电子产品防静电包装设计

丁毅

(陕西科技大学,陕西咸阳　712081)

[摘要] 　论述了静电放电( ESD) 的危害及静电产生原因,电子产品包装过程中静电的来源,如何去解决电子产品生产、装配、包装环节中的静电,以及防静电包装设计。

关键词: 电子产品;静电放电;防静电包装设计　　

静电对电子行业的影响在20 世纪60 年代以后开始普遍存在。此后,随着对静电非常敏感的MOS 器件的出现,静电问题也出现了, 70 年代静电问题越来越严重。到80～90 年代,随着集成电路的密度越来越大,其二氧化硅膜的厚度越来越薄,承受静电电压能力越来越低,而且产生和积累静电的材料如塑料、橡胶的大量使用,使得静电影响越来越严重。近年来,美国电子行业因静电损坏而造成的直接损失高达每年200亿美元,而潜在损失更是不可估量。

1 　产生静电及对电子产品的破坏原因

静电产生主要来自4 个方面:与其他物质的接触与分离、电荷释放、接收外来电荷、物质内部电荷的位移以及偶极子取向和固定。

静电对电子产品的破坏表现也有4 个方面: 静电吸附灰尘,降低元件绝缘电阻,缩短寿命; 静电放电破坏,使元件受损不能工作; 静电放电电场或电流产生的热使元件受损; 静电放电产生幅度很大,频谱极宽(从几十兆到几千兆,达几百伏/米) 的电磁场使电子产品受电磁干扰损坏。

想完全控制静电是十分困难的,这是由于静电对电子产品的损坏具有隐蔽的、潜在的、随机的、复杂的特点。例如,产生可以听见“嘀哒”一声的放电需要累积大约2000 伏的相当较大的电荷,而3000 伏才可以产生人体小感觉的电击,5000 伏才可以看见火花。人体在干燥的季节里活动可以产生几千伏乃至数万伏,然而大部分敏感的电子元件仅能承受几百伏的静电压[ 1 ] 。

2 　实例

下面用电子产品经常遇到的一些事例说明防静电的困难。例如:如果带有足够高电荷的电气绝缘的导体(螺丝起子)靠近有相反电势的集成电路( IC) 时,电荷“跨接”,引起静电放电( ESD) 。

ESD 以极高的强度很迅速地发生,通常将产生足够的热量熔化半导体芯片的内部电路,在电子显微镜下的外表向外吹出的小子弹孔,引起即时的和不可逆转的损坏。而且ESD 有可能产生出幅度很大频谱极宽的电磁波使周边电子器件失效。

更加严重的是,这种危害只有10 %的情况能引起元件失效。其它90 %的情况,ESD 损坏只引起部分的降级,这意味着损坏的元件可毫无察觉地通过最后测试,商品到顾客手中之后出现过早的现场失效,直接影响了厂商与客户的信誉。

静电对电子产品的影响贯穿于产品的整个生命周期, 例如:印刷电路版的工艺过程(即收货、验收、储存、插入、焊接、验管、包装、出货) 静电产生主要表现于:

a. 印刷电路板时,包装机在包装过程中,塑料薄膜从膜卷上拉开时会产生静电,薄膜牵引过程中,与牵引带,磙子,制袋管等的摩擦产生静电;

b. 包装过程中人工操作时的人体( 人体本身就是一个巨大的静电源体) ;

c. 产品运输时,将经受反复的震动,包装材料摩擦起电;

d. 运输与储运环境中,来自外界的强电场、强磁场。

3 　应采取的方法

目前解决上a 和b 的办法主要是:使用不产生静电的包装材料( 即使用电阻较低的材料, 增加静电的耗散, 减少静电积累,从而防止静电在材料表面积累到可以危害的程度) 。操作工人要求正确穿戴防静电服装,地面使用导电的地板,机器接地,通过这些措施可以防止90 %的静电。但是在操作台,包装机等的绝缘体上还残留10 %的静电,它不能通过接地去解决,目前最有效的办法是使用离子发生器,安装在工作区域上方,吹出离子化空气流,中和在绝缘体上的任何电荷,离子发生器选用可根据工作区域的大小选用桌面型或过顶型。

解决上c、d 主要通过使用良好的防静电性能的包装材料来解决,例如使用防静电屏蔽材料作为电子产品的内包装,现在已开发了许多改良的适于各种用途的塑料复合材料,即廉价又满足防静电的功能要求。

目前的防静电包装材料分为6 类:

a. 填充型防静电包装材料。往塑料中添加粉末状、鳞片状或纤维状的导电填料来降低材料的电阻系数,提高材料的静电耗散率。目前导电填料主要有5 种系列:金属系列、金属氧化物系列、金属化纤维系列、有机高分子系列。

b. 镀层型防静电包装材料。采用电镀、化学镀、物理气相沉积(PVD) 、化学气相沉积(CVD) 、热喷镀(涂) 等工艺方法在高分子材料表面形成一层导电的金属镀层。

c. 表面改进型防静电包装材料。塑料材料在进行接枝共聚时,先用射线对单体混合物进行辐照处理,可以使共聚物获得良好的防静电性能。

如近年用β射线辐照聚酰胺后再接枝到聚乙烯或聚丙烯上,用r 射线辐照聚酰胺后再接枝上甲基丙烯酸,都可使他们的抗静电性能显著提高。在加热的同时用60Co 源的r 射线辐照下,用丙烯酸、丙烯酰胺,乙烯基- 3 - 乙氧基硅烷及它们的混合物接枝到聚四氟乙烯上,制成的塑料薄膜具有明显的抗静电效果。

用电子束、激光对高分子材料进行处理,也可以获得优良的防静电功能。美国用电子束处理过的包装袋已上市销售,它可与抗静电剂型和碳黑填充型防静电材料媲美,而且其耐久性好,没有腐蚀,没有污染,性能优良。

d. 结构型导电高分子材料。又叫本征型导电高分子材料,这是一种新型高分子材料。它们通过自身化学结构的作用,使其有与金属自由电子同样作用的π电子的分子结构,电子运动经过π共轭系而呈现导电性,再通过化学方法进行掺杂( 如掺碘,五氟化砷,五氟化硼) 以增加其导电能力。

e. 静电剂处理型。在塑料薄膜中加入某种化学药物( 抗静电剂) 来抑制或消除静电,常用的抗静电剂有羟胺化合物,羟已基脂肪胺非离子化合物,这类物质均融于水,加入到塑料薄膜终会完全迁移到其表面,并形成促使电荷放电的水溶液导电层( 即起霜) ,增加表面导电能力,使静电易于释放。

但是抗静电剂属于化学物质,如果他们用于食品包装,与食品长期接触会产生一些不利因素,因而它大部用于农药、兽药等非食品类物品的包装。

f . 涂层型。在材料外部涂敷和添加抗静电剂的方法制成涂布、塑料等该种材料防静电效果比较好,但是包装工艺非常复杂,材料来源困难、价格昂贵、易脱落、缺损,限制了其应用。

4 　防静电包装应注意的问题

测量材料的防静电性能通常用电阻、电导率、体积电导率、表面电阻率、电荷(或电压) 半衰期、静电电容、静电常数等,但是最常用、最可靠的还是电阻及电阻率。国际电工委员会( IEC) 根据产品的静电敏感度和性能要求的高低,将静电包装分为3 个等级,静电屏蔽包装,要求包装材料的体电阻率ρ_v <10²Ω. cm;静电导电型包装,其体电阻率ρ_v < 10⁴Ω. cm;静电逸散型包装,其体电阻率ρv < 10⁴～10¹¹Ω. cm。

一般而言,包装材料的电阻越低,其静电电容越低,静电衰减时间越短,防静电性能越佳。

在设计电子产品包装时为了充分利用材料性能,应选择适当的包装材料,以免造成过分包装增加成本,或包装不够造成元器件损伤,在满足防静电的要求的同时,尽量可以考虑外表美观的包装材料,提高产品的外观等级。

由于电子产品受静电的影响越来越普遍,而现在电子产品巨量使用,使得近年来防静电包装材料发展极为迅速,防静电包装的推广应用程度和用量多寡,已与一个国家的电气化程度密切联系了起来。在此方面,日本、德国、美国等的研制、生产和市场均处于世界领先地位。根据美国的调查报告,近年来美国的防静电聚合物材料发展较为迅速,1987 年美国导电聚合物销售总额为17000 万美元,到2000 年已增加到85000 万美元;1987 年导电制品消耗相对总计2 万吨,1990 年达5. 67 万吨;其中用于防静电包装的聚合物销售额1988 年为8500 万美元,2000 年达25000 万美元。

在防静电包装研究上,我国虽然与国外还存在一定差距,但是通过近年来的努力业已取得了长足的进步,某些方面也已达到了国际先进水平。

摘自《包装工程》