淺談電子制造過程中的靜電及靜電防護

引言

　　ESD(Electrostatic Discharge)即靜電釋放：兩個帶不同靜電電平的物體，通過直接接觸或靜電電場的作用會使兩物體的靜電電荷發(fā)生位移，當靜電電場達到一定能量，之間的介質被擊穿而產生放電，這就是ESD的全過程。由于生活中靜電無處不在，所以ESD也經(jīng)常發(fā)生。我們可以按以下描述簡單判斷ESD的強弱，當放電電壓低于3 kV時，ESD過程會發(fā)生但我們不會感覺到，電壓大于3 kV時，人體有輕微麻麻的感覺，當電壓大于6 kV時，我們會聽到"劈啪"的放電聲，而當電壓大于8 kV時，同時還會伴隨快速的電弧火花出現(xiàn)。

　　隨著科學技術的飛速發(fā)展，電子、通信、航天航空等高新產業(yè)的迅速崛起，尤其是電子儀器儀表和設備等電子產品日趨小型化、多功能及智能化。高密度集成電路已成為電子工業(yè)對上述要求中不可缺少的器件。這種器件具有線間距短、線細、集成度高、運算速度快、低功率和輸入阻抗高的特點，因而導致這類器件對靜電越來越敏感。靜電放電是導致元器件擊穿危害和對電子設備的運行產生干擾的主要原因。在電子產品的生產中，從元器件的預處理、安裝、焊接、清洗、至單板測試、總測、直到包裝、儲存、發(fā)送等工序，都可能產生對器件的靜電放電擊穿危害。因此，靜電防護顯得越來越重要。靜電作為一種自然現(xiàn)象，不讓它產生幾乎是不可能的，但是，把它的存在控制在危險的水平下，使其造成的損失盡可能減小，則是可以做得到的。有效地進行靜電防護與控制，依賴于對靜電現(xiàn)象的認識和對其發(fā)生、存在、消除的控制；依賴于掌握和了解靜電與環(huán)境條件的關聯(lián)性和靜電發(fā)生的規(guī)律。 2 靜電的產生

　　在電子組裝工業(yè)中，產生靜電的主要途徑為：摩擦、感應和傳導。

2.1摩擦

　　在日常生活中，任何兩個不同材質的物體接觸后再分離，即可產生靜電，而產生靜電的最普通方法，就是摩擦生電。材料的絕緣性越好，越容易產生摩擦生電。另外，任何兩種不同物質的物體接觸后再分離，也能產生靜電。



2.2感應

　　針對導電材料而言，因電子能在它的表面自由流動，如將其置于一電場中，由于同性相斥，異性相吸，正負電子就會轉移。

2.3傳導

　　針對導電材料而言，因電子能在它的表面自由流動，如與帶電物體接觸，將發(fā)生電荷轉移。

3 靜電對電子產品的危害

　　靜電對電子產品的危害有多種形式，并具有自身的特點。

3.1．靜電危害的形式

　　靜電的基本物理特性為：吸引或排斥，與大地有電位差，會產生放電電流。這三種特性能對電子元器件產生三種影響：

　　(1)靜電吸附灰塵，降低元器件絕緣電阻(縮短壽命)。

　　(2)靜電釋放(ESD)破壞，造成電子元件不能工作。表1列出了一些常見電子元器件所能承受靜電破壞的靜電電壓，從表中可以看出大部分器件的靜電破壞電壓都在幾百至幾千伏，而在干燥的環(huán)境中人活動所產生的靜電可達幾千伏到幾萬伏。圖2是一個CMOS器件和一個雙極型器件在受到ESD損傷后芯片內部的相貌像；

　　(3)靜電放電產生的電磁場幅度很大(達幾百伏／米)頻譜極寬(從幾十兆到幾千兆)，對電子產品造成干擾甚至損壞(電磁干擾)。

　　這3種形式對元器件造成的損傷，既可能是永久性的(如功能喪失，不能恢復)，也可能是暫時性的(如靜電放電產生的干擾使功能暫時喪失)；既可能是突發(fā)失效，也可能是潛在失效。其中靜電釋放(ESD)事件是造成元器件損傷最常見和最主要的原因。

3.2靜電危害的特點

　　相對于其它應力，靜電對電子產品危害存在以下一些特點：

　　(1)隱蔽性。人體不能直接感知靜電除非發(fā)生靜電放電，但是發(fā)生靜電放電人體也不一定能有電擊的感覺，這是因為人體感知的靜電放電電壓為2～3 kV，所以靜電具有隱蔽性。

　　(2)潛在性。即器件在受到ESD應力后并不馬上失效，而會在使用過程中逐漸退化或突然失效。這時的器件是"帶傷工作"。這是人們對靜電危害認識不夠的一個主要原因。實際上，靜電放電對元器件損傷的潛在性和累積效應會嚴重地影響元器件的使用可靠性。由于潛在損傷的器件無法鑒別和剔除，一旦在上機應用時失效，造成的損失就更大。而避免或減少這種損失的最好辦法就是采取靜電防護措施，使元器件避免靜電放電的危害。

　　(3)隨機性。電子元件什么情況下會遭受靜電破壞呢?可以這么說，從一個元件產生以后，一直到它損壞以前，所有的過程都受到靜電的威脅，而這些靜電的產生也具有隨機性，其損壞也具有隨機性。 (4)復雜性。靜電放電損傷的失效分析工作，因電子產品的精、細、微小的結構特點而費時、費事、費錢，要求較高的技術并往往需要使用一些高精密儀器。即使如此，有些靜電損傷現(xiàn)象也難以與其他原因造成的損傷加以區(qū)別，使人誤把靜電損傷失效當作其他失效。這在對靜電放電危害未充分認識之前，常常歸因于早期失效或情況不明的失效，從而不自覺地掩蓋了失效的真正原因。所以靜電對電子器件損傷的分析具有復雜性。

3.3可能產生靜電危害的制造過程

　　元器件從生產到使用的整體過程中都可能遭受靜電損傷，依各階段的可分為：(1)元器件制造過程；(2)印刷電路板生產過程；(3)設備制造過程；(4)設備使用過程；(5)設備維修過程。

　　在整個過程中，每一個階段中的每一個小步驟，元件都可能遭受靜電的影響，而實際上，最主要而又容易疏忽的一點卻是在元器件的傳送與運輸?shù)倪^程。在這整個過程中，不但包裝因移動容易產生靜電外，而且整個包裝容易暴露在外界電場(如經(jīng)過高壓設備附近，工人移動頻繁、車輛迅速移動等)而受到破壞，所以傳送與運輸過程需要特別注意以減少損失，避免無謂之糾紛。

　　所以，從元器件的制造、使用到維修的任一環(huán)節(jié)都有可能發(fā)生靜電危害。

4 靜電防護

　　靜電防護的基本原則是：(1)抑制靜電荷的積聚；(2)迅速、安全、有效地消除已經(jīng)產生的靜電荷。

4.1接地

　　接地就是直接將靜電通過一條導線的連接泄放到大地，這是防靜電措施中最直接最有效的方法，對于導體通常用接地的方法，如有繩防靜電手腕帶、地板及工作臺面接地等。

　　接地通過以下方法實施：

　　(1)人體通過手腕帶接地；

　　(2)人體通過防靜電鞋(或鞋帶)和防靜電地板接地；

　　(3)工作臺面接地；

　　(4)測試儀器，工具夾，烙鐵接地；

　　(5)防靜電地板，地(臺)墊接地；

　　(6)防靜電周轉車，箱，架接地；

　　(7)防靜電椅接地。

4.2靜電屏蔽

　　靜電敏感元件在儲存或運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，最通常的方法是用靜電屏蔽袋和防靜電周轉箱作為保護。另外防靜電衣對人體的衣服具有一定的屏蔽作用。

4.3離子中和

　　絕緣體往往是易產生靜電，對絕緣體靜電的消除，用接地方法是無效的，通常采用的方法是離子中和(部分采用屏蔽)，即在工作環(huán)境中用離子風機等，提供一等電位的工作區(qū)域。

5 靜電防護材料與靜電防護設施

　　因此在防靜電材料和防靜電設施中，均是按這3種方式派生出來的產品，可分為防靜電儀表，接地系統(tǒng)類防靜電產品，屏蔽類防靜電包裝，運輸及儲存防靜電材料，中和類靜電消除設備，以及其它防靜電用品。

5.1防靜電儀表

　　(1)手腕帶／腳腕帶／防靜電鞋綜合檢測儀用途：檢測手腕帶，腳腕帶，防靜電鞋是否符合要求；

　　(2)測試腳帶及防靜電鞋時，需增加一塊金屬板及儀表連接的導線；

　　(3)除靜電離子風機檢測儀用途：定期對離子風機平衡度和衰減時間進行檢測及校驗以確保離子風機工作在安全的指標范圍；

　　(4)靜電場測試儀用途：測量靜電場以反映靜電的存在，以電壓形式讀數(shù)，用來測試環(huán)境的靜電強度。一般受環(huán)境影響和靜電瞬間特性，很難真實反映實際情況；

　　(5)靜電屏蔽袋測試儀用途：檢測靜電屏蔽袋的屏蔽效果；

　　(6)表面電阻測量儀用途：測量材料表面電阻，體積電阻。

5.2接地類防靜電產品

　　(1)防靜電手腕帶：廣泛用于各種操作工位，手腕帶種類很多，建議一般采用配有1兆歐姆電阻的手腕帶，線長應留有一定余量。

　　(2)防靜電腳腕帶／防靜電鞋：廠房使用防靜電地面后，應配備防靜電鞋，建議車間以穿防靜電鞋為主，可降低灰塵的引入。操作人員再結合配帶防靜電腳腕帶效果將會更佳。

　　(3)防靜電臺墊：用于各工作臺表面的鋪設，每個臺墊串上1兆歐電阻后與防靜電地可靠連接。防靜電臺墊主要是防靜電復合膠板，主要用于捕墊桌面、流水線工作臺面、貨架及制做地墊等。材料面層分為草綠色，導電物質是抗靜電劑；底層為黑色，導電物質是碳黑。

　　(4)防靜電地板：防靜電地板也有多種，按時效性分，有永久性和臨時性；按材料分有導電橡膠、PVC、導電陶瓷等；按鋪設方式分，有地面直接鋪設的和架空的活動地板?？筛鶕?jù)實際需要和成本決定。如需要在地面走多種電纜、管道的環(huán)境如計算機房選擇架空鋪設的活動地板比較好。圖5是一些防靜電地板。

5.3屏蔽類防靜電包裝運輸及儲存材料

　　(1)防靜電周轉箱、防靜電元件盒：用于車間單板和部件的周轉，運輸及儲存；

　　(2)防靜電包裝袋：用于單板和部件的包裝、運輸和儲存，具有一定的防潮效果；

　　(3)防靜電膠帶：用于各種包裝箱等；

　　(4)防靜電IC包裝管管及IC托盤：用于生產車間IC元器件的儲存、搬運。禁止在使用前，露天存放IC；或拆開包裝運輸；

　　(5)防靜電貨架、手推車及工作臺：防靜電貨架、手推車廣泛用于電子裝配車間的單板、部件的周轉，搬運等。防靜電貨架及工作臺要有防靜電接地，手推車應有金屬鏈與大地接觸；

　　(6)防靜電工作服工作鞋：在具有靜電敏感元器件，具有一定潔凈度要求的加工車問，一般應嚴格要求員工穿戴防靜電工作服工作鞋。防靜電服裝是用不同色的防靜電布制成。布料紗線含一定比例的導電紗，導電紗又是由一定比例的不銹鋼纖維或其它導電纖維與普通纖維混紡而成。通過導電纖維的電暈放電和泄漏作用消除服裝上的靜電。由于不銹鋼纖維屬金屬類纖維，所以，由它織成的防靜電布料的導電性能穩(wěn)定，不隨服裝的洗滌次數(shù)而變化；
　　(7)防靜電手指套：如操作員工需經(jīng)常手拿靜電敏感元器件時，要戴防靜電手指套。

5.4中和類設備

　　離子風機、風槍、風嘴、風簾、離子棒等。

6 防靜電的一般工藝規(guī)程要求

　　靜電就象細菌一樣，雖然是看不見，摸不著，但是它隨時隨地存在。在日常生活中，如走動，翻書，甚至空氣流動等都會產生靜電。靜電開始產生時，靜電量隨著時間的延續(xù)而增加，但積到一定程度時，靜電量不會無限增加而趨于某一穩(wěn)定值。當電子元件表面積聚的靜電達到穩(wěn)定值時，它的性能會受到很大的影響。

　　下面介紹電子制造過稗中靜電防護的一般工藝規(guī)程要求：

　　(1)生產區(qū)域長期處丁恒溫、恒濕的穩(wěn)定環(huán)境，一般溫度控制在25℃，濕度控制在65％，并每天有專人進行測試，并做有效記錄；

　　(2)張貼醒目的靜電敏感器件標志，圖7是各種防靜電標志。其中(a)是防靜電工作區(qū)的標志，(b)和(c)是防靜電容器、元件架、運輸車等器材上的標記；(d)是經(jīng)防靜電處理的物品和場所的標記；

　　(3)車間內的各類機器(絲網(wǎng)印刷機、貼片機、測試臺)應具有良好的接地；

　　(4)操作者在接觸電子產品時必須戴防靜電手腕帶，并要求戴腕帶的操作人員每天上、下午上班前各測試一次，以保證腕帶與人體的良好接觸，腕帶電阻1 MΩ；

　　(5)在貼裝過程中，需要手拿電路板時，規(guī)定只能拿電路板邊緣無電子元器件處，而不能直接接觸電子元器件引腳；

　　(6)ESD敏感型器件必須用靜電屏蔽；

　　(7)準備開封、測試靜電敏感器件時必須在防靜電工作臺上進行，有條件的可配用離子風機清除空氣中的不平等電荷；

　　(8)組裝所用的焊接設備及成形工裝設備都必須接地，焊接工具使用內熱式烙鐵，接地要良好，接地電阻要偏??；

　　(9)產品測試時，在電源接通的情況下，不能隨意插拔器件，必須在關掉電源的情況下插拔；

　　(10)凡ESD敏感型器件不應過早地拿出原封裝，要正確按操作規(guī)范，盡量不能觸摸ESD敏感型器件管腿；

　　(11)用波峰焊接時，焊料和傳遞系統(tǒng)必須接地；

　　(12)在ESD敏感型測試儀器生產線上，應嚴格使用靜電電位測試儀，監(jiān)視靜電電位的變化情況，以便及時采取靜電消除措施；

　　(13)防靜電安全工作臺：

　　a、靜電安全工作臺是防靜電工作區(qū)的基本組成部分，它由工作臺、防靜電臺墊、腕帶接頭和接地線等組成；

　　b、防靜電臺墊上應不少于兩個腕帶接頭，一個供操作人員使用，另一個供技術人員，檢驗人員或其它人員使用；

　　c、必要時，靜電安全工作臺上應配備離子風機；

　　d、靜電安全工作臺上不允許堆放塑料盒(片)、橡皮、紙板、玻璃等易產生靜電的雜物，圖紙資料等應裝入防靜電文件袋內；

　　(14)防靜電容器在電子設備研制生產過程中，一切貯存、周轉ESD敏感型器件的容器(元器件袋、轉運箱、印制板架、元器件存放盒等)應具備靜電防護性能。不允許使用金屬和普通塑料容器。必要時，存放部件用的周轉箱應接地；

　　(15)靜電消除器消除絕緣材料表面的靜電荷應使用離子風靜電消除器；

　　(16)防靜電工作服：

　　a、進入防靜電工作區(qū)或接觸ESD敏感型器件的人員應穿防靜電工作服，防靜電工作服面料應符合GB12014規(guī)定；

　　b、在相對濕度大于50%的環(huán)境中，防靜電工作服允許選用純棉制品；

　　(17)防靜電工作鞋進入防靜電工作區(qū)或接觸ESD敏感型器件的人員應穿防靜電工作鞋，防靜電工作鞋應符合GB 4385的有關規(guī)定。一般情況下允許穿普通鞋，但應同時使用導電鞋束或腳腕帶；

　　(18)防靜電運輸車轉運ESD敏感型器件或含有ESD敏感型器件的整、部件時，應采用有防靜電性能的運輸車；

　　當存在靜電電位差時、靜電強度大到足夠擊穿物體或表面之間的隔離或直接接觸到這些物體時，就可能發(fā)生靜電放電。因此，防止任何可能的靜電放電事件發(fā)生的唯一觶決方法是保持所有物體處于等電位。