浅谈电子制造过程中的静电及静电防护

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ESD（ElectrostaticDischarge）即静电释放：两个带不同静电电平的物体，通过直接接触或静电电场的作用会使两物体的静电电荷发生位移，当静电电场达到一定能量，之间的介质被击穿而产生放电，这就是ESD的全过程。例如，在干燥的秋冬季节，推开门，开关抽屉，整理书籍，甚至按下计算机开关都有静电累积和释放的现象，可以说，我们就生活在一个静电的世界。由于生活中静电无处不在，所以，ESD也经常发生，大到电闪雷鸣，小到脱毛衣时迸出火花，都属于此列。我们可以按以下描述简单判断ESD的强弱，当放电电压低于3KV时，ESD过程就会发生，但我们不会感觉到，电压大于3KV时，人体有轻微麻麻的感觉，当电压大于6KV时，我们会听到“劈啪”的放电声，而当电压大于8KV时，同时还会伴随快速的电弧火花出现了。

随着科学技术的飞速发展，电子、通信、航天、航空等高新技术产业的迅速崛起，尤其是电子仪器仪表和设备等电子产品日趋小型化、多功能及智能化。高密度集成电路已成为电子工业对上述要求中不可缺少的器件。这种器件具有线间距短、线细、集成度高、运算速度快、低功率和输入阻抗高的特点，因而导致这类器件对静电越来越敏感。静电放电是导致元器件击穿危害和对电子设备的运行产生干扰的主要原因。在电子产品的生产中，从元器件的预处理、安装、焊接、清洗、至单板测试、总测、直到包装、储存、发送等工序，都可能产生对器件的静电放电击穿危害。因此，静电防护显得越来越重要。静电作为一种自然现象，不让它产生几乎是不可能的，但是，把它的存在控制在危险的水平之下，使其造成的损失尽可能减小，则是可以做得到的。有效地进行静电防护与控制，依赖于对静电现象的认识和对其发生、存在、消除的控制；依赖于掌握和了解静电与环境条件的关联性和静电发生的规律。

  
图1. 静电的产生

1. 静电的产生
在电子组装工业中，产生静电的主要途径为：摩擦、感应和传导。
1.1 摩擦
在日常生活中，任何两个不同材质的物体接触后再分离，即可产生静电，而产生静电的最普通方法，就是摩擦生电。材料的绝缘性越好，越容易产生摩擦生电。另外，任何两种不同物质的物体接触后再分离，也能产生静电。
1.2 感应
针对导电材料而言，因电子能在它的表面自由流动，如将其置于一电场中，由于同性相斥，异性相吸，正负电子就会转移。
1.3 传导
针对导电材料而言，因电子能在它的表面自由流动，如与带电物体接触，将发生电荷转移。 

    
 
图2. 静电释放对芯片内部造成破坏

2. 静电对电子产品的危害
静电对电子产品的危害有多种形式，并具有自身的特点。

2.1 静电危害的形式
静电的基本物理特性为：吸引或排斥，与大地有电位差，会产生放电电流。这三种特性对电子元器件的三种影响如下：
1）静电吸附灰尘，降低元器件绝缘电阻（缩短寿命）。
2）静电释放（ESD）破坏，造成电子组件不能工作。表1列出了一些常见电子元器件所能承受静电破坏的静电电压，从表中可以看出大部分器件的静电破坏电压都在几百至几千伏，而在干燥的环境中，人类活动所产生的静电可达几千伏到几万伏。图2是一个CMOS器件和一个双极型器件在受到ESD损伤后芯片内部的相貌图片。

3）静电放电产生的电磁场幅度很大（达几百伏/米）频谱极宽（从几十兆到几千兆），对电子产品造成干扰甚至损坏（电磁干扰）

这三种形式对元器件造成的损伤，既可能是永久性的（如功能丧失，不能恢复），也可能是暂时性的（如静电放电产生的干扰使功能暂时丧失）；既可能是突发失效，也可能是潜在失效。其中静电释放(ESD)事件是造成元器件损伤最常见和最主要的原因。

2.2 静电危害的特点
相对于其它应力，静电对电子产品危害存在以下一些特点：
1）隐蔽性。人体不能直接感知静电除非发生静电放电，但是发生静电放电人体也不一定能有电击的感觉，这是因为人体感知的静电放电电压为2－3 KV，所以，静电具有隐蔽性。
2）潜在性。即器件在受到ESD应力后并不马上失效，而会在使用过程中逐渐退化或突然失效。这时的器件是“带伤工作”。这是人们对静电危害认识不够的一个主要原因。实际上，静电放电对元器件损伤的潜在性和累积效应会严重地影响元器件的使用可靠性。由于潜在损伤的器件无法鉴别和剔除，一旦在上机应用时失效，造成的损失就更大。而避免或减少这种损失的最好办法就是采取静电防护措施，使元器件避免静电放电的危害。

3）随机性。电子组件在什么情况下会遭受静电破坏呢？可以这么说，从一个组件产生以后，一直到它损坏以前，所有的过程都受到静电的威胁，而这些静电的产生也具有随机性，其损坏也具有随机性。

4）复杂性。静电放电损伤的失效分析工作，因电子产品的精、细、微小的结构特点而费时、费事、费钱，要求较高的技术并往往需要使用一些高精密仪器。即使如此，有些静电损伤现象也难以与其它原因造成的损伤加以区别，使人误把静电损伤失效当作其它失效。这在对静电放电危害未充分认识之前，常常归因于早期失效或情况不明的失效，从而不自觉地掩盖了失效的真正原因。所以，静电对电子器件损伤的分析具有复杂性。

2.3 可能产生静电危害的制造过程

元器件从生产到使用的整个过程中都可能遭受静电损伤，依各阶段的生产可分为：
1）元器件制造过程；
2）印刷电路板生产过程　
3）设备制造过程；
4）设备使用过程；
5）设备维修过程 。

表1. 常见电子元器件所能承受的静电破坏的静电电压
 

在整个过程中，每一个阶段中的每一个小步骤，组件都可能遭受静电的影响，而实际上，最主要而又容易疏忽的一点却是元器件的传送与运输的过程。在整个过程中，不但包装因移动容易产生静电外，而且整个包装容易暴露在外界电场(如经过高压设备附近，工人移动频繁、车辆迅速移动等)而受到破坏，所以，传送与运输过程需要特别注意以减少损失，避免无谓之纠纷。

因此，从元器件的制造、使用到维修的任一环节都有可能发生静电危害。
3. 静电防护
静电防护的基本原则是：
a.　抑制静电荷的积聚；
b.　迅速、安全、有效地消除已经产生的静电荷。具体措施如下：
3.1 接地
接地就是直接将静电通过一条线的连接泄放到大地，这是防静电措施中最直接最有效的方法，对于导体通常用接地的方法，如有绳防静电手腕带、地板及工作台面接地等。
通常采用以下方法实施接地：
1）人体通过手腕带接地。
2）人体通过防静电鞋（或鞋带）和防静电地板接地。
3）工作台面接地。
4）测试仪器、工具夹、烙铁接地。
5）防静电地板、地（台）垫接地。
6）防静电周转车、箱、架接地。
7）防静电椅接地。
3.2 静电屏蔽

 
图3. 防静电腕带的配置

静电敏感组件在储存或运输过程中会暴露于有静电的区域中，用静电屏蔽的方法可削弱外界静电对电子组件的影响，最常用的方法是用静电屏蔽袋和防静电周转箱作为保护。另外，防静电衣对人体的衣服具有一定的屏蔽作用。

3.3 离子中和
绝缘体往往易产生静电，对绝缘体静电的消除，用接地方法是无效的，通常采用的方法是离子中和（部分采用屏蔽），即在工作环境中用离子风机等，提供一等电位的工作区域。

4. 静电防护材料与静电防护设施
因此，在防静电材料和防静电设施中，均是按这三种方式派生出来的产品，可分为防静电仪表，接地系统类防静电产品，屏蔽类防静电包装，运输及储存防静电材料，中和类静电消除设备，以及其它防静电用品。

4.1 防静电仪表
1）手腕带/脚腕带/防静电鞋综合检测仪用途：检测手腕带，脚筋带，防静电鞋是否符合要求。

2）测试脚带及防静电鞋时，需增加一块金属板及仪表连接的导线。

3）除静电离子风机检测仪用途：定期对离子风机平衡度和衰减时间进行检测及校验以确保离子风机工作在安全的指标范围。

4）静电场测试仪用途：测量静电场以反映静电的存在，以电压形式读数，用来测试环境的静电强度。一般受环境和静电瞬间特性影响，很难真实反映实际情况。
5）静电屏蔽袋测试仪用途：检测静电屏蔽袋的屏蔽效果。
6）表面电阻测量仪用途：测量材料表面电阻，体积电阻。
4.2 接地类防静电产品

 
图4. 防静电脚腕带

1）防静电手腕带：广泛用于各种操作工位，手腕带种类很多，建议一般采用配有1兆奥姆电阻的手腕带，线长应留有一定余量。
2）防静电脚腕带/防静电鞋：厂房使用防静电地面后，应配备防静电鞋，建议车间以穿防静电鞋为主，可降低灰尘的引入。操作人员再结合配带防静电脚腕带效果将会更佳。
3）防静电台垫：用于各工作台表面的铺设，每个台垫串上1兆欧电阻后与防静电地可靠连接。防静电台垫主要是防静电复合胶板，主要用于   垫桌面、流水线工作台面、货架及制做地垫等。材料面层分为草绿色，导电物质是抗静电剂；底层为黑色，导电物质是碳黑。
4）防静电地板：防静电地板也有多种，按时效性分，有永久性的和临时性的；按材料分有导电橡胶、PVC、导电陶瓷等；按铺设方式分，有地面直接铺设的和架空的活动地板。可根据实际需要和成本决定。如需要在地面走多种电缆、管道的环境如计算机房选择架空铺设的活动地板比较好。图5是一些防静电地板。
4.3 屏蔽类防静电包装运输及储存材料
1）防静电周转箱、防静电组件盒：用于车间单板和部件的周转，运输及储存。
2）防静电包装袋：用于单板和部件的包装、运输和储存，具有一定的防潮效果。
3）防静电胶带：用于各种包装箱等。
4）防静电IC包装管及IC托盘：用于生产车间IC元器件的储存、搬运。禁止在使用前，露天存放IC；或拆开包装运输。
5）防静电货架、手推车及工作台：防静电货架、手推车广泛用于电子装配车间的单板、部件的周转，搬运等。防静电货架及工作台要有防静电接地，手推车应有金属链与大地接触。

 
(a) 防静电复合地板

 
(b) 防静电PVC地板块

 
(c) 防静电机房高架地板

图5.  防静电地板

6）防静电工作服工作鞋：在具有静电敏感元器件，具有一定洁净度要求的加工车间，一般应严格要求员工穿戴防静电工作服工作鞋。防静电服装是用不同色的防静电布制成。布料纱线含一定比例的导电纱，导电纱又是由一定比例的不锈钢纤维或其它导电纤维与普通纤维混纺而成。通过导电纤维的电晕放电和泄漏作用消除服装上的静电。由于不锈钢纤维属金属类纤维，所以，由它织成的防静电布料的导电性能稳定，不随服装的洗涤次数而变化。
7）防静电手指套：如操作员工需经常手拿静电敏感元器件时，要戴防静电手指套。

4.4 中和类设备和工具
离子风机、风枪、风嘴、风帘、离子棒等。
5. 防静电的一般工艺规程要求
静电就象细菌一样，虽然是看不见，摸不，但是它随时随地存在。在日常生活中，如走动，翻书，甚至空气流动等都会产生静电。静电开始产生时，静电量随时间的延续而增加，但积到一定程度时，静电量不会无限增加而趋于某一稳定值。当电子组件表面积聚的静电达到稳定值时，它的性能会受到很大的影响。

下面介绍电子制造过程中的静电防护的一般工艺规程要求：
1）生产区域长期处于恒温、恒湿的稳定环境，一般温度控制在25℃，湿度控制在65%，并每天有专人进行测试，并做有效记录。
2）张贴醒目的静电敏感器件标志，图7是各种防静电标志。其中（a）是防静电工作区的标志，（b）和（c）是防静电容器、组件架、运输车等器材上的标记；（d）是经防静电处理的物品和场所的标记。

  
（a） 防静电包装袋

 
（b） 防静电IC包装管

图6.  一些常用防静电包装制品

3）车间内的各类机器（丝网印刷机、贴片机、测试台）应具有良好的接地。
4）操作者在接触电子产品时必须戴防静电手腕带，并要求戴腕带的操作人员每天上、下午上班前各测试一次，以保证腕带与人体的良好接触，腕带电阻1M奥姆；
5）在贴装过程中，需要手拿电路板时，规定只能拿电路板边缘无电子元器件处，而不能直接接触电子元器件引脚。
6）ESD敏感型器件必须用静电屏蔽；
7）准备开封、测试静电敏感器件时必须在防静电工作台上进行，有条件的可配用离子风机清除空气中的不平等电荷；
8）组装所用的焊接设备及成形工装设备都必须接地，焊接工具使用内热式烙铁，接地要良好，接地电阻要偏小；
9）测试产品时，在电源接通的情况下，不能随意插拔器件，必须在关掉电源的情况下插拔；
10）凡ESD敏感型器件不应过早地拿出原封装，要正确按操作规范，尽量不要触摸ESD敏感型器件管腿；
11）用波峰焊接时，焊料和传递系统必须接地；
12）在ESD敏感型测试仪器生产在线，应严格使用静电电位测试仪，监视静电电位的变化情况，以便及时采取静电消除措施；
13）防静电安全工作台：
a. 静电安全工作台是防静电工作区的基本组成部分，它由工作台、防静电台垫、腕带接头和接地线等组成；
b. 防静电台垫上应不少于两个腕带接头，一个供操作人员使用，另一个供技术人员，检验人员或其它人员使用；
c. 必要时，静电安全工作台上应配备离子风机；
d. 静电安全工作台上不允许堆放塑料盒（片）、橡皮、纸板、玻璃等易产生静电的杂物，图纸数据等应装入防静电文件袋内；

 
图7. 各种防静电标志

14）防静电容器在电子设备研制生产过程中，一切贮存、周转ESD敏感型器件的容器（元器件袋、转运箱、印制板架、元器件存放盒等）应具备静电防护性能。不允许使用金属和普通塑料容器。必要时，存放部件用的周转箱应接地；

15）静电消除器消除绝缘材料表面的静电荷应使用离子风静电消除器；
16）防静电工作服：
a. 进入防静电工作区或接触ESD敏感型器件的人员应穿防静电工作服，防静电工作服面料应符合GB12014规定；
b. 在相对湿度大于50%的环境中，防静电工作服允许选用纯棉制品；
17）防静电工作鞋进入防静电工作区或接触ESD敏感型器件的人员应穿防静电工作鞋，防静电工作鞋应符合GB 4385的有关规定。一般情况下，允许穿普通鞋，但应同时使用导电鞋束或脚腕带；
18）防静电运输车转运ESD敏感型器件或含有ESD敏感型器件的整、部件时，应采用有防静电性能的运输车；

防静电器材基本配置表    电子行业标准SJ/T10533-94《电子设备制造防静电技术要求》

 
 
备注：★表示必须配置项目 ○表示需要时培植项目局部区域配置项目

当存在静电电位差时、静电强度大到足够击穿物体或表面之间的隔离或直接接触到这些物体时，就可能发生静电放电。因此，防止任何可能的静电放电事件发生的唯一解决方法是保持所有物体处于等电位。

防静电操作系统组成件的静电性能要求《国际标准IEC/SC15D/47/CD》