航天產品靜電防護管理與過程控制

王斌

（北京空間機電研究所，北京 100094）

0 引言

航天產品經濟價值高，必須滿足高可靠、長壽命的質量（quality，全文同）要求[1]。航天工程是一個龐大的生產體系，各種復雜生產過程如控制不到位，都會對產品質量產生影響。隨著航天產品功能性能要求的不斷提升，產品復雜度進一步增大，其電子設備日趨小型化、智能化。超大規模集成電路逐步在軌應用，其具有集成度高、運算速度快、輸入阻抗高等特點，對靜電更加敏感，所以對靜電防護也提出了更高的要求。

航天產品靜電防護技術和管理兩種方法同樣重要[2]。管理是靜電防護的重要手段，建立標準的靜電管理體系是有效的管理方式；技術是產品研制過程靜電放電（Electrostatic Discharge，ESD）控制的基礎。國外開展靜電防護標準研究較早，其源于各國的軍標和企業標準[3]。國內電子行業和航天行業也發布了系列靜電防護標準，開展了靜電防護管理體系建設的實踐[4]，文獻[5]從環境試驗室應用特點切入專題開展了防靜電體系建設的研究。本文在航天行業系列靜電防護標準基礎上進行全要素靜電防護管理體系建立，以閉環管理為著力點，采用PDCA循環（Plan，Do，Check and Action，PDCA）的科學程序作為體系有效運行基本方法，持續改進提升靜電防護管理體系運行質量。文獻[6-8]在航天產品研制過程的靜電防護中開展了相關研究，但在靜電防護控制的系統性方面尚存在不足。本文闡述了靜電防護的主要措施和技術，以理論為指導，從航天產品研制的全過程落實靜電防護管理措施，加強各環節 ESD控制，減少和避免產品因靜電防護問題導致的元器件失效或系統故障，對有效提高產品質量、避免過程差錯、提高生產效率具有重要的意義。

1 靜電產生原因及危害

原子中有帶有負電荷的電子和帶正電荷的質子，通常情況下顯現中性，即物體不帶電。靜電起電的最基本原理是當物體存在接觸分離現象時，接觸分離表面電荷重新排布發生接觸分離起電[9-11]。摩擦、碰撞、剝離、靜電感應、電容改變、壓電效應、電磁輻射感應都會產生靜電，摩擦是靜電起電的主要方式。

靜電電荷本身不會產生危害，危害主要來自靜電放電的過程。通常人體在干燥環境中產生靜電可達幾千伏到幾萬伏，人體對靜電的感知電壓約2 000V～3 000V，而常用器件的靜電損傷電壓在幾百至幾千伏（如表1所示）[12]。如不采取有效防護措施，可能在尚未察覺下對靜電放電敏感的（Electrostatic Discharge Sensitive，ESDS）器件已造成潛在損傷。

表1 各類器件靜電破壞電壓Tab.1 Static breakdown voltage of various devices

靜電放電對電子產品的損傷具有普遍性和隨機性的特點，電子產品全過程任一環節或操作步驟，如果防護措施不當，都有可能造成靜電放電損傷。對于靜電放電損傷造成的完全性失效表現為開路、短路或參數的漂移等現象，往往較容易發現。最應注意的是靜電放電危害的隱蔽性和潛在性，潛在的靜電放電損傷可能會延時失效，這種損傷短時不會造成參數漂移，也無法測試和預知，如果帶有潛在損傷的航天產品發射入軌，在軌運行時器件失效，則造成的損失更加巨大且無法挽回。因此，對于航天電子產品，靜電放電的危害是嚴重的，策劃完整的全過程靜電放電防護管理控制體系，制定有效的防護措施尤為關鍵。

2 航天產品靜電防護管理

2.1 管理體系的建立

美國國家標準學會（American National Standards Institute，ANSI）/靜電放電協會和國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）分別發布了ANSI/ESD S20.20-2007和IEC61340-5-1-2016國際靜電防護體系標準[13]。IEC61340是國際標準，而S20.20是美國國家標準，兩者并無本質區別。這兩個標準從系統工程的角度出發，對ESD體系的建立、防靜電工作區（Electrostatic discharge protected area，EPA）的建立、敏感器件的包裝、生產各環節的處理、人員培訓和考核、內審制度的建立和檢查，以及檢測手段等各方面都做了明確的規定，規范了靜電防護體系認證。

國際電工委員會的國際標準IEC61340系列標準和美國標準協會ANSI/ESD 系列標準成為當今引領電子行業靜電防護的先進標準，在靜電防護工業領域發揮著重要作用。我國電子行業標準和航天行業標準也緊跟國際發展潮流[14-16]，中國航天科技集團公司 Q/QJA118-122系列標準，提出了建立靜電防護管理體系的要求，這些技術和管理標準更加豐富了靜電防護工程學的內涵。北京空間機電研究所航天產品研制過程中，按照航天標準 Q/QJA118-2013《航天電子產品靜電防護管理體系要求》[4]建立靜電防護管理體系，靜電防護管理體系共12個要素，其中總體要求包括2個要素，管理要求包括10個要素，靜電防護管理體系框架如圖1所示。總體要求包含組織和文件，作為體系運行中組織機構建立和體系文件編制的指導和約束。管理要求包含策劃、人員培訓、防靜電工作區、包裝、標志、采購和外包、監視和測量、審核、管理評審、改進。

圖1 靜電防護管理體系框架圖Fig.1 Framework diagram of ESD protection management system

靜電防護管理體系是靜電防護管理實踐經驗的總結和防護管理的基本方法，可促進單位質量管理體系的改進與完善，對提高企業管理水平具有重要意義，靜電防護管理體系建設流程如圖2所示。以閉環管理為著力點，將PDCA循環作為靜電防護管理體系運轉的基本方法，通過循環改進不斷提升體系執行的管理水平。

圖2 靜電防護管理體系建設流程圖Fig.2 Construction flow chart of ESD protection management system

人員是靜電防護管理中的最主要靜電危險源，EPA區域是從事對ESDS器件生產、集成和測試等活動的主要場所。下文主要說明人員管理和EPA管理。

2.2 人員管理

航天產品研制過程中人體靜電是引起靜電危害和靜電損壞的最主要和最經常的因素。靜電防護管理中人員管理控制從培訓和認證、抑制起電防護和靜電接地防護三個方面開展。

（1）人員培訓和認證

對人員進行靜電防護培訓是靜電防護不可缺少的重要組成部分，培訓包括初級培訓和強化體系建設所需的周期性培訓。制定靜電防護人員培訓管理程序，對上崗培訓和周期性培訓的方法、內容、培訓效果評定方法、培訓記錄及保存等進行規范。對靜電防護人員實行“認證”制度，對完成ESD培訓并考核合格的人員發給證件，持證上崗。

（2）抑制起電防護

抑制起電防護目的是抑制人體靜電電荷的產生。摩擦是靜電起電的主要方式，應從各個角度盡量減少摩擦起電的可能性。因此，從事ESDS電子產品操作人員必需正確穿戴防靜電服和防靜電帽，必要時穿戴防靜電手套、指套。為達到抑制起電的目的，保證電荷泄漏通道的暢通，防靜電服作為人員接地系統使用時，一般要求系統接地電阻小于3.5×107Ω。

（3）人員接地防護

人員接地防護目的是及時泄放人體已產生的靜電電荷。在處置ESDS電子產品時，通過腕帶系統、地板-鞋束系統，使所有操作人員電氣連接到接地系統或實現等電位連接。當工作人員在防靜電臺前或固定工位工作時，應佩戴腕帶，通過腕帶把工作人員與接地系統連接，一般要求腕帶系統接地電阻小于3.5×107Ω。移動工作應實時通過地板-鞋束系統接地，地板-鞋束系統包含地板和鞋束兩部分，是一個組合性系統。一般要求地板部分和鞋部分都小于1×109Ω（且小于100V）[17-19]。

2.3 EPA管理

航天產品研制均需在防靜電工作區內開展，產品研制現場靜電防護管理一般要求如下：

（1）設備設施要求

EPA區域靜電防護設備設施包括防靜電地墊、防靜電地板、防靜電桌墊、防靜電工作臺、防靜電椅子、防靜電儲物柜、防靜電推車、防靜電手環、腕帶、離子風機、離子風槍、離子風棒等。

（2）設備接地要求

EPA內使用交流電工具應采取接地措施，工具的操作面（或與ESDS電子產品接觸的表面）對接地點的電阻應小于2Ω，最大不應超過20Ω。EPA內不使用交流電的工具應通過靜電工作臺面或使用人員接地，接地電阻小于1×109Ω。利用公共電源供電的設備，設備金屬殼應通過電源保護地線接地。

EPA內防靜電工作臺上儀器設備、人員、工具等處于同一電位。所有使用交流電的儀器設備通過插座中的保護地實現接地；不使用交流電的儀器設備通過其表面耗散材料或導電材料與防靜電工作臺墊相連，臺墊與保護地實現接地；防靜電地板（或地墊）與保護地實現接地。圖3給出了防靜電工作臺保護地連接示意圖[20]，圖中L為火線、N為零線、PE為電源保護地；R1、R2、R3為限流電阻，可根據具體使用場合選用。如腕帶內已經包含1MΩ的限流電阻，則R2可以不選用。

圖3 防靜電工作臺保護地連接示意Fig.3 Electrostatic protected table and ESD grounding

（3）現場環境管理

溫濕度和潔凈度對靜電產生有著密切的關系，對EPA區域的溫濕度和潔凈度控制同樣是靜電放電防護控制的主要工作內容。

通常較低的溫度對實驗室的靜電放電防護更有利。空氣濕度增加時，吸附在介質表面的水分子增多，進而導致介質表面導電率提高，從而使靜電泄漏能力增強。在不導致實驗室設備或器件腐蝕、生銹或影響工作性能等危害的前提下，盡量增大實驗室的相對濕度。塵埃、顆粒容易帶靜電，ESDS產品上吸附大量灰塵容易產生靜電積累，進而導致靜電放電現象發生，時刻保持實驗室清潔干凈，盡可能減少塵埃，就可以有效減少附著（吸附）靜電帶來的危害。一般從事航天產品研制的EPA區域度控制在16～28℃，相對濕度30%～70%，潔凈度等級優于10 000級。

3 產品實現過程ESD控制

3.1 ESD控制的措施

靜電危害的發生都必須具有三個基本要素[21]，包括靜電源、路徑和敏感器件，如圖4所示。其中路徑指靜電源和敏感器件之間能量的耦合路徑，可以是傳導傳播的、輻射傳播的，也可以是電場力的作用。

圖4 靜電放電危害產生要素Fig.4 Factors of electrostatic discharge hazard

只有三個要素同時滿足才能形成靜電危害，抑制住這三個要素中的任何一個要素，靜電危害就不能形成。在航天產品研制過程中，主要從控制靜電源、切斷耦合路徑、敏感器件ESD加固三個方面采取控制措施，如圖5所示。一般情況下，抑制靜電源可采用靜電中和防護技術、抑制起電防護技術和靜電接地防護技術，切斷耦合路徑采取靜電屏蔽防護技術，ESDS器件加固采取ESD加固設計技術。

圖5 靜電防護主要措施及技術Fig.5 Main measures and technologies of electrostatic protection

3.2 元器件、電路板ESD控制

作為元器件用戶方，產品設計階段就需要統籌考慮靜電防護。盡量選用抗靜電能力強的元器件，降低應用風險。在選型要求基礎上，可以提請元器件研制方進行ESD設計加固。對于無防護設計的元器件，整機可從設計防護、屏蔽防護、電裝防護、環境防護、應用防護幾個方面開展靜電防護控制。

元器件從生產到使用的整個過程都會產生靜電，元器件在電路板集成過程的流轉示意如圖6所示。各環節開展靜電防護控制措施主要如下。

圖6 元器件流轉示意Fig.6 Schematic of components flow

1）元器件采購環節：元器件需從認定的合格供方單位采購，對于ESDS元器件需有“靜電敏感器件”的標志，且器件為防靜電包裝狀態。采購的器件存放在庫房EPA工作區的防靜電柜/架中。

2）元器件檢驗：元器件的測試、老化篩選等需在EPA內開展，且EPA內靜電防護設施齊全，符合靜電防護標準。

3）發放和領用：元器件發放和領用的清點工作必須在 EPA內開展，操作人員有效接地。器件轉運過程放置在防靜電容器或者防靜電包裝袋中。

4）電路板焊接：元器件在電路板焊接過程中，在 EPA區域防靜電工作臺開展，操作人員和烙鐵等工具有效接地，并實時采用離子風機/槍中和靜電電荷。

5）電路板調試：電路板調試環節在EPA內開展，調試人員有效接地，設計紙質文件需要同電子產品保持30cm以上安全距離。

3.3 產品裝配、總裝及試驗環節ESD控制

相較元器件、電路板研制，航天產品裝配、總裝及試驗（Assembly，Integration and Test，AIT）環節涉及結構、單機、熱控產品裝配，散線焊接和線纜布線，產品轉運等，各環節接觸人員多，工作場地變換頻繁，對靜電防護提出了更高的要求。AIT環節在EPA內開展，操作人員需正確穿戴靜電防護服，涉及高空作業需穿戴緊身連體型防護服，工作區域需要有明顯的靜電防護標志。

（1）總裝過程控制

對產品操作的人員進入操作區域前觸摸放靜電棒釋放攜帶的靜電，操作全程均需佩戴靜電釋放腕帶。無源操作設備需為靜電耗散材料的靜電防護工具，電烙鐵等有源操作設備電源地和靜電接地分別連接，必要時采用離子風機中和焊接過程可能產生的靜電電荷積累。產品防靜電接地實際接地電阻小于2Ω[22]，靜電地與電源地、衛星地嚴格分開。

（2）測試過程控制

測試過程操作人員接近產品 1m范圍均需佩戴靜電釋放腕帶，測試線纜斷開后使用防靜電氣泡膜包覆線纜自由端。測試紙質文件要保持與產品 30cm以上的安全距離，避免感應電荷的積累。測試計算機屏幕與產品距離必須大于300cm[23]。

（3）轉運過程控制

入場進行總裝測試的單機產品，在防靜電工作區外需放入密閉防靜電包裝袋或專用包裝箱轉運。在防靜電區域內轉運時產品放置在防靜電周轉車或周轉箱內。整星產品在防靜電區域內轉運過程，產品防靜電接地線始終拖垂在地面上，如圖7所示。轉運中防靜電接地線始終與地面接觸，通過防靜電地板或地面及時泄放滾輪與地面摩擦產生的靜電電荷。

圖7 EPA區域內產品轉運示意Fig.7 Product transfer in EPA

3.4 產品環境試驗ESD控制

航天產品環境試驗是考核產品性能、使其滿足發射和在軌運行環境必不可少的環節。由于試驗環境嘈雜，試驗設備龐大，因此試驗過程靜電防護需要高度重視。試驗人員正確穿戴防靜電服，佩戴靜電防護手環等常規要求必須嚴格遵守。交流電試驗設備通過插座中的保護地實現接地，試驗臺接地線與保護地實現接地，使試驗設備、人員、產品等處于同一電位。

如果試驗環境沒有電源保護地可用、不方便或特殊要求時，可以采用接輔助地的連接方式，如圖8所示，其中R1為接地限流電阻，R2為電源地和輔助地間搭接電阻。這時交流電試驗設備等采用電源地接地，產品采用輔助地接地。在合適地方使電源地和輔助地連接，并使兩者之間小于25Ω，確保兩者之間電位差最小。

圖8 接輔助地的連接方式Fig.8 The connecting mode of aided ground

4 結束語

靜電防護是航天產品質量控制的重要方面，也是一項系統工程。靜電防護需要科學管理，更需要全員參與全過程控制。航天產品靜電防護管理與過程控制，首先要建立靜電防護管理體系，這是靜電防護管理的有效手段，同時需建立和健全靜電防護管理要素；其次在靜電防護管理體系下，開展航天產品研制過程的靜電防護控制。隨著航天產品研制周期的縮短和技術指標的日益提高，航天產品復雜度也與日俱增，對靜電防護的管理和過程控制提出了更高要求，所以對靜電防護管理體系的運行需采用如PDCA循環等質量管理方法，通過循環迭代提升管理水平。將靜電防護工作有效落實，減少靜電損害或潛在靜電損傷，對提高產品安全性、可靠性，降低航天產品因靜電問題造成的經濟損傷具有重要的意義。