Robert J. Vermillion：来自美国加利福尼亚州莫菲特菲尔德市美国国家航空航天局（NASA）埃姆斯研究中心， RMV科技集团有限责任公司；Doug Smith：来自美国加利福尼亚州洛斯加托斯市的DC Smith咨询公司。
多年来，静电放电（ESD）时的敏感器件，在分发、储存和出售过程中使用凝胶剂和黏结剂涂层包装材料是否合适的问题，半导体和航空工程师们已经给出了答案。既然这种包装类型经常用于无电离的ANSI/ESD S4.1-2006 规定的ESD敏感器件工作表面，那么问题就出现了：这种铆定组件无需特殊设计的包装或电离的做法，是否能构成保护超敏感0级 ESD器件的兼容方法？
本文作者试图分析凝胶剂和黏结剂涂层技术是否符合静电控制环境或ESD防护区（EPA)的要求。选用于测试和评估的两种产品载体类型分别是：交联凝胶聚合物填料（如图1所示）和具有静电耗散性能的涂层聚合物填料（使用时，每种都需人工使用镊子取放）。
研究背景
为了更好地了解在ANSI/ESD S4.1-2006 或者MIL-PRF-87893B-1997标准下的静电防护工作站使用不充分包装的设施有可能带来的风险，我们只需将当今的小型化技术和1969年阿波罗11号登陆月球时的技术进行比较。2011年5月，宇航员Col. Buzz Aldrin博士指出一部手持智能电话的数据处理能力比NASA的阿波罗11号上的电脑还要强。1971年的英特尔4004微处理器只有相当于2300个晶体管元件，而根据《处理器新闻》（Processor News）的报道，当今的英特尔四核安腾（Tukwila）中央处理器（CPU）晶体管的数目突破了20亿。（见参考图1）
随着科学技术的进步，从铁氧体磁芯到单个晶体管，继而又到几十亿个晶体管，这些设备的ESD敏感度也呈指数增长。20世纪80年代早期ESD敏感度为1000伏的设备已经为现在阈值低于50伏的设备所取代。在过去5年多的时间里，磁盘驱动器的GMR（巨磁阻），PMR（垂直磁阻记录），TMR（隧道磁阻）以及普遍定义为EAMR （能量辅助磁记录）的HAMR（热辅助磁记录）磁头的ESD敏感度都低于5伏。当今的人体模型（HBM）敏感度只有大约1伏。在如此低的静电耐受水平下，增强保护设备的必要性将确保设备的成品率和可靠性。
由于设备的敏感性不断增强，包装过程和材料处理应能对航空及国防、半导体、医疗设备、磁盘驱动器和汽车系统提供静电放电防护，ANSI/ESD S541-2008第7部分《静电防护包装材料性能的分类》中指出了其必须达到的要求是：用于防止敏感电子设备受到损坏的材料和包装必须具备以下性能：
l 低的电荷聚集（抗静电）
l 阻抗
– 导电性
– 损耗性
– 绝缘性
l 屏蔽
– 静电放电
– 电场
研究方法和测试结果
如前文所述，两种产品被用来评估是否适用于0级EPA的ESD工作站。产品A是交联凝胶聚合物包装填料。根据供应商的要求，产品B是不依赖下面的导电表面的具有静电耗散性能的黏结剂涂层。无论是用凝胶聚合物还是黏结剂表面涂层，都应将设备倒置或垂直放置于一个工作位置，尽量不要将设备从包装中移出。
本文中的这组ESD试验展示了符合标准的材料鉴定过程的要求。以下测试方法被用于测定包装物的ESD安全性能：
1．相对湿度为12%±3%RH时的表电阻(ANSI/ESD STM11.11)
2. 相对湿度为12%±3%RH时的体电阻(ANSI/ESD STM11.12)
3. 静电衰减；凝胶剂/黏结剂填料接地 [MIL-STD-3010B (修订版),湿度为12%±3%RH]
4. 法拉第杯测试，依据ESD ADV.11.2 标准，湿度为12%±3%RH
5. 充电和接地后，湿度为12%±3%RH时产品A和产品B填料的峰值电压
6．湿度为30%RH时，在1kV充电后，镊子直接接触ESD敏感器件时产生的接触放电
a. 电流探针：
- 有电离
- 无电离
表电阻和体电阻与相对湿度(RH)之间的关系
有人错误地认为无论是在低相对湿度还是在高相对湿度状态下进行ESD实验所得的测试结果都是相似的。在湿度独立技术下这也许是对的，但依靠湿度进行导电的材料，例如抗静电聚合物，在湿度分别是50%和12%的ESD实验中产生的数据是完全不同的。在EPA中，许多装置用来维持湿度在30%到70%RH之间。
依据ANSI/ESD STM11.11-2006和 ANSI/ESD STM11.12-2007标准的要求，产品A和产品B必须在测试前48小时保持相对湿度12%±3% RH 和温度730F±50F。图2展示的是产品A进行的表电阻测试；图3展示的是产品B的体电阻测试。表1就是产品A和产品B表电阻的测量结果。
在产品A的测试中，外表载碳的硬塑料盒在低静电耗散区间内进行测量。在上述情况下，测试产品B获得了表1所示的导电数值。这两种情况都适用于EPA中。由于部件和产品A和B的基底直接接触，载碳盒不能完全展现荷电器件放电模型（CDM）的风险。如表2所示，产品A凝胶状基底的测量结果为3.2×1012 欧姆（属于不合格），高于要求的平均<1.0×1011欧姆的阈值。但是通过测试产品B，我们发现它在静电耗散区间内，平均为4.5×105 欧姆（属于合格）。
体电阻测试的重要性在于，当被置于一个接地工作位置的顶端时，体电阻代表了包装保持接地导通的能力。在产品A上，当不锈钢镊子接触ESD敏感器件时，充电后的凝胶剂表面（尽管已接地）可能会带来ESD危害。
产品A的体电阻（如表3所示）测量的平均绝缘值为2.6×1012欧姆（属于不合格）。但产品B在2.2×106 欧姆测得静电耗散（属于合格）。
依据MIL-STD-3010B-2008（已修订）标准的静电衰减
静电衰减
这个实验方法测量的是一个充电了的单独物体静电衰减为原值十分之一的衰减率。MIL-STD-3010B规定荷电物体电压应从±5000 伏耗散到±500 伏或更低。近年来普遍使用的电压区间是±1000 伏到 ±100 伏。在MIL-PRF-81705E和前面提到的EIA-541标准中，衰减时间要求低于2秒才算合格。这个测试展现了在恰当接地的情况下材料消散感应电压的能力。衰减测试对于构造复杂的材料很难实施，比如ESD旋绕泡沫，吸尘器状的聚合物和可能小于测试仪器测量夹具范围的小物件。
产品A的测试持续3秒钟后停止（见图4a的左边），而产品B（见图4a的右边）通过接地的聚合填料和充电板顶部的碳盒加快了静电衰减。甚至在接地5秒钟之后，产品A的凝胶性填料基底都没有释放电荷（见图4b），板极电压分别保持在1023.8 伏和 -1023.6伏。值得提醒的是当充电板电压达到±1000 伏时，衰减计时器就开始工作。产品A的特性是表6中重叠部分，超过了低于2秒钟的限制，但产品B的特性如表6所示，是合格的。
法拉第杯（Q = CV），依据ESD ADV.11.2 标准
在相对湿度12%±3%RH的室内环境预先处理48小时之后，将产品A和B放在使其电压低于10伏的离子发生器下。在法拉第杯测试之前，电离消除了可能储存的电荷，接下来，把产品放在1000 伏的充电板上。将包装材料从充电板上拿开，接地5秒钟后自由落入法拉第杯中，如图5所示。有些组织规定的合格分数是<±1.0纳库即大约<±100伏。表7显示的是产品A和B的测试结果。产品A未能通过测试，而产品B在可接受的限度内，测试合格。
表8是法拉第杯的测试结果，绿色和紫色的线展示了±1.0纳库的上限和下限。产品A的结果用蓝线标注，产品B的结果用红线标注，产品B通过了测试。
非接触式电压测试
通过使用非接触式电压测量设备可达到精确定位隐藏电荷（危险部位）的目的，如图6所示。测试危险部位很重要，因为ESD敏感器件可能被放置在这个区域上，用镊子移动时就会造成其损坏。如果整个表面测量值低于50伏，而一个点的峰值达到200伏，这表示用镊子接触一个耐受100伏的ESD敏感器件会产生潜在的危害。产品A的峰值电压-1023.5伏，超过了非接触电压系统的区间；产品B的峰值为-30伏。
有和没有电离条件下，用镊子接触放电测量
“有和没有”电离条件下，导电接触放电测量
这两种产品A（看起来光滑的填料）和B（缎面样的填料）都放在一个充电板上，在包装填料上放一个25美分的硬币。 在电离条件下，消除产品A的电荷使其成为中性。一个6吋×6吋20皮法的充电板充电到1000伏。 接地了的人与25美分硬币直接接触，充电板就会接地。这模拟了一个接地的操作员，在ANSI / ESD S4.1工作站，直接接触不锈钢镊子和ESD敏感器件。 如果电荷靠近ESD敏感器件，金属表面间的接触对敏感器件会产生静电放电。
F-65电流探头在25美分的硬币上方，接地不锈钢镊子与硬币接触（见图7和图10）。 在图8中的左半部分画出充电盘上的电荷，注意在充电板被充电到前述的1000V后硬币被触碰的曲线的倾斜。这一现象是由于硬币和现在接地硬币（当佩戴接地腕带的人触碰后）之间的电容效应产生的。
如图8所示，产品A产生了显著的放电现象。 在这种情况下，放电电流为4.4安培（在示波器屏幕上的垂直刻度为1安培/格和水平刻度为2 纳秒/格）、有次纳秒级的上升时间和大约2.0纳秒脉冲宽度。 测量到了范围从约3.0安培至4.4安培的6个独立的放电峰值。 十年前，20毫安持续1纳秒的放电就会损坏磁盘驱动器磁头。
产品B的情况如图9所示，接地的人触碰硬币，致使充电板开始传导式的电荷衰减（参见图9的左图）。 因此，当硬币与插入电流探头的不锈钢镊子触碰时，没有产生放电。 本试验重复6次，没有记录到放电电流。 注意，示波器的垂直刻度只有100毫安/格，灵敏度比图8高10倍，触发电平小于20 毫安，但放电现象仍然没有被记录到。 因此，在放置和搬移ESD敏感器件期间，产品A可能会因为凝胶型表面造成潜在危险，而产品B在这期间不会产生放电危害。
电离措施下的产品A
图11给出了约70毫安的小放电电流波形，6次测试发生了4次，另两次尝试没有发生放电。 图11的左图展示了带电板上的离子如何慢慢放电超过几秒钟，因此，当25美分的硬币被镊子触碰时，很少或根本没有发生过放电现象。 在电离条件下，产品A（暗红色）产生放电可以忽略不计。 图11和表10显示，在湿度30％RH时，产品B无需电离措施。
结论
总之，铆定组件的做法具有吸引力的方案，它可以构成一个保护超敏感的0级ESD器件的ESD兼容方法，但只有产品经过仔细的评估和鉴定后才行。
用于ESD敏感器件的产品A的凝胶型基板所测量的绝缘性，不符合ANSI / ESD S541-2008（防静电包装材料）标准。 产品B的黏结状基板在湿度12％RH具有静电衰减和低的电荷聚集的静电耗散性能。 在无电离措施下，当导电“镊子——硬币”接触时，产品A不能阻止ESD事件发生。 然而在稳态直流电离空气流条件下，产品A不会造成问题。 与此相反，产品B无需电离就能阻止ESD敏感器件放电。 在不考虑填料时，两种载碳盒是符合ANSI / ESD S541-2008标准。 可以根据产品打算应用的场合联系供应商供应相应包装，但终端用户仍然必须证实供应商所说的，以决定什么样的包装类型是适合用在ESD控制区。
特别致谢
特别感谢Conductive Containers公司董事长Brad Alhm先生提供了产品B的样品。
特别感谢在静电放电减灾领域的专家Melissa Jolliff。
参考文献
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[11]. ITRS Technical Requirements – Electrostatics, The ITRS is devised and intended for technology assessment only and is without regard to any commercial considerations pertaining to individual products or equipment Intel Website, Moore’s Law
Bob Vermillion作为资深的注册安保专家（CPP），是国际无线电与电信工程师协会（iNARTE)认证的静电防护和产品安全工程师，他主要研究干燥表面减轻摩擦产生的静电以及解决在航空航天、 磁盘驱动器、 医疗设备、 制药、 汽车和半导体方面的机器人系统的故障问题。Vermillion是几个ANSI静电防护标准的合著者，他任职于iNARTE的董事会，也是美国防护静电协会的成员。他曾在美国和海外的ESD研讨会演讲，还担任过加州理工大学、圣何塞州立大学、加州大学伯克利分校和克莱姆森大学的客座讲师。在2011年，Vermillion将在牛津大学举办材料/包装材料研讨会。Vermillion是RMV科技集团有限责任公司的首席技术官，该公司是NASA的行业合作伙伴，第三方的防静电材料测试、培训和咨询公司。可以通过电话650-964-4792或邮箱[email protected]和他联系。
Doug Smith最近从牛津大学演讲回来，他的专业是从事高频测量，电路系统设计和验证、电磁兼容等等。Smith主要关注于系统，电路和设备的电磁兼容与敏感（包括静电放电）水平的设计验证和问题解决。运用多年专业知识和测量技术的经验，Smith常常可以在很短的时间解决那些用传统工程研究方法需要工程师花费几个星期、几个月或几年的设计问题。可以通过电话408-858-4528或邮箱[email protected]和他联系。
翻译：施海霞
审核：熊 蕊
