靜電危害及防護(hù)

摘 要:為了避免靜電在電子產(chǎn)品生產(chǎn)中的不良影響，在分析靜電產(chǎn)生的原因及造成的危害的基礎(chǔ)上，從導(dǎo)電體、絕緣體兩個方面，有針對性地采取接地、 靜電屏蔽、離子中和等靜電防護(hù)方法，有效地降低了電子產(chǎn)品的不良率及失效率，提高了電子部件質(zhì)量。實踐操作證明，靜電對電子產(chǎn)品的損害可通過科學(xué)的操作方法、嚴(yán)格的管理制度消除。關(guān)鍵詞:元器件與應(yīng)用; 失效模式; 效果分析; 靜電防護(hù)

中圖分類號:TP274-34文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)21-0203-04

Damage and Prevention of Static Electricity

REN Zhao-feng

(Qingdao Xingbang Electronic Appliances Co. Ltd.， Qingdao 266555， China)

Abstract: On the basis of analyzing the reason of static electricity generatation and the damage caused by static electricity， the electrostatic prevention methods of grounding， static electricity shielding and ion neutralization are pertinently adopted in two aspects of conductor and insulator to avoid harmful effects generated by static electricity in the manufacturing of electronic products. The defective and failure rates were effectively reduced and the quality of electronic components was improved with the methods. The practical operation confirms that the damage caused by static electricity to electronic products can be eliminated by the scientific operation methods and strict management system.Keywords: component and its application; failure mode; effect analysis; prevention of static electricity

0 引 言

靜電的產(chǎn)生是由于電子在外力的作用下，從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體或者是受外界磁場的影響而產(chǎn)生的極化現(xiàn)象，在具有不同靜電勢的兩個物體之間的靜電轉(zhuǎn)移[1]。

摩擦、碰撞、剝離、靜電感應(yīng)、電容改變、壓電效應(yīng)、電磁輻射感應(yīng)都會產(chǎn)生靜電。閃電、冬天在地毯上行走及接觸把手時的觸電感、在冬天穿毛衣時所產(chǎn)生的噼啪聲這些似乎對人體沒有影響，但它對電子元件及電子線路板卻有很大的沖擊。電子生產(chǎn)中的靜電防護(hù)，可避免增加生產(chǎn)成本、減低產(chǎn)品質(zhì)量、引致客戶不滿而影響公司信譽(yù)。

1 靜電的基本物理特性

1.1 吸引或排斥的力量

靜電就是不平衡分布的電子，正負(fù)電荷有異性相吸，同性相斥的力量，即庫倫定律:Q=CV，V=Q/C，其中，Q為電量，V為電壓，C為電容[2]。

1.2 與大地間有電位差

因電荷存在，在周圍空間中形成電場，其強(qiáng)度為:V=Q/C，其中，V為電位，Q為電荷，C為電容。

靜電與大地間因有電位存在，如果觸及電路時，就會產(chǎn)生電流即為放電電流(Electrostatic Discharge Current)，這個放電電流常會將電路導(dǎo)體燒融。其放電電流為:I=V/R，其中，I為電流，V為電壓，R為電阻。

1.3 生活中產(chǎn)生的靜電

人在地毯上行走，人在塑料地板上行走，坐在椅子上的人，從包裝箱上拿出泡沫，無接地措施時人體的運(yùn)動等日常行為都會產(chǎn)生靜電，靜電電壓范圍見表1。

表1 一般現(xiàn)象的靜電值

靜電產(chǎn)生的方法靜電電壓

10%RH40%RH55%RH

人在地毯上行走35 00015 0007 500

人在塑料地板上行走12 0005 0003 000

坐在椅子上的人12 0005 0003 000

從包裝箱上拿出泡沫26 00020 0007 000

無接地措施時人體的運(yùn)動6 000800400

穿著合適的腳帶在防靜電地板上行走<15

2 靜電放電的破壞

從一個元件產(chǎn)生以后，一直到它損壞以前，所有的過程都受到靜電的威脅。這一過程包括:元件制造:包含制造、切割、接線、檢驗到交貨[3];印刷電路板:收貨、驗收、儲存、插入、焊接、品管、包裝到出貨;設(shè)備制造:電路板驗收、儲存、裝配、品管、出貨;設(shè)備使用:收貨、安裝、試驗、使用及保養(yǎng)。 其中最主要而又容易疏忽的一點卻是在元件的傳送與運(yùn)輸?shù)倪^程。

2.1 靜電對集成電路的損傷

靜電對集成電路的損傷主要表現(xiàn)為:芯片內(nèi)熱二次擊穿、金屬噴鍍?nèi)廴凇⒔橘|(zhì)擊穿、表面擊穿、體積擊穿等，最后綜合表現(xiàn)為功能故障甚至造成人身傷害[4]。

2.2 靜電對半導(dǎo)體元件的損壞

半導(dǎo)體的損壞形式有兩種:

災(zāi)難性損壞 器件不能操作，約占受靜電破壞的原件的10%。

潛在性損壞 瞬間電場或電流產(chǎn)生的熱使元件受傷，器件可以操作但性能不穩(wěn)定，維修次數(shù)因而增加，約占受靜電破壞原件的90%。

3 導(dǎo)電性物體的靜電消除方法

3.1 接地

接地就是將靜電通過一條線的連接放入大地，這是防靜電措施中最直接最有效的方法。導(dǎo)體常用的接地方法有:帶防靜電腕帶(見圖1)、腳帶(見圖2)、穿防靜電服、鋪防靜電地板、防靜電臺墊及工作表面接地等。基于電子可以自由移動的特性，可以簡單地加以接地，給予這些不平衡電子一個簡單的通路，釋放到大地，即可消除物體所攜帶的靜電。

圖1 腕帶

圖2 腳帶

假設(shè)工作人員到達(dá)工作場所及接觸零件時間為1 s(在1 s中需將人體靜電釋放至安全情形)則:



υ(t)=υoe

υo=1 500 V，at 65%~90%RH

υ(t)=100 V

C=200 pF

則:R=ln 15/200×10=1.39×10 Ω

式中:υoe為帶電體電壓(單位:V);υ(t)為t秒后的電壓(單位:V);t為接地后時間(設(shè)為1 s);R為接地電阻(單位:Ω);C為帶電體電容量(單位:pF)。

由此式可知，接地電阻R=10 Ω以下時，釋放時間會小于1 s，R越小，時間t越短，但為人員安全起見，建議串聯(lián)1 MΩ限流電阻[5]。

在2009年12月17日~12月24日變頻冰箱生產(chǎn)中，冰箱不啟動48臺，其中主板壞18臺，驅(qū)動板壞12臺，主板、驅(qū)動板同時壞5臺，主板壞占所有性能不良的4.9%，驅(qū)動板壞占所有性能不良的4.1%。對所有更換下來的主板、驅(qū)動板重新測試，冰箱依然不能啟動。在2009年12月25日要求生產(chǎn)現(xiàn)場與主板接觸人員全部佩戴上防靜電手腕才能上崗操作，經(jīng)過一周統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，主板壞5臺，驅(qū)動板壞14臺，主板壞占所有性能不良的2.7%，驅(qū)動板壞占所有性能不良的7.6%。裝主板操作人員佩戴上防靜電手腕后主板壞不良率下降45%，裝驅(qū)動板操作人員由于未佩戴防靜電手腕，驅(qū)動板壞不良率有所上升。以后在要求裝主板、驅(qū)動板、顯板的操作人員必須佩戴上防靜電手腕，并經(jīng)相關(guān)檢測合格后才能操作，冰箱主板、驅(qū)動板、顯板的不良率均下降了50%，電路板因靜電擊穿現(xiàn)象明顯減少，僅此一項就每年為公司節(jié)約十多萬元資金。

腕帶佩戴時應(yīng)緊貼皮膚;腳帶雙腳都須穿帶;靜電服應(yīng)無破損，扣緊[6]。

3.2 靜電屏蔽

靜電敏感元件在儲存或運(yùn)輸過程中會暴露于有靜電的區(qū)域中，用靜電屏蔽的方法可削弱外界靜電對電子元件的影響。最常用的方法是用靜電防護(hù)袋(見圖3)、靜電遮蔽袋作為保護(hù)。防靜電袋，不可使用在ESD防護(hù)區(qū)外。在某些特殊狀況，如需要看得見容器內(nèi)之元件(透明)或高度敏感元件，靜電遮蔽要求更嚴(yán)格的情形時，可能需要靜電遮蔽袋。目前防靜電袋、靜電遮蔽袋使用的導(dǎo)電性材料均為碳化性材料，是不透明的黑色物質(zhì)，體積電阻為500 Ω/cm 以下。

圖3 靜電防護(hù)袋

靜電遮蔽袋的構(gòu)造及功能如下:

內(nèi)層:抗靜電聚乙烯，不產(chǎn)生靜電。

中層:加強(qiáng)聚脂纖維，增加機(jī)械強(qiáng)度。

外層:鍍鎳，成一良好導(dǎo)體，可瞬間釋放電荷，形成法拉第容器。

DC/DC轉(zhuǎn)換器(見圖4)在未采用靜電防護(hù)袋的情況下，不良率過高，從生產(chǎn)現(xiàn)場取50片不良品進(jìn)行失效模式分析。用配套儀器測試輸入端壓降小于6 V的30片，6~8 V之間的14片，輸入端壓降等于12 V，但輸出電壓為零的6片，其中輸入端壓降小于6 V，和6~8 V之間的兩類問題占全部問題的88%。

圖4 DC/DC轉(zhuǎn)換器電路圖

從線路圖分析，造成上述現(xiàn)象的短路問題，原因在次級，即T1變換后的部分。

而次級中，最有可能損壞的是C3。因為C3耐壓是10 V，而T1是升壓的，從D1，D2出來的脈沖形成直流電，其峰值高于12 V，若C3質(zhì)量不好而承受不了，就會被擊穿或至容阻變小而短路。

從圖紙上看，C3一端接P7，P8，另一端接P6。測試這兩腳，若正向電阻約等于D1，D2之正向電阻，反向電阻R3+R4+U1(內(nèi)阻)，則表明C3是好的，反之則是壞的(也有可能是D1，D2或C7，U1同時損壞，但從拆開的不良品中，無此問題發(fā)生)。磨開10片不良品及1片合格的P6腳，用此方法測試，得到證實。

用12 V電壓測試單個C3型電容，發(fā)現(xiàn)正向充電后測試1/10只壞，反向充電后測試5/9只壞，而此6只不良品中，2只為短路，2只容阻小。

結(jié)論:C3型電容易被靜電擊穿。

改善辦法:DC/DC轉(zhuǎn)換器用靜電防護(hù)袋包裝，減少靜電擊穿機(jī)會。

DC/DC轉(zhuǎn)換器采用靜電防護(hù)袋包裝后，在周轉(zhuǎn)、操作等過程中屏蔽了外部靜電對電子元件的擊穿，不良率下降明顯。

4 絕緣性物體的靜電消除方法

4.1 離子中和法

絕緣性物體的特性就是電子在該類物體中遭受束縛，不易移動，所以利用接地的方法不能消除這類物體的靜電。針對這個狀況，只能使用離子中和的方法，目前離子產(chǎn)生方法有:使用輻射能撞擊空氣，將空氣分裂為等量的正、負(fù)離子的輻射離子化空氣法、使用交流高壓，在空氣周圍形成極高電場，分裂空氣電量離子化空氣法[7]。

吸附成型的冰箱內(nèi)殼，由于靜電的作用，內(nèi)外表面特別容易吸附灰塵，在密閉空間里安裝一臺離子風(fēng)機(jī)后，冰箱內(nèi)殼吸附灰塵現(xiàn)象有了很大改觀，既省去了擦拭內(nèi)殼表面灰塵的無效勞動，又保證了內(nèi)殼表面的清潔度。

4.2 離子中和設(shè)備

離子中和設(shè)備有離子風(fēng)機(jī)(見圖5)和離子風(fēng)槍(見圖6)。

圖5 離子風(fēng)機(jī)

圖6 離子風(fēng)槍

5 電子零件的傳送過程

元件在傳送中，人們會考慮到不要讓包裝材料因摩檫而產(chǎn)生靜電，破壞元件。包裝容器外部摩擦，工作人員的靜電，以及容器遇高電壓電場等都是造成元件受到不明原因外界電場穿透絕緣性材料破壞的主因。使用導(dǎo)電性材料制成塑膠盒、塑膠袋及海棉，不但可保證元件不受機(jī)械破壞，同時因為容器本身具有導(dǎo)電性，可以使外界電場受到隔離。

傳送帶用來輸送元件、PCB和其他器件，材料一般為塑料、纖維制品或橡膠。如果傳送帶要接收從機(jī)器其他部分傳來的器件，那么它應(yīng)該采用耗散性材料。當(dāng)傳動帶表面電阻率為1～106 Ω時，它會使帶電器件放電速度太快，對器件造成損害;當(dāng)表面電阻在106～109 Ω時，只要傳送帶通過轉(zhuǎn)輪滑輪和機(jī)架良好接地，傳送帶上就不會帶電。另一個要考慮的問題是傳送帶速度。如果傳送帶運(yùn)動速度太快，器件放到傳送帶上時就可能會滑動(或者器件保持不動而傳送帶繼續(xù)在動)，這時就會形成摩擦生電，傳送帶如果接地能使電荷耗散掉，但是器件或PC板仍帶有電荷而會造成危害[8]。

使用靜電遮蔽器運(yùn)輸靜電敏感元件是絕對的必要，如導(dǎo)電性塑膠盒、導(dǎo)電性塑膠袋、導(dǎo)電性海綿、靜電遮蔽袋[9]等。

6 防靜電警示標(biāo)志

在電子工廠中，來料檢驗、庫房、領(lǐng)料處、元件插入處(自動和手動)、焊錫、設(shè)備安裝、包裝運(yùn)輸、現(xiàn)場維護(hù)檢修是造成靜電破壞的主要原因。警示所有靜電敏感元件種類繁多，所有操作人員、使用人員、搬運(yùn)工人等并不容易識別，所以ESD敏感標(biāo)志、ESD保護(hù)標(biāo)志等警示標(biāo)志在整個靜電防護(hù)工作中是非常重要的，它不但可防止不必要的破壞，而且可使產(chǎn)品獲得適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，增加公司信譽(yù)。

7 員工靜電防護(hù)要求

進(jìn)入防靜電區(qū)域必須按規(guī)定穿好防靜電工作服和防靜電鞋;接觸靜電敏感元器件前必須按規(guī)定戴好接地腕帶或接地腳帶，并通過了相應(yīng)的靜電測試;易產(chǎn)生靜電的物品禁止帶入防靜電區(qū)域內(nèi);靜電敏感元器件的搬運(yùn)、儲存及分發(fā)必須存放在防靜電包裝內(nèi);只有在采取了相應(yīng)的防靜電措施后才能打開防靜電包裝;防靜電區(qū)域內(nèi)使用的手推車及貨架必須有妥當(dāng)?shù)慕拥匮b置;防靜電工作服、工作鞋禁止穿出工作區(qū)域，并按規(guī)定定時清洗;防靜電工作表面的清洗須使用靜電防護(hù)人員認(rèn)可的清洗劑;避免靜電敏感元件及電路板跟塑膠制成品或工具(如計算機(jī)，電腦及電腦終端機(jī))放在一起;把所有工具及機(jī)器接上地線;用靜電防護(hù)桌墊;時常遵從公司的電氣安全規(guī)定及靜電防護(hù)規(guī)定;禁止沒有系上手環(huán)的員工及客人接近靜電防護(hù)工作站;立刻報告有關(guān)引致靜電破壞的可能。

8 靜電安全區(qū)域

一個完整的靜電防護(hù)工作應(yīng)具備下列幾點: 完整的靜電安全工作區(qū)域、適當(dāng)?shù)撵o電遮蔽容器、工作人員具備有完全的防護(hù)觀念警示客戶 (包含元件裝配業(yè)、設(shè)備使用人員、維護(hù)人員)，使客戶不致因不知道而造成破壞。

一個安全的工作區(qū)域，包含所有導(dǎo)電性與絕緣性物體，不得存在有足夠破壞元件的電荷，所以整個工作區(qū)域須備有:完整的導(dǎo)電及接地系統(tǒng);適當(dāng)?shù)碾x子化空氣產(chǎn)生器。

9 結(jié) 語

在靜電安全區(qū)域使用或安裝靜電敏感元件，用靜電屏蔽容器運(yùn)送及存放靜電敏感元件或電路板[10]，定期檢測所安裝的靜電防護(hù)系統(tǒng)是否操作正常，確保操作人員明白及遵從以上原則。

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