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| 工艺设备 |
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| 基于电子产品SMT生产过程中的ESD防护技术 |
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摘要：随着现代电子产品SMT制造业的发展和复杂程度的提高，静电放电对电子产品的危害也越来越严重。本文主要介绍了静电的物理特征、静电放电的原因、静电对电子产品的危害以及静电源。重点提出了如何在SMT生产过程中防护静电放电，避免静电对电子产品的危害，以及静电放电防护的误区解析。
关键字：SMT，静电放电，静电防护，接地，防静电工作区
Electrostatic protecting technology based on the
electronic discharge product in SMT production
Zhu Guibing
(SMT laboratory of Nanjing College of Information Job
Technology , Nanjing ,210046)
Abstract：With the development and improvement of
complexity of the modern electronic product SMT
manufacturing industry, electrostatic discharge more and
more serious to the danger of the electronic product.
This paper has mainly introduced the physical
characteristic of the electrostatic、the reason of
electrostatic discharge、static accident to the
electronic product and the source of static. Have
introduced especially how to protect electrostatic
discharge in SMT producing process; avoid the static
danger to the electronic product, and the mistaken idea
of the electrostatic discharge protected is analyzed.
Key words：SMT，electrostatic discharge，electrostatic
protect，Grounding，ESD Protected Area
静电，一种自然存在的物质，对我们的生活有很大的影响，尤其是现代所用的电子产品。
一．引言
静电，是物体表面过剩或不足的相对静止不动的电荷，是一种电能，它留存于物体表面，是正电荷与负电荷在局部范围内失去平衡的结果。其特点是高电位，低电量，极小的电流以及作用时间短；受环境条件，特别是湿度的影响较大，静电测量时复现性差，瞬态现象多等。因此人们只能从一些特殊的效果中才能感觉到静电。随着半导体器件遵循摩尔定律的倍增规律的发展，器件变得越来越小，芯片集成度越来越高，静电的高电位对电子产品的危害也就越来越大，因此静电防护势在必行。
静电和工业电荷一样，也遵循普通电学规律。它在物体上不会永久地存在，会随着时间的流逝而消失，静电荷通过中和与泄漏自行消失的现象称为电荷的消散或衰减，电荷一般按指数规律衰减。在电子产品SMT生产过程中静电荷的衰减和起电这两个相反的过程往往是同时存在，一般把静电荷的起电与衰减达到的动态平衡称为静电荷的净积累。
二．静电放电，静电的危害及静电源
当带电体上的电荷产生了电场，且电场强度超过周围介质的绝缘击穿强度时，带电体表面附近的介质就发生电离，引起静电电荷的转移，从而使带电体上电荷趋向减少或消失，这时就会出现静电放电（ESD）。ESD对电子产品所造成的危害主要表现为损伤，击穿是损伤的一种。图2－1是电子元器件受ESD影响而损坏的放大图，这是一种“爪型脚”损伤。通常电子元器件ESD失效形式有1)热二次击穿、2)金属化熔融、3)体击穿、4)介质击穿、5)气弧放电、6)表面击穿。前三者的失效与能量有关，后三者的失效与电压有关。表2－1为典型元器件的ESD失效列表。
在日常操作、贮存、传递、测试等过程中容易因ESD而引起损伤的器件称为静电敏感器件，简称SSD，不同器件的静电破坏电压如表2－2所示。
静电起电的过程可归纳为：接触→电荷转移→偶电层的形成→电荷分离四步。消除静电，当首先找其产生地根源，在电子产品SMT生产过程中生成静电的环节有很多，比如SMT电子设备对产品的电磁感应起电，物体间的摩擦起电，粉尘起电等等，摩擦起电是最主要的。所谓人体静电是指由于自身行动或与其它的带电物体相接触或相接近而在人体上产生并积聚的静电。人体静电的常见起电方式主要有：1)摩擦起电、2)
步行起电、3)
静电感应起电、4)接触传导带电四种，无论那一种起电方式，产生的静电电压都是相当惊人的，有几千伏乃至上万伏。
三．静电放电的防护
ESD防护是一个系统工程，渗透到生产的全过程，每个环节都必须同样重视，万不可厚此薄彼。基于SMT生产过程的ESD防护系统主要有：1)生产车间环境ESD防护、2)SMT生产环境的ESD防护、3)人体静电防护、4)静电防护接地系统、5)静电检测与仪表控制系统、6)防护措施的日常维护。
SMT组装过程中静电防护的根本目的是保证元器件、SMA在制造和使用过程中免受损害或少受损害，因此必须防护ESD。静电防护的基本思想是：1)对可能产生静电的地区要有效地控制其积聚、2)对已经积聚静电的地区要做到有效地释放，不让其造成危害。其基本原则可归纳为三个字“防”、“泄”、“控”。防止生成静电场，有效地抑制或减少静电荷的产生，严格控制静电源；迅速、安全、有效地消除已经产生的静电荷，避免静电荷的积聚；对所有防静电措施实施有效的实时监控，定期检测、维护。以此思想武装自己，并通过一些基本的ESD防护途径比如泄漏法、静电屏蔽法、离子中和法、工艺控制法等对电子产品SMT生产过程可能产生的静电实施有效的控制。我们可以通过如下的比较来评估静电防护效果。
E0 —SSD的静电放电安全标准值；
Em —生产作业过程中实际测量到的最大ESD值；
Em’—采取了静电防护后，降低了的最大ESD值；
E0’ —提高了抗静电能力后的ESD安全标准保护值。
ΔE12=E0’－E0评估第一和第二层次的ESD效果。
ΔE3= E0－Em’作为第三层ESD效果的评估指标。
一）． 生产车间环境ESD的防护
生产车间是防静电的重要工作区，它的地面、墙壁、天花板、门窗、管道布线等等均必须按国家标准要求选择防静电材料，地面是静电产生的主要来源之一，因此必须重视工作区地面的静电防护。地面的静电防护办法有：1)喷涂防静电地板漆、2)铺防静电PVC贴面地板、3)铺防静电橡胶地板、4)铺防静电环氧自流坪、5)铺防静电高架地板。
铺设防静电PVC贴面地板是现代电子企业比较流行的一种防静电办法，对企业来讲它是一种长效的静电防护手段，而且它安装简单，维护容易，因此能被广泛采用。其具有良好的导电性能和静电耗散能力；地板材料不会随时间的推移，环境温湿度变化而失去或降低导电性能；地板耐酸碱，耐摩擦性强；表面具有防尘，易清洁和维护等优点。该地板主要由PVC树脂、导电材料、增塑剂、稳定剂与填料等组成。规格和尺寸有多种，防火级别至少达到B1级，耐摩度至少为0.02g/㎝
，当人在这种地板上走动因摩擦产生静电时，静电会沿着导电地面材料传给导电胶，再由导电胶传给接地设施，以此达到防静电的效果。
为了更好地发挥防静电地板的效用，延长其有效寿命，在日常使用时我们必须注意以下事项：1）我们应保持地板表面洁净，避免积垢，方可充分发挥防静电地板的抗静电性能；2）避免尖利的物品在地板表面拖拽，以免造成地面划伤；3）避免过于沉重、有棱角的物体直接砸在地板上；4）安装或移动设备、较重物体时，注意采取对地面的保护措施，比如可在地板上铺纸板等；5）人员进入铺设防静电地板的区域，应更换鞋子，避免将泥土、沙粒等带入防静电工作区；6）地板表面如滴上油污或有机溶济，应及时擦去。当然对于防静电地板我们除了在使用时要珍惜，爱护之外，还必须注意维护和保养它。1)每天用微湿的拖把清洁地面，擦去表面灰尘。2)定期清洗，表面打具有高耐摩性的防静电蜡。
二）． 人体静电防护
正如前文所述，人体静电是ESD的重要来源，起电方式有多种，而且极其不易察觉，对电子产品却是极大的危害，这数千乃至数万伏的静电在瞬间放电时释放的能量可高达几十瓦，这足以引起芯片微区烧毁或SiO2膜被击穿。因此对进入防静电工作区（包括生产、仓储、运输过程）的人员均要进行静电防护，其中首要的就是配备防静电服、防静电手腕带，防静电帽和防静电鞋，进出工作区要随时检测其身上所带的静电是否达标，超标严禁入内。人体所携带的静电只有通过这些办法才能有效的释放和控制，从而确保SMA安全。
三）． 建立防静电工作区（EPA）
EPA是一个配备各种防静电设备和器材、能限制静电电位、具有确定的边界和专用标记的适于从事静电防护操作的场所。在该场地经培训的工作人员可以在具有最小的静电放电或静电场损害的情况下操作ESD敏感产品。EPA的防静电标记如图3－1。
EPA通常由防静电安全工作台及防静电桌垫、防静电地垫、防静电区域警示标志、防静电元器件盒（袋）、防静电周转车，周转箱、接地工具和设备以及其它保护设备等组成。防静电桌垫的结构分为两层，上层为静电耗散层，下层为导电层，一般我们主要通过导电率、接地电阻率、静电衰减时间、耐高温、颜色等参数选择。企业可以根据自己的需要选择防静电桌垫，一般要求静电衰减时间≤0.05s。
对电子制造企业来说建立EPA很重要，而很好地保护EPA则更重要。对于EPA的保养我们要做到每日一次、每周一次、每月一次、每季度一次，反复循环，所有人都严格要求自己。每天我们要观察员工的防静电服装和鞋的穿戴情况以及手腕带或脚腕带的佩戴情况，要测量EPA的环境温度、相对湿度，人体的对地电阻等并记录。每周我们要观察EPA的防静电工作台面、地板与地垫以及系统的接地情况并记录。每个月我们要观察防静电标记是否存在、要测量EPA的静电电位、工作服与防静电手套，指套的对地电阻和表面（点对点）电阻、离子风机的静电中和能力等等并记录在案。每个季度我们要测量防静电工作台面、地板、地垫、周转容器、工作椅、电烙铁、存放器、小车以及所有加工制造设备的对地电阻和表面电阻并记录在案。
四）． 静电防护接地系统
所谓接地是指将电气连接到能供给或接受大量电荷的物体上，地线是指能够接受或提供大量电荷的物质（如大地、设备外壳等）。通常所说的接地有硬接地和软接地之分：硬接地是指直接或通过一个低阻抗同地线相连；软接地是指通过足够高的阻抗接地，将电流限制在人身安全电流（通常为5mA）之下。防静电地线是专供静电工程器具和人体泄漏静电电荷使用，不得接在电源零线上，也不得与防雷地线共用，必须有独立可靠的接地装置，接地电阻一般应小于10Ω。防静电地线有两种铺设方法：
1．从专门埋设的地线接地体引出接地线，单独铺设到SMT生产线的防静电作业岗位；单独铺设的接地导线通常使用至少3mm厚、约25mm宽的紫铜皮或用截面大约为4~6㎜
的铜芯软线单独引入。该方法铺设的专门的防静电地线是专用于人体、台垫、防静电器具等的防静电软接地，它与电气保护接地线并存，设备、仪器、AC工具等必须以硬接地的方式接入电气保护地线接地，因此EPA内同时需要维护两条接地母线，防止两条接地线的混用，增加了一些维护控制的难度。该种方式主要用于静电非常敏感的操作环境，如总装线、调试线等。
二）采用三相五线制供电系统中的电气保护地线为防静电地线，引入电源零线的同时，单独引出大地地线作防静电接地线，工程上称为“一点引出电阻隔离”。
电源主变电箱引出的电气保护地线通过接地地桩与大地连接，电气保护地线到大地的保护接地电阻应小于4Ω。该方法采用的电气保护地线为防静电地线，电气保护地线接地可靠，有利于维护，便于控制。人体腕带、台垫、防静电器具等串连1MΩ的电阻接入电气保护地线（软接地），设备、仪器、AC工具等直接接入电气保护地线（硬接地）。
埋设地线的原则是埋设地点的土壤电阻系数愈小愈好；接地体与土壤的接触面积要大，接触密度要高，接触要紧。埋设地线需要注意：接地线与接地体接头必须焊接牢固，要有足够的机械强度，引线不要过长；要采用耐腐蚀的接地体金属。电气保护地线应该按照动力配电安全管理制度定期进行检测维护，每半年至少检测一次地线配置系统电阻值，要求室内电气保护地线到大地的接地电阻小于4Ω。
五）． 选用防静电材料防静电
所谓ESD防护材料是指具有限制静电荷的发生、耗散静电荷或对静电场提供屏蔽等一种或多种功能的材料。在整个防静电系统中几乎所有的场合比如人体静电防护所用的防静电服装及辅助产品，墙壁、地板等生产环境防护系统，EPA的台垫、防静电容器、贮运工具、ESD包装材料，接地类材料以及检测和静电消除仪器均需要选用防静电材料，为此材料的好坏对整体防静电起到决定性的作用。
防静电包装材料的防静电性能必须通过检验测试合格才能用于器件、产品包装。新式防静电包装材料必须经过多个部门的检验，并通过检验方可使用。而且还要接受不定期的稽查抽测，用于验证其防静电的有效性。
六）． 离子中和法
静电绝缘体材料表面所产生的静电荷以正、负电荷对称产生，离子中和法是使空气先发生局部电离而产生含有正、负离子的空气气流，然后用风机将气流吹向静电荷积聚区，气流中的正、负离子将遵循同性相斥、异性相吸的原理与绝缘体表面所积聚的静电荷进行中和，从而达到消除静电的目的。
四．静电防护的误区
在电子产品SMT生产过程中对于ESD防护我们有很多认识误区，这些误区也影响了电子产品质量。
1） 我们通常会自我认为没有证据显示静电会损伤元器件。事实如此吗，不是。由于ESD所表现出来的破坏并不能证明是由于ESD直接导致，故并无明显证据。但经验上，可以从采取静电防护措施前后的合格率来显示效果，或把产品解剖，观察其破坏，排除不可能的原因，再揣测与静电的关联，这时我们就不能自认为ESD不会造成元器件地损伤了。
2）
生产环境所测出的静电已经很低了，故无需做防静电措施。事实如此吗，不是。物件表面静电压的反映，只与物件的电荷数量有关，但若静电荷快速地流走，所产生的瞬间电流就可能很大，并造成破坏。
3） 所用的电路都有静电保护设计了，故无需做静电防护措施。事实如此吗，不是。静电保护电路的设计在于若有ESD时，只能防止ESD在产品某些部分不会造成破坏，而在产品其它没有保护的地方，静电仍然会造成损害。而且ESD是随机的，并没有固定的路线。
4）
很多人认为做静电防护措施就是戴手腕带，因此戴手腕带后就不需要穿防静电工作服、工作鞋了。事实如此吗，不是。因为腕带只能泄漏掉作为良导体的人体皮肤上的静电，而对泄漏掉绝缘性较强的服装上的静电则是无能为力，因此必须足够高度重视消除服装、鞋的静电。
5）
很多人认为所谓静电防护措施就是接地。事实如此吗，不是。接地是静电防护系统的基础，但接地只可能把导体上的静电导走，对产品上的绝缘部分无效，另外接地导体与绝缘体接触后，虽然导体上不会存在静电，但绝缘体上仍然产生有静电。绝缘体必须使用离子中和法消除静电。
6） 采用电阻率极低的金属作为防静电材料。电阻率极低的金属是可以把静电导走，但要用作ESD防护材料有如下问题：一、可能因为漏电而使操作工不慎接触高压或硬接地时容易发生人身伤害事故；二、若有一带静电产品与它靠近时，由于金属为良导体，此时极易发生静电放电，其能量释放很快，发生的放电火花和电磁噪声会对元器件造成很大的损伤；三、金属台面上操作时，器件或印制板的连接导线由于接触金属导电表面会引起短路，造成损害。因此静电防护材料一般选用表面电阻率10
≤ ＜10 Ω/sq或体积电阻率10 Ω.cm≤ ＜10 Ω.cm的静电耗散材料，其导静电及静电在其上的积累程度介于静电导体和静电绝缘体之间。
五．总结
防静电工程涉及的SMT生产部门众多，需要各部门相互协调、共同努力，各司其职，ESD才能得到有效控制。制定完善的静电防护管理规程，实行有效的管理和监控，可以最大限度地减少或避免静电放电对电子产品的危害。
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