200V的敏感器件或同等电压敏感度的探头放在包装袋中，再使用HBM模拟器放电测试其静电破坏情况。数值指示的是器件在袋中被损坏时施加电压。
这些数据表明，在一个常规的ESD控制条件下的环境中，如电子产品生产车间，表中所列的任何一种材料都可以使用。此环境的静电压完全可以保持在2500V以下，低于最小的静电损伤电压。
屏蔽包装袋在使用后效果会大大减弱，因为折叠或弯曲都会造成金属层穿孔和破裂。因此，包装袋或盒最重要的特性是它们的抗静电性、静电耗散性以及物理保护性能。表2的数据还说明，屏蔽包装袋不是解决电子产品在非控制环境中取放的最理想的材料。相比之下，刚性材料的包装可以提供适当的空隙，对器件的ESD保护和物理保护都能收到较好的效果。
电容耦合和空气间隙
导电和屏蔽材料多数情况下不是必须的包装材料，其中一个原因是，器件相对于静电源的方位可以最大限度地减少其受到的影响。图2中所列示的材料都能够通过空气间隙达到这一目的，接下来我们逐一讨论。
周转箱
多数的周转箱使用静电耗散材料制作，其表面的静电荷可以通过接地，或放置在静电耗散材料或导电材料的桌面上泄。图4是存放线路板的耗散材料周转箱的示意图，其外侧及周边周转箱的电荷可能无法通过接地消除，但箱子的结构及线路板的方位可以让其与这些静电源的耦合最小：
从平行电容模型来看，周转箱与线路板接触的部分与后者垂直，能够将电容降低到最小，因而耦合较弱，而与线路板平行的表面，由于线路板与箱面之间能保持大约为1/2英寸以上的距离，因而也能够降低其电容值，有效减少耦合。
这种结构能够提供的保护很难量化。相比线路板放水平面静电源上的耦合，这种结构通常情况下能够让其耦合减少一半。因为箱体经常需要进行滑动，而其摩擦所产生的静电会在表面停留。
发泡包装与（屏蔽）包装袋
使用刚性或半刚性包装材料时，能够在运输和取放时让器件与外界保持适当的空隙，这些空隙可以让包装在不使用导电材料的前提下，提供物理性保护的同时减少场强的影响。我们所看到的多数对屏蔽研究的文献，是假设包装袋处于极端恶劣的环境下，周围的静电源高达15,000-35,000 V，得出的结论，实际在通常的情况下，刚性包装与其他的包装结合使用已经足够减少ESD的损坏。
材料
损伤电压(V)
新包装袋
旧包装袋
导电纸板
2500
—
绝缘袋
4000
—
抗静电（粉红色聚乙烯）袋
4500
—
静电耗散袋
5000–6000
—
抗静电气泡片
4500–6500
6000
抗静电泡棉
6500
—
屏蔽包装袋（三层结构）
6500–8000
5000–6000
表2 各类ESD包装袋所能提供器件保护电压
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