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)

HBM Voltage (V)

Energy (nJ)

100

500

250

3125

500

12500

1000

50000

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

E field  (V/inch)

Energy (nJ)

100

0.10

250

0.44

500

2

1000

7

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。


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