靜電防護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)知識

在電子產(chǎn)品制造中，靜電放電往往會損傷器件，甚至使器件失效，造成嚴(yán)重?fù)p失，因此SMT生產(chǎn)中的靜電防護(hù)非常重要。本刊分別邀請北京、上海的兩位專家撰文介紹與分析電子產(chǎn)品制造中的靜電產(chǎn)生源及靜電防護(hù)原理，較詳細(xì)地介紹了SMT生產(chǎn)中的一些靜電防護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)與相應(yīng)措施。供大家參考。

1、靜電和靜電的危害

靜電是一種電能，它存留于物體表面，是正負(fù)電荷在局部范圍內(nèi)失去平衡的結(jié)果，是通過電子或離子的轉(zhuǎn)換而形成的。靜電現(xiàn)象是電荷在產(chǎn)生和消失過程中產(chǎn)生的電現(xiàn)象的總稱。如摩擦起電、人體起電等現(xiàn)象。

隨著科技發(fā)展，靜電現(xiàn)象已在靜電噴涂、靜電紡織、靜電分選、靜電成像等領(lǐng)域得到廣泛的有效應(yīng)用。但在另一方面，靜電的產(chǎn)生在許多領(lǐng)域會帶來重大危害和損失。例如在第一個(gè)阿波羅載人宇宙飛船中，由于靜電放電導(dǎo)致爆炸，使三名宇航員喪生;在火藥制造過程中由于靜電放電(ESD)，造成爆炸傷亡的事故時(shí)有發(fā)生。在電子工業(yè)中，隨著集成度越來越高，集成電路的內(nèi)絕緣層越來越薄，互連導(dǎo)線寬度與間距越來越小，例如CMOS器件絕緣層的典型厚度約為0.1μm，其相應(yīng)耐擊穿電壓在80-100V;VMOS器件的絕緣層更薄，擊穿電壓在30V。而在電子產(chǎn)品制造中以及運(yùn)輸、存儲等過程中所產(chǎn)生的靜電電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過MOS器件的擊穿電壓，往往會使器件產(chǎn)生硬擊穿或軟擊穿(器件局部損傷)現(xiàn)象，使其失效或嚴(yán)重影響產(chǎn)品的可靠性。

為了控制和消除ESD，美國、西歐和日本等發(fā)達(dá)國家均制定了國家、軍用和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定。從靜電敏感元器件的設(shè)計(jì)、制造、購買、入庫、檢驗(yàn)、倉儲、裝配、調(diào)試、半成品與成品的包裝、運(yùn)輸?shù)染邢鄳?yīng)規(guī)定，對靜電防護(hù)器材的制造使用和管理也有較嚴(yán)格的規(guī)章制度要求。我國也參照國際標(biāo)準(zhǔn)制定了軍用和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。例如有航天部、機(jī)電部、石油部等標(biāo)準(zhǔn)。

2、靜電敏感器件(SSD)

對靜電反應(yīng)敏感的器件稱為靜電敏感元器件(SSD)。靜電敏感器件主要是指超大規(guī)模集成電路，特別是金屬化膜半導(dǎo)體(MOS電路)。表1為靜電敏感器件的分級表。可根據(jù)SSD分級表，針對不同的SSD器件，采取不同的靜電防護(hù)措施。

3、電子產(chǎn)品制造中的靜電源

(1)人體的活動(dòng)，人與衣服、鞋、襪等物體之間的摩擦、接觸和分離等產(chǎn)生的靜電是電子產(chǎn)品制造中主要靜電源之一。人體靜電是導(dǎo)致器件產(chǎn)生硬(軟)擊穿的主要原因。人體活動(dòng)產(chǎn)生的靜電電壓約0.5-2KV。另外空氣濕度對靜電電壓影響很大，若在干燥環(huán)境中還要上升1個(gè)數(shù)量級。表2為相對濕度對與人體活動(dòng)帶電的關(guān)系。

人體帶電后觸摸到地線，會產(chǎn)生放電現(xiàn)象，人體就會產(chǎn)生不同程度的電擊感反應(yīng)，其反應(yīng)的程度稱為電擊感度。表3為不同靜電壓放電過程中人體的電擊感度。

(2)化纖或棉制工作服與工作臺面、坐椅摩擦?xí)r，可在服裝表面產(chǎn)生6000V以上的靜電電壓，并使人體帶電，此時(shí)與器件接觸時(shí)，會導(dǎo)致放電，容易損壞器件。

(3)橡膠或塑料鞋底的絕緣電阻高達(dá)1013Ω，當(dāng)與地面摩擦?xí)r產(chǎn)生靜電，并使人體帶電。

(4)樹脂、漆膜、塑料膜封裝的器件放人包裝中運(yùn)輸時(shí)，器件表面與包裝材料摩擦能產(chǎn)生幾百伏的靜電電壓，對敏感器件放電。

(5)用PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、PS(聚內(nèi)乙烯)、PVR(聚胺脂)、PVC和聚脂、樹脂等高分子材料制作的各種包裝、料盒、周轉(zhuǎn)箱、PCB架等都可能因摩擦、沖擊產(chǎn)生1-3.5KV靜電電壓，對敏感藉件放電。

(6)普通工作臺面，受到摩擦產(chǎn)生靜電。

(7)混凝土、打臘拋光地板、橡膠板等絕緣地面的絕緣電阻高，人體上的靜電荷不易泄漏。

(8)電子生產(chǎn)設(shè)備和工具方面：例如電烙鐵、波峰焊機(jī)、再流焊爐、貼裝機(jī)、調(diào)試和檢測等設(shè)備內(nèi)的高壓變壓器、交/盲流電路都會在設(shè)備卜感應(yīng)出靜電。如果設(shè)備靜電泄放措施不好，都會引起敏感器件在制造過程中失效。烘箱內(nèi)熱空氣循環(huán)流動(dòng)與箱體摩擦、CO2低溫箱冷卻箱內(nèi)的CO2蒸汽均會可產(chǎn)生大量的靜電荷。

4、靜電防護(hù)原理

電子產(chǎn)品制造中，不產(chǎn)生靜電是不可能的。產(chǎn)生靜電不是危害所在，其危害所在于靜電積聚以及由此產(chǎn)生的靜電放電。靜電防護(hù)的核心是“靜心消除”。

靜電防護(hù)原理：

(1)對可能產(chǎn)生靜電的地方要防止靜電積聚。采取措施在安全范圍內(nèi)。

(2)對已經(jīng)存在的靜電積聚迅速消除掉，即時(shí)釋放。

5、靜電防護(hù)方法

(1)使用防靜電材料：金屬是導(dǎo)體，因?qū)w的漏放電流大，會損壞器件。另外由于絕緣材料容易產(chǎn)生摩擦起電，因此不能采用金屬和絕緣材料作防靜電材料。而是采用表面電阻l×105Ω·cm以下的所謂靜電導(dǎo)體，以及表面電阻1×105-1×108Ω·cm的靜電亞導(dǎo)體作為防靜電材料。例如常用的靜電防護(hù)材料是在橡膠中混入導(dǎo)電碳黑來實(shí)現(xiàn)的，將表面電阻控制在1×106Ω·cm以下。

(2)泄漏與接地：對可能產(chǎn)生或已經(jīng)產(chǎn)生靜電的部位進(jìn)行接地，提供靜電釋放通道。采用埋大地線的方法建立“獨(dú)立”地線。使地線與大地之間的電阻<10Ω。(參見GBJl79或SJ/T10694—1996)

靜電防護(hù)材料接地方法：將靜電防護(hù)材料(如于作臺面墊、地墊、防靜電腕帶等)通過1MΩ的電阻接到通向獨(dú)立大地線的導(dǎo)體上(參見SJ/T10630-1995)。串接1MΩ電阻是為了確保對地泄放<5mA的電流，稱為軟接地。設(shè)備外殼和靜電屏蔽罩通常是直接接地，稱為硬接地。

IPC-A-610C標(biāo)準(zhǔn)中推薦的防靜電工作臺接地方法如圖1。

(3)導(dǎo)體帶靜電的消除：導(dǎo)體上的靜電可以用接地的方法使靜電泄漏到大地。放電體卜的電壓與釋放時(shí)間可用下式表示：

UT=U0L1/RC

式中UT-T時(shí)刻的電壓(V)U0一起始電壓(V)R-等效電阻(Ω)C-導(dǎo)體等效電容(pf)

一般要求在1秒內(nèi)將靜電泄漏。即1秒內(nèi)將電壓降至1OOV以下的安全區(qū)。這樣可以防止泄漏速度過快、泄漏電流過大對SSD造成損壞。若U0=500V，C=200pf，想在1秒內(nèi)使UT達(dá)到100V，則要求R=1.28×109Ω。因此靜電防護(hù)系統(tǒng)中通常用1MΩ的限流電阻，將泄放電流限制在5mA以下。這是為操作安全設(shè)計(jì)的。如果操作人員在靜電防護(hù)系統(tǒng)中，不小心觸及到220V工業(yè)電壓，也不會帶來危險(xiǎn)。

(4)非導(dǎo)體帶靜電的消除：對于絕緣體上的靜電，由于電荷不能在絕緣體上流動(dòng)，因此不能用接地的方法消除靜電。可采用以下措施：[!--empirenews.page--]

(a)使用離子風(fēng)機(jī)—離子風(fēng)機(jī)產(chǎn)生正、負(fù)離子，可以中和靜電源的靜電?？稍O(shè)置在空間和貼裝機(jī)貼片頭附近。

(b)使用靜電消除劑—靜電消除劑屬于表面活性劑。可用靜電消除劑檫洗儀器和物體表面，能迅速消除物體表面的靜電。

(c)控制環(huán)境濕度—增加濕度可提高非導(dǎo)體材料的表面電導(dǎo)率，使物體表面不易積聚靜電。例如北方干燥環(huán)境可采取加濕通風(fēng)的措施。

(d)采用靜電屏蔽—對易產(chǎn)生靜電的設(shè)備可采用屏蔽罩(籠)，并將屏蔽罩(籠)有效接地。

(5)工藝控制法：為了在電子產(chǎn)品制造中盡量少的產(chǎn)生靜電，控制靜電荷積聚，對已經(jīng)存在的靜電積聚迅速消除掉，即時(shí)釋放，應(yīng)從廠房設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝、操作、管理制度等方面采取有效措施。

6、靜電防護(hù)器材

(1)人體防靜電系統(tǒng)包括防靜電腕帶、工作服、帽、手套、鞋、襪等

(2)防靜電地面包括防靜電水磨石地面、防靜電橡膠地面、PVC防靜電塑料地板、防靜電地毯、防靜電活動(dòng)地板等。

(3)防靜電操作系列：包括防靜電：I：作臺墊、防靜電包裝袋、防靜電物流小車、防靜電烙鐵及工具等。

7、靜電測量儀器

(1)靜電場測試儀：用于測量臺面、地面等表面電阻值。平面結(jié)構(gòu)場合和非平面場合要選擇不同規(guī)格的測量儀。

(2)腕帶測試儀：測量腕帶是否有效。

(3)人體靜電測試儀：用于測量人體攜帶的靜電量，人體雙腳之間的阻抗，測量人體之間的靜電差，腕帶、接地插頭、工作服等是否阻護(hù)有效。還可以作為入門放電，把人體靜電隔在車間之外。

(4)兆歐表：用于測量所有導(dǎo)電型、抗靜電型及靜電泄放型表面的阻抗或電阻。

8、電子產(chǎn)品制造中防靜電技術(shù)指標(biāo)要求

(1)防靜電地極接地電阻<10Ω。

(2)地面或地墊：表面電阻值105-1010Ω;摩擦電壓<100V。

(3)墻壁：電阻值5×104-109Ω。

(4)工作臺面或墊：表面電阻值106-109Ω;摩擦電壓<100V;對地系統(tǒng)電阻106-108Ω。

(5)工作椅面對腳輪電阻106-108Ω。

(6)工作服、帽、手套摩擦電壓<300V;鞋底摩擦電壓<100V。

(7)腕帶連接電纜電阻1MΩ;佩帶腕帶時(shí)系統(tǒng)電阻1-1OMΩ。腳跟帶(鞋束)系統(tǒng)電阻0.5×105-108Ω。

(8)物流車臺面對車輪系統(tǒng)電阻106-109Ω。

(9)料盒、周轉(zhuǎn)箱、PCB架等物流傳遞器具一表面電阻值103-108Ω;摩擦電壓<100V。

(10)包裝代、盒一摩擦電壓<100V。

(11)人體綜合電阻106-108Ω。

9、電子產(chǎn)品制造中防靜電措施及靜電作業(yè)區(qū)(點(diǎn))的一般要求

SMT生產(chǎn)設(shè)備必須接地良好，貼裝機(jī)應(yīng)采用三相無線制接地法并獨(dú)立接地。生產(chǎn)場所的地面、工作臺面墊、坐椅等均應(yīng)符合防靜電要求。車間內(nèi)保持恒溫、恒濕的環(huán)境。應(yīng)配備防靜電料盒、周轉(zhuǎn)箱、PCB架、物流小車、防靜電包裝帶、防靜電腕帶、防靜電烙鐵及工具等設(shè)施。

(1)根據(jù)防靜電要求設(shè)置防靜電區(qū)域，并有明顯的防靜電警示標(biāo)志。按作業(yè)區(qū)所使用器件的靜電敏感程度分成1、2、3級，根據(jù)不同級別制訂不同的防護(hù)措施。

1級靜電敏感程度范圍：0-1999V

2級靜電敏感程度范圍：2000-3999V

3級靜電敏感程度范圍：4000-15999V

16000V以上是非靜電敏感程產(chǎn)品。

(2)靜電安全區(qū)(點(diǎn))的室溫為23±3℃，相對濕度為45-70%RH。禁止在低于30%的環(huán)境內(nèi)操作SSD(靜電敏感元器件)。

(3)定期測量地面、桌面、周轉(zhuǎn)箱等表面電阻值。

(4)靜電安全區(qū)(點(diǎn))的工作臺上禁止放置非生產(chǎn)物品，如餐具、茶具、提包、毛織物、報(bào)紙、橡膠手套等。

(5)工作人員進(jìn)入防靜電區(qū)域，需放電。操作人員進(jìn)行操作時(shí)，必須穿工作服和防靜電鞋、襪。每次上崗操作前必須作靜電防護(hù)安全性檢查，合格后才能生產(chǎn)。

(6)操作時(shí)要戴防靜電腕帶，每天測量腕帶是否有效。

(7)測試SSD時(shí)應(yīng)從包裝盒、管、盤中取一塊，測一塊，放一塊，不要堆在桌子上。經(jīng)測試不合格器件應(yīng)退庫。

(8)加電測試時(shí)必須遵循加電和去電順序：低電壓→高電壓→信號電壓的順序進(jìn)行。去電順序與此相反。同時(shí)注意電源極性不可顛倒，電源電壓不得超過額定值。

(9)檢驗(yàn)人員應(yīng)熟悉SSD的型號、品種、測試知識，了解靜電保護(hù)的基本知識。

10、靜電敏感元器件(SSD)運(yùn)輸、存儲、使用要求

(1)SSD運(yùn)輸過程中不得掉落在地，不得任意脫離包裝。

(2)存放SSD的庫房相對濕度：30-40%RH。

(3)SSD存放過程中保持原包裝，若須更換包裝時(shí)，要使用具有防靜電性能的容器。

(4)庫房里，在放置SSD器件的位置上應(yīng)貼有防靜電專用標(biāo)簽。

(5)發(fā)放SSD器件時(shí)應(yīng)用目測的方法，在SSD器件的原包裝內(nèi)清點(diǎn)數(shù)量。

(6)對EPROM進(jìn)行寫、擦及信息保護(hù)操作時(shí)，應(yīng)將寫入器/擦除器充分接地，要帶防靜電手鐲。

(7)裝配、焊接、修板、調(diào)試等操作人員都必須嚴(yán)格按照靜電防護(hù)要求進(jìn)行操作。

(8)測試、檢驗(yàn)合格的印制電路板在封裝前應(yīng)用離子噴槍噴射一次，以消除可能積聚的靜電荷。

11、防靜電工作區(qū)的管理與維護(hù)

(1)制訂防靜電管理制度，并有專人負(fù)責(zé)。

(2)備用防靜電工作服、鞋、手鐲等個(gè)人用品以備外來人員使用。

(3)定期維護(hù)、檢查防靜電設(shè)施的有效性。

(4)腕帶每周(或天)檢查一次。

(5)桌墊、地墊的接地性、靜電消除器的性能每月檢查一次。

(6)防靜電元器件架、印制板架、周轉(zhuǎn)箱;運(yùn)輸車、桌墊、地墊的防靜電性能每六個(gè)月檢查次。

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