静电电场和能量–更多的认识才能降低ESD控制成本

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人们常常指责静电电场会导致许多电子元件故障，用静电场仪錶（Electric Field Meter）在生产线上的介电材料（绝缘体）中测量的数百或数千Volt电压会被怀疑是导致元件故障的主要原因，因此许多PCBA厂根据ESD S20.20，控制绝缘材料上的静电场小于125V /英寸。

一些PCBA厂试图消除生产车间中的所有电场，但是即使付出了很多努力和资源投入，他们还是失败了。这个讨论旨在描述静电场是否令人担忧，并说明多大程度静电场能量才可破坏电子元件。

这个静电场的电压强度重要吗？

什么是静电场？

过多的电荷积聚在物体的表面就会产生电场，当电场不随时间变化或随时间变化的幅度很小，这样就产生静电场，这些电荷也被称为静电荷，就是大家认为的静电。电场的用途是存储和传输电能量。

即使只有一点点电荷累积，由静电场仪錶测量的电压也可能很大。另外元件被损坏是由于能量/功率超出了该元件可承受的份量，而不是电压的大小。因此，我们在做静电防控或分析时，必须考虑静电产生了多少能量，而不仅仅是看电压值。

如果我们定义一个电子元件可以承受 100V HBM 的电压，则意味着我们可以通过以下(公式一)计算该元件可以承受的电能：

(公式一)

HBM Voltage (V)	Energy (nJ)
100	500
250	3125
500	12500
1000	50000
2000	200000

表一、电子元件制造商用人体模型HBM定义ESD等级相对应的电能量。
电容=100pF，用于类比人体中存储的电荷。

电场（例如125V每2.5cm）所产生和传输的能量，可以用Poynting定理来计算，或使用上面(公式一)来推导：

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、电场产生和传输的能量。假设晶片的尺寸为1cm x1cm x 1cm，对于大多数IC来说足够大，ɛ是空气的介电常数，大约为 8.85×10^-12 F /m。

根据表一和表二，绝缘材料产生的电场传递的能量远小于 100V HBM 元件可以承受的电能。即使绝缘体产生的电场约为2000V，与 100V HBM 元件可以承受的电能相比，能量仍然非常低。

即使静电场来自绝缘体，电压值为2000V，所传输的能量仍低于 100V HBM 元件所能承受的能量，这个绝缘体电压不可能造成损坏。因此，如果电子元件制造商声称该元件 ESD 等级电压 100V HBM 或以上，则我们可以安全地将其放置在电场 2000V / 2.5cm 的绝缘体中。以上分析没有考虑到电场传送能量时引起的电场感应而导致的损耗，实际上电场传送的能量比表二中的更低，所以静电场的电压强度可以是不重要的。

我们建议PCBA厂在做ESD管控时，可先瞭解ESDS(静电放电敏感元件)可承受的最低ESD能级，而不是盲目地将绝缘材料的电场电压级设置为125V或其它数值，导致大量购买离子风机和更换所谓的防静电材料，增加生产成本。

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关于作者：

• 黄裕庆 (eeepeterwong@yahoo.com.hk)
• 某港资电子厂 副厂长

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