淺談ESD 對汽車制造企業的影響與防護措施

曾凱凱， 曹 瑩， 王道旺， 王 偉， 王振旭

（1.一汽-大眾汽車有限公司天津分公司， 天津 300143； 2.長安大學汽車學院，陜西 西安 710064； 3.一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司， 廣東 佛山 528200；4.天津機電職業技術學院， 天津 300143）

ESD （Electrostatic Discharge， 靜電放電） 指兩種帶有相反極性的電荷中和的過程， 可以通過直接接觸或者靜電場來實現。 簡而言之， 就是在兩個物體之間對不同的電勢進行突然性的平衡， 與之相關的還有ESDS和EPA。 ESDS（Electrostatic Discharge Sensitive Devices， 靜電放電敏感器件） 是指對于靜電放電敏感的部件， 其包括電氣/電子系統的單個電子元件、 所有類型的電氣總成和組件。 EPA（ESD Protected Area， 靜電放電保護區） 可能是一個工位、一個房間或者一整個建筑。 隨著汽車電子技術的發展， 整車電器功能越來越復雜， 汽車電器元件的種類和數量都在不斷增加。 這些增加的電器功能給用戶提供了舒適的駕駛環境， 但同時也增加了整車電器故障的風險。 據多家汽車制造主機廠統計發現， 汽車生產制造過程和售后反饋的電器故障中， 因ESD靜電放電造成的電器故障率一直占一定比例， 且近年來有明顯上升的趨勢， 國際上對靜電放電造成的損失進行研究， 靜電放電造成的損壞占所有電器元件損壞的30%。

1 靜電的產生

一般來說， 物體表面帶電原因有摩擦起電、 傳導起電和感應起電3種。

摩擦起電是指兩種材料接觸或者互相摩擦后然后分開，會發生載流子轉移或偏移的現象。 例如， 在不導電的地板上行走就會產生電荷， 這一過程叫摩擦起電。 電量大小取決于材料類型、 摩擦力、 分離過程和空氣濕度。 比如， 在汽車生產過程中， 裝配員工在地板上行走， 人體的皮膚，頭發和衣服能迅速積累和保持很高的電壓， 將使人體帶電。此時接觸零件， 這些帶電能快速傳給電子元件和總成， 產生靜電放電。

傳導起電是指當一個帶電體與一個非帶電體接觸時，電荷將重新分配， 即發生電荷遷移而使非帶電體帶電。 比如， 雙手觸碰靜電產生器， 電荷傳導到人體， 使每一根頭發都帶上了同一種電荷， 然后頭發相互排斥， 如圖1所示。

圖1 雙手觸碰靜電產生器后的現象

感應起電是指在靜電場的作用下， 發生電荷再分布的現象。 比如， 當帶正電的物體靠近電中性的金屬體時， 金屬體靠近物體的一端會帶上負電， 遠離物體的一端會帶上正電。

靜電放電的產生是通過直接接觸或通過靜電場感應會導致電荷在不同靜電電勢的物體之間發生轉移， 以達到中和。 人的身體上的衣物等相互摩擦產生靜電， 在摩擦物絕緣性能比較好的情況下， 這些電荷無法流失， 就會聚集起來， 當人體與其他物體直接接觸或者在靜電場的作用下電荷發生轉移， 人們稱這些突然的電流為靜電放電。 國際上研究表明， 靜電放電通常是由于人造成的。

2 ESD靜電放電形式

工作中的ESD靜電放電有兩種常見形式： 一是身體帶電， 即人在地板上行走， 使人體帶電， 皮膚、 頭發和衣服能積累和保持很高的電壓， 此時接觸零件， 這些電荷快速傳給電子元件和總成， 產生靜電放電， 身體帶電造成的靜電放電如圖2所示。 二是零件帶電， 即缺少防護的零部件在靠近帶電材料的時候， 可能已經被感應帶電了， 這樣的零部件通過手的觸碰， 將突然放電， 零件帶電造成的靜電放電如圖3所示。

圖2 身體帶電造成的靜電放電

圖3 零件帶電造成的靜電放電

3 汽車生產制造過程中ESD的危害

ESD防護的必要性有兩點： 一是ESD損壞不易被發現，二是電子零件發展趨勢。

3.1 ESD損壞不易被發現

ESDS會由于ESD而被破壞或預損壞， 受到預損壞的零件沒有立刻出現故障， 只是性能或可靠性下降， 可能在很久后才表現出故障。 一方面， 缺陷已經流出， 造成后續抱怨； 另一方面， 缺陷分析時難以確定ESD損傷發生的時間。 電器元件內部ESD 損壞如圖4所示。

圖4 電器元件內部ESD損壞

電器元件從制造出來到裝配在車身過程 中， 眾 多ESD 防 護環節中稍有不慎， 輕則會造成車輛控制器失靈、 失效， 廢品率提升， 增加汽車制造企業零件成本；重則用戶在行駛中整車拋錨， 造成交通事故， 從而車輛批量召回， 直接影響企業聲譽與口碑。 ESD防護所涉及到的汽車制造過程鏈如圖5所示。

圖5 ESD防護所涉及到的汽車制造過程鏈

3.2 電子零件發展趨勢

試驗表明， 器件越大電容也越大， 可以容納每伏更多的電荷， 所以與比較小的器件相比對ESD的敏感性更低。隨著汽車電子技術的發展， 現代汽車中的電氣功能越來越多， 電子零件數量隨之增加， 電子零件集成度越來越高，尺寸越來越小， 對ESD防護能力隨之下降。 除此之外， 現在的零件在無意過程中可以帶很高的電壓， 甚至可以高于10kV。 零件的敏感度在進化的過程中會進一步提高， 當電壓達到100V時已經有危險。

4 汽車制造企業ESD防護措施

電器元件從制造出來到裝配在車身上， 中間要經歷電器元件包裝、 運輸、 電器元件入庫、 電器元件分裝及零件分揀、 供給送線、 裝配、 返修等過程， 繁雜的過程增加了汽車制造企業ESD防護的難度。

4.1 ESD防護的原理

一是防止靜電荷產生， 例如： 將相對濕度控制到50%~60%， 充電電壓與濕度的關系如圖6所示。 從圖6中可以看出空氣濕度低于40%及20%時， 充電電壓迅速增加。 或者相互摩擦的表面采用摩擦起電序列中相近的材料。 二是能以可控的方式耗散已經產生的靜電荷。 如果把人體、 零件、 器具通過某些方式接地， 將它們所帶電荷及時導出到大地中， 也不會發生ESD損害。 在此 過程中， 注意電荷不能在絕緣體內移動， 所以帶電的絕緣體不能通過接地來將電荷導走。 電荷導出不能太快， 否則仍可能會對人體或零件造成威脅，接地電阻達到MΩ級比較安全。

圖6 充電電壓與濕度的關系圖

4.2 ESD防護的具體要求

4.2.1 地面、 鞋和人體系統

防靜電鞋要能保證腳到地面的導電能力， 防靜電鞋接地 電 阻 要 求R≤1×10Ω。 地 面： 混 凝土地面本身是可以導電的， 但一般在上面覆蓋的涂層/地板是絕緣的， 這樣地面就不能導電了， 地面的要求 如 圖7 所 示。 而 防靜電的地面采用導電或耗散的表面材料，并通過導電的粘接劑固定在混凝土地面上， 即地面表面接地了。 人體： 人體本身就是導體， 所以穿著防靜電鞋在防靜電地面上活動時， 即使人體帶有電荷，也可以隨時導出到大地中。

圖7 地面的要求

4.2.2 防靜電工作臺

工作臺可以通過鋪設接地的防靜電墊子達到要求。 防靜電墊子由表面的靜電耗散層和底面的導電層構成， 底面再通過導線接地。 這樣， 桌面本身的靜電以及放在上面的導體的靜電都可以傳導到大地中， 防靜電工作臺的具體要求如圖8所示。

圖8 防靜電工作臺的具體要求

4.2.3 防靜電料架、 轉運車

很多托盤、 運輸小車和貨架都用金屬制作， 金屬本身是導電的， 但如果表面涂漆， 或是使用了絕緣的輪子， 電荷就不能導到大地中了。 在地板接地的前提下， 料架、 轉運車輪子如果不是導電材料的， 搭鐵線與拖地的鐵鏈也是允許的。

4.2.4 電離

在部分生產步驟中， 例如預裝、 材料準備等， 出于流程技術的原因無法舍棄使用絕緣、 高帶電可能性的材料（裝配工裝、 運行材料等）。 絕緣材料帶電即使接地也無法消除。 電荷通過絕緣體無法導出， 將一直保留。 中和絕緣材料電荷的唯一方式是采用電離器， 電離器會將兩極的帶電粒子 “吹” 到材料上， 同性的電荷會受到帶電材料的排斥， 帶電粒子被吸引并中和已帶電的表面， 電離過程如圖9所示。

圖9 電離過程

4.2.5 防靜電包裝

采用導電材料和耗散材料制造的防靜電包裝， 包裝或零件所帶的電荷可以通過貨架、 托盤等導出， 防靜電包裝材質要求如下所示， 防靜電包裝如圖10所示。

圖10 防靜電包裝

1） 導電材料： 表面或內部導電的材料 （表面電阻： 1×10Ω≤R＜1×10Ω）。

2） 絕緣材料： 電荷不能在表面或內部移動 （表面電阻： R≥1×10Ω）。

3） 耗散材料： 導電能力介乎于導電材料與絕緣材料之間， 能快速耗散電荷 （表面電阻：1×10Ω≤R＜1×10Ω）。

4） 防靜電的轉運包裝： 表面電阻R≤1×10Ω。

5） 抗靜電材料： 不容易產生或積累電荷， 表面電阻可能比耗散材料大， 不能耗散電荷。

6） 接地、 可導電的工作臺／工作椅／貨架／轉運料斗／轉運車： 接地電阻R≤1×10Ω。

4.2.6 生產現場人員操作要求

在汽車制造企業總裝車間電器元件裝配區域需要設置表明存在EPA的警示標識， 使人員在進入EPA之前能夠很好地觀察到。 此區域員工工作時需穿著防靜電工作服、 手套，防靜電工作服、 手套通常純棉材質可以滿足防靜電要求。員工在拿取ESD零件之前， 需要通過手觸摸防靜電料架鐵質部分或者車身鐵質部分來釋放靜電。

4.2.7 靜電放電保護區要求 （EPA）

1） 要區分靜電放電保護區（EPA） 和非保護區（UPA）。

2） 靜電放電保護區可以由工作場地、 一個房間或整個建筑組成。

3） 靜電放電保護區邊界必須做標記， 僅允許經培訓和指導的訪問者進入。

4） 靜電敏感元件 （ESDS） 僅允許經培訓人員操作。

5） 靜電敏感元件的包裝規定在靜電放電保護區內外必須無條件遵守。

6） 只有過程強制的絕緣體才允許在靜電放電保護區場地使用， 并且靜電場不得超過100V/cm。

7） 當靜電場超過100V/cm， 絕緣體必須挪出保護區，直到測量值小于100V/cm為止。

8） 當表面靜電勢能高于2000V， 此物體必須挪到離靜電敏感元件30cm以外 （顯示器、 電腦、 絕緣體等）。

5 小結

電器元件ESD防護工作貫穿汽車制造企業生產的諸多過程， ESD防護工作不僅需要科學規范的制度及流程， 而且需要企業技術管理人員的重視。 本文所講述的ESD防護內容僅供參考， 汽車制造企業除了要形成一整套全面系統的ESD防護措施和要求， 成立由質保、 產品、 采購、 規劃、物流、 車間共同參與的公司級ESD優化小組， 根據電器元件故障、 索賠信息， 確定零件靜電防護優先級， 并逐步推動實施， 定期對供應商和整車廠的生產/物流環節做ESD專項審核， 不斷優化促進靜電防護方面存在問題， 并持之以恒強有力地執行下去， 才能有效地減少電器元件因靜電放電造成的損壞率。