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靜電電場和能量–更多的認識才能降低ESD控制成本
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人們常常指責靜電電場會導致許多電子元件故障，用靜電場儀錶（Electric Field Meter）在生產線上的介電材料（絕緣體）中測量的數百或數千Volt電壓會被懷疑是導致元件故障的主要原因，因此許多PCBA廠根據ESD S20.20，控制絕緣材料上的靜電場小於125V /英寸。
一些PCBA廠試圖消除生產車間中的所有電場，但是即使付出了很多努力和資源投入，他們還是失敗了。這個討論旨在描述靜電場是否令人擔憂，並說明多大程度靜電場能量才可破壞電子元件。
這個靜電場的電壓強度重要嗎？
什麼是靜電場？
過多的電荷積聚在物體的表面就會產生電場，當電場不隨時間變化或隨時間變化的幅度很小，這樣就產生靜電場，這些電荷也被稱為靜電荷，就是大家認為的靜電。電場的用途是存儲和傳輸電能量。
即使只有一點點電荷累積，由靜電場儀錶測量的電壓也可能很大。另外元件被損壞是由於能量/功率超出了該元件可承受的份量，而不是電壓的大小。因此，我們在做靜電防控或分析時，必須考慮靜電產生了多少能量，而不僅僅是看電壓值。
如果我們定義一個電子元件可以承受 100V HBM 的電壓，則意味著我們可以通過以下(公式一)計算該元件可以承受的電能：
(公式一)
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HBM Voltage (V) |
Energy (nJ) |
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100 |
500 |
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250 |
3125 |
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500 |
12500 |
|
1000 |
50000 |
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2000 |
200000 |
表一、電子元件製造商用人體模型HBM定義ESD等級相對應的電能量。
電容=100pF，用於類比人體中存儲的電荷。
電場（例如125V每2.5cm）所產生和傳輸的能量，可以用Poynting定理來計算，或使用上面(公式一)來推導：
where C =εA (area) / L(distance) , V= E (electric field) x L
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E field (V/inch) |
Energy (nJ) |
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100 |
0.10 |
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250 |
0.44 |
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500 |
2 |
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1000 |
7 |
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2000 |
28 |
表二、電場產生和傳輸的能量。假設晶片的尺寸為1cm x1cm x 1cm，對於大多數IC來說足夠大，ɛ是空氣的介電常數，大約為 8.85×10-12 F /m。
根據表一和表二，絕緣材料產生的電場傳遞的能量遠小於 100V HBM 元件可以承受的電能。即使絕緣體產生的電場約為2000V，與 100V HBM 元件可以承受的電能相比，能量仍然非常低。
即使靜電場來自絕緣體，電壓值為2000V，所傳輸的能量仍低於 100V HBM 元件所能承受的能量，這個絕緣體電壓不可能造成損壞。因此，如果電子元件製造商聲稱該元件 ESD 等級電壓 100V HBM 或以上，則我們可以安全地將其放置在電場 2000V / 2.5cm 的絕緣體中。以上分析沒有考慮到電場傳送能量時引起的電場感應而導致的損耗，實際上電場傳送的能量比表二中的更低，所以靜電場的電壓強度可以是不重要的。
我們建議PCBA廠在做ESD管控時，可先瞭解ESDS(靜電放電敏感元件)可承受的最低ESD能級，而不是盲目地將絕緣材料的電場電壓級設置為125V或其它數值，導致大量購買離子風機和更換所謂的防靜電材料，增加生產成本。
關於作者：
- 黃裕慶 (eeepeterwong@yahoo.com.hk)
- 某港資電子廠 副廠長
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(1)請問靜電場儀錶（Electric Field Meter）所量測出的靜電壓是HBM嗎?
(2)對於Poynting中的靜電場轉換電能關係式中
where C =εA (area) / L(distance)這裡的A/L是指量測物體本身的大小尺寸,還是靜電壓儀器的量測範圍?
同問題,V= E (electric field) x L 這裡的L是指靜電壓儀器的量測距離還是什麼?
因目前我們有用手持式靜電壓量測儀器(Trek Model 520)去做絕緣體的靜電壓量測,但我們不清楚是不是量測出的靜電壓值是不是就等同於HBM上定義的電壓.如果不等同,我們要將量出的值帶入Poynting公式去推導,但又遇到以上問題,故須請您這裡幫忙解惑,謝謝