電子行業(yè)防靜電措施

   生活,生產(chǎn)中靜電可謂無處不在,無時不在,從舉手投足間服裝的磨擦,到干燥空氣的流動,都是靜電產(chǎn)生的青萍之末.如果條件適宜,發(fā)端乎幾伏,登峰造極于幾百上千伏,瞬間亦可實(shí)現(xiàn).這些都對CMOS等靜電敏感電路造成極大威脅,更不待說設(shè)備漏電造成的危害了,故電子行業(yè)無不將靜電當(dāng)成大敵,盡一切努力將之柜之門外.
    靜電是相對于“動電”,即導(dǎo)體中的流動電荷而言,是一般情況下不流動的電荷.多由絕緣體物體間互相磨擦或干燥空氣與絕緣物磨擦產(chǎn)生.當(dāng)它能量積累到一定程度,防礙它中和的絕緣體再也阻擋不住時,即發(fā)生劇烈放電,即靜電放電(ESD),這時的最高電壓可達(dá)幾千乃至幾萬伏.勢必對靜電敏感組件造成損害(見表1﹑表2)
表1 生產(chǎn)現(xiàn)場易產(chǎn)生的靜電電壓.
生產(chǎn)場合
靜電電壓
濕度10~20%
濕度65~90%
在地毯上走動時
35000V
1500V
在乙烯樹脂地板上走動時
12000V
250V
手拿乙烯塑料袋裝入器件時
7000V
600V
在流水線工位接觸聚酯塑袋時
20000V
1200V
在操作工位與聚胺酯類接觸時
18000V
1500V

表2 靜電對部分電子器件的擊穿電壓.
器件類型
EOS/ESD的最小敏感度
(以靜電電壓V表示)
VMOS
MOSFET
砷化鎵FET
EPROM
JFET
SAW(聲表面波濾波器)
運(yùn)算放大器
CMOS
肖特基二極管
SMD薄膜電阻器
雙極型晶體管
射極耦合邏輯電路
可控硅
肖特基TTL
30~1800
100~200
100~300
100以上
140~7000
150~500
190~2500
250~3000
300~2500
300~3000
380~7800
500~1500
680~1000
100~2500
   雷電是氣流與云層中水滴磨擦產(chǎn)生的高壓靜電放電而形成,高壓帶電云層經(jīng)過建筑物附近時,可由避雷針的"尖端放電"效應(yīng)中和掉一部分電荷;當(dāng)云層中電荷量太大,或云層移動太快而來不及全部中和時,將通過避雷針劇烈放電形成雷擊.這兩種情況下,尤其是雷擊時,整個建筑物及附近地面都是帶電的,雷擊的危害主要是直擊雷和雷電感應(yīng).由于人在建筑物中處于"等電位"狀態(tài),象鳥兒落在高壓線上一樣,所以一般不會受到雷擊.但雷電感應(yīng)(超高壓靜電感應(yīng)和強(qiáng)電磁感應(yīng))會對靜電敏感器件造成損害.
   設(shè)備漏電,尤其是不會對人造成觸電傷害的徽小漏電并不屬于靜電.雖然大多數(shù)情況下人們幾乎感覺不到,但由于其普遍性(任何電器設(shè)備多少總有些漏電)和高內(nèi)阻的特點(diǎn),產(chǎn)生最高近似于電源電壓(100~400V),時間很短的尖峰電脈沖,仍足以對靜電敏感器件造成電氣過載(EOS)損害.所以也是靜電防護(hù)體系中極為重要的一個方面.
    靜電放電(ESD)及電氣過載(EOS)對電子元器件造成損害的主要機(jī)理有:熱二次擊穿;金屬鍍層熔融;介質(zhì)擊穿;氣弧放電;表面擊穿;體擊穿等等。見附表3

元器件類別
元器件組成部分
失效機(jī)理
失效標(biāo)志
MOS結(jié)構(gòu)
MOSFET(分立)
MOS集成
數(shù)字集成
線性集成
混合電路
電壓引起的介質(zhì)擊穿和接著發(fā)生的大電流現(xiàn)象
短路漏電大
半導(dǎo)體結(jié)
二極管(PN.PIN肖特基)
雙極晶體管
結(jié)型場效應(yīng)管
可控硅
雙極型集成電路,MOSFET和MOS集成電路

電過剩能量和過熱引起的微等離子體二次擊穿和微擴(kuò)散
由Si和AL的擴(kuò)散引起電流束增大(電熱遷移)
失效
薄膜電阻器
混合集成電路(厚膜、薄膜)電阻單片集成電路薄膜電阻器
密封薄膜電阻器
介質(zhì)擊穿,與電壓有關(guān)的電流通路與焦?fàn)枱崃坑嘘P(guān)的微電流通路的破壞
電阻漂移
金屬化條
混合IC
單片IC
梳狀覆蓋式晶體管
與焦?fàn)枱崮芰坑嘘P(guān)的金屬燒毀
開路
場效應(yīng)結(jié)構(gòu)和非導(dǎo)電性蓋板
存貯器
EPROM等
由于ESD使正離子與表面積壘.引起表面反型或柵閥值電壓漂移
性能退化、失效
壓晶體管
晶振聲表面波
電壓過高產(chǎn)生的機(jī)械力使晶體破裂
性能退化、失效
電極閥的間距較小部位
聲表面波器件
IC內(nèi)各種微電路
電孤放電使電極材料熔融
性能退化、失效
   防靜電應(yīng)以防止和抑制靜電荷的產(chǎn)生,積聚,并迅速安全﹑有效地消除已產(chǎn)生的靜電荷為基本原則.但防靜電諸多措施實(shí)為一套系統(tǒng)工程,一個環(huán)節(jié)的疏漏可能就有千里之堤潰于蟻穴之臾,不可不慎.
   1. 防靜電地線的埋設(shè):
   (1).廠房建筑物的避雷針一般與建筑物鋼筋混凝土焊接在一起妥善接地,當(dāng)雷擊發(fā)生時,接地點(diǎn)乃至整個大樓的地面都將成為高壓大電流的泄放點(diǎn),一般認(rèn)為在泄放接地點(diǎn)20M范圍內(nèi)都會有"跨步電壓"產(chǎn)生,即在此范圍內(nèi)不再是理想零電位.另外,三相供電的零線由于不可能絕對平衡而也會有不平衡電流產(chǎn)生并流入零線的接地點(diǎn),故防靜電地線的埋設(shè)點(diǎn)應(yīng)距建筑物和設(shè)備地20米以外.
   (2).埋設(shè)方法:為保證接地的可靠,致少應(yīng)有三點(diǎn)以上接地,即每隔5m挖深1.5m以上坑,將2m以上鐵管或角鐵打入坑內(nèi)(即角鐵插入地下2m以上),再用3mm厚銅排將這三處焊接在一起,用16ｍ㎡絕緣銅芯線焊上引入室內(nèi)為干線.
   (3).坑內(nèi)施以適量木炭粉和工業(yè)鹽,以增加土壤導(dǎo)電性,填埋后用接地電阻測試儀測量,接地電阻應(yīng)<4Ω.(見圖2)且每年至少測試一次。
    2. 防靜電地線的鋪設(shè)和測試:
   (1).防靜電地線全部使用6ｍ㎡多股銅芯絕緣線,每樓層或適當(dāng)區(qū)段用銅排或40A以上開關(guān),閘刀與主干線相連,以利檢查維修.
   (2).防靜電地線纜應(yīng)與設(shè)備外殼,工作臺鐵架,工作燈架等良好絕緣,防止短路,搭連或破皮連接.
   (3).于分段銅排或開關(guān)的"干線端",另鋪一條檢查線.(1.5~2ｍ㎡即可),每車間設(shè)2~3檢查點(diǎn),固定好,標(biāo)識清楚.
   (4).測量:使用指針式萬用表,電阻檔.
a).各防靜電測試點(diǎn)與防靜電地線間電阻5~15Ω,理想應(yīng)為0Ω.但實(shí)際測得為2ｍ㎡導(dǎo)線從測試點(diǎn)到總結(jié)點(diǎn)電阻+6ｍ㎡,導(dǎo)線從總結(jié)點(diǎn)到被測點(diǎn)電阻之和,這一值約5-15Ω且基本不變,如測量結(jié)果趨于無窮大,是為防靜電地線或測量線有一條斷線,應(yīng)及時修好.
b).防靜電地與設(shè)備地間電阻,這一阻值為防靜電地線本身線阻+設(shè)備地線本身線阻+兩地線間地電阻組成.但兩接地線間由于地面干濕程度,地電流影響等十分復(fù)雜,尤其地電流,每時每刻大小方向頻率等都在變,且主要決定測量結(jié)果,故只能用指針表測量,且其值從十幾歐到幾百K都算正常,僅說明兩地間未短路也未開路即可.
   3.防靜電地板(見圖4):
   最規(guī)范的防靜電地板是類似防靜電橡膠的復(fù)合結(jié)構(gòu),下層為導(dǎo)電層與防靜電地連在一起,上層為絕緣防靜電產(chǎn)生層,不會因行走的磨擦產(chǎn)生靜電.鋪設(shè)時導(dǎo)電層應(yīng)用絕緣墊與建筑物地面和墻壁隔開,防止雷擊時地板帶靜電,并將導(dǎo)電層通過1MΩ20W電阻與防靜電地接好.起到靜電屏蔽和電磁屏蔽作用.這種地板造價太高,但可以有效防止雷電的各種危害和靜電產(chǎn)生.
一般電子廠多用簡易防靜電地板(僅有絕緣防靜電產(chǎn)生層多為涂料或地板膠),直接鋪在建筑物地面上,大大降低造價,且也可起到防行走產(chǎn)生的靜電作用.但對雷擊產(chǎn)生的超高壓靜電感應(yīng)和強(qiáng)電磁感應(yīng)防護(hù)作用較差.
   4.防靜電工作臺面:如圖4
防靜電橡膠綠色面為防靜電產(chǎn)生層,電阻較大,表面電阻108~1010Ω.
防靜電橡膠的黑色面電阻較小,表面電阻104~106,與綠色面良好連接,可保妥善接地.起靜電屏蔽和泄放作用. 可通過扣式連接,由專用靜電手環(huán)導(dǎo)線(內(nèi)含1M電阻)接地.或在絕緣臺面上放0.2mm厚鐵板或銅箔,焊好導(dǎo)線通過1MΩ電阻連接到靜電地線,然后鋪平防靜電橡膠(黑面向下,貼緊導(dǎo)電片).該1MΩ電阻同樣起提供靜電泄放通路,防止過速放電打火和隔離的作用.
甚至坐椅(凳)也應(yīng)引起重視,多數(shù)生產(chǎn)線上使用普通塑料凳,極易與衣物摩擦產(chǎn)生靜電,有條件應(yīng)采用防靜電椅,并通過1MΩ電阻接靜電地,至少要將塑料凳用防靜電布料套上.
   5.電烙鐵,小錫爐,測試儀器等用電設(shè)備的接地與測試:
電烙鐵,小錫爐測試儀器等必須用三端插頭妥善接設(shè)備地,做到并不難,但由于經(jīng)常發(fā)生如:插座接地端松脫,斷線,烙鐵頭因氧化而與外殼(接設(shè)備地)斷開等現(xiàn)象,故應(yīng)每班次檢測,可用自制簡易通斷指示燈測試,發(fā)現(xiàn)問題立即更換.
   6.防靜電服(衣,鞋,手套等):
所謂防靜電服,是用特殊合成纖維織成布料,一般情況下揉搓磨擦不會產(chǎn)生靜電.但它不是靜電屏蔽服,它不能消除身上其它衣料產(chǎn)生的靜電.故正確穿著應(yīng)是里面只著一件襯衣或內(nèi)衣,外著防靜電服.冬季內(nèi)穿多件化纖類,毛類衣物穿著防靜電服也無大用.所以做好控制環(huán)境溫度,濕度,戴好靜電手環(huán)比著靜電服重要.防靜電手套則起防止靜電產(chǎn)生;隔離手與產(chǎn)品(絕緣);防止汗?jié)n污染產(chǎn)品等多重作用,是必用的.
   7.防靜電手環(huán):
防靜電手環(huán)是由緊貼手腕的不銹鋼外殼通過線內(nèi)1MΩ電阻由導(dǎo)線,鐵夾接地.目的是既要隨時泄放掉人體上的靜電,又要防止快速放電產(chǎn)生的火花,對靜電敏感器件造成損害,并起隔離作用.而斷線或接觸不良會使靜電手環(huán)形同虛設(shè).所謂無線手環(huán)實(shí)際起不到泄放人體攜帶的靜電荷作用。
(1).規(guī)范靜電手環(huán)佩戴,夾持方法:
a. 靜電手環(huán)不銹鋼殼應(yīng)戴在左手腕內(nèi)側(cè),此處接觸電阻最小.
b. 要與皮膚緊密接觸,不得松馳,不得隔以衣物.
c. 鱷魚夾應(yīng)用根部夾持靜電地線裸露部份,而不應(yīng)使用前端齒部夾持.
d. 下班或行走時,操作員可摘下手環(huán),流動人員(干部,品管)應(yīng)取下夾子,將聯(lián)機(jī)繞在手腕上,以便流動使用.
(2).靜電環(huán)應(yīng)每班上午,下午各測一次并記錄,松緊以通過測試為準(zhǔn),不合格的應(yīng)立即調(diào)整或更換.
(3).不準(zhǔn)佩戴無線手環(huán).
   8.加裝離子風(fēng)扇:
波峰爐預(yù)熱部份溫度為80~120℃,在這樣高溫干燥熱風(fēng)吹佛下極易產(chǎn)生靜電.離子風(fēng)扇是由高壓將空氣電離成正負(fù)離子,由風(fēng)扇將含大量正負(fù)離子的空氣吹入爐內(nèi),以中和PCB及組件上因高溫?zé)犸L(fēng)產(chǎn)生的靜電.故波峰爐入口應(yīng)加裝離子風(fēng)扇.防靜電工作區(qū)入口處,傳送帶起點(diǎn)或上方也可根據(jù)實(shí)際需要加裝離子風(fēng)扇.
   9.傳送帶加裝防靜電清潔輥:
自制簡易裝置:將長度略小于傳送帶寬度的硬塑管纏上毛巾布(應(yīng)較平整),沾濕后中間穿以鐵棍(做軸)固定于傳送帶兩端,并用可樂瓶灌水后彷醫(yī)院吊瓶方法不斷加濕,傳送帶開動時輥在自重下隨傳送帶轉(zhuǎn)動,起清潔,加濕防靜電作用.這種簡易自制裝置可在一定場合下起到傳送帶離子風(fēng)扇的作用.
   10.PCB在流水線上(主要指DIP后補(bǔ)焊,測試,裝配等工序)即應(yīng)下墊防靜電海棉墊,防止產(chǎn)生靜電和板面刮傷.工序間轉(zhuǎn)運(yùn)應(yīng)用防靜電板卡儲運(yùn)車或卡箱. (其表面電阻106Ω以下),通過1MΩ電阻妥善接靜電地.
分清靜電屏蔽材料(袋)和防靜電材料(袋)很重要,防靜電材料(袋、墊)多為粉紅色,僅用來作為靜電敏感器件的廉價墊襯和中介包裝物,它只是自身不易產(chǎn)生靜電而已,如果有靜電放電發(fā)生,則能穿過這些防靜電材料造成危害.靜電屏蔽包裝多為銀色、黑色、灰色,有鋁箔形不透明和黑色、灰色半透明材料,現(xiàn)在還有柵格狀全透明材料等,其基本原理是在防靜電材料外再真空鍍一層鋁作為導(dǎo)電的靜電屏蔽層,有靜電勢產(chǎn)生時, 屏蔽層將感應(yīng)靜電勢均勻分布于整個包裝表面,降低表面電勢差,防止局部點(diǎn)高靜電勢差放電,同時對高頻強(qiáng)電磁場也有良好屏蔽作用.隨著防護(hù)等級不同靜電屏蔽包裝材料的導(dǎo)電層也分為:外層電阻層─絕緣膜─鍍鋁箔層─絕緣膜; 絕緣膜─鍍鋁箔層─絕緣膜;真空鍍膜層─絕緣膜;印刷導(dǎo)電柵格層─絕緣膜等多種檔次.稍加注意可發(fā)現(xiàn)IC出廠時除外包裝為2~3層靜電屏蔽材料外,內(nèi)部的支撐材料(如推盤和供料帶)都是黑色高阻導(dǎo)電材料,約106MΩ,也只起屏蔽和中和各引腳靜電勢,提供靜電泄放通路作用。靜電敏感組件(如IC)和制品出貨時,必須用靜電屏蔽材料包裝,而不有使用防靜電袋。
   11. 溫度和相對濕度的調(diào)控:
電子作業(yè),尤其是SMT對溫度和濕度都有較高要求,一般溫度控制在18~28℃,過高或過低都將影響設(shè)備的正常運(yùn)作和精度;相對濕度應(yīng)在50%~85%,過低則容易產(chǎn)生靜電(見表1).過高設(shè)備易結(jié)露,錫膏含水增加,所以應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測和調(diào)控,對防靜電來說,秋冬相對濕度偏低時,可用加濕器或濕布拖地方法解決.
   12.其它
(1) 電烙鐵應(yīng)盡可能采用防靜電低壓恒溫烙鐵,并良好接地.
(2) 使用接地線的低壓直流電動起子(電批).
(3) PCB小批量清洗作業(yè)應(yīng)使用防靜電刷,不可使用普通塑料刷.
(4) 某些場合,天花板,墻壁都應(yīng)使用防靜電材料,一般說即使普通石膏板和石灰涂料墻面也可,但禁止使用塑料制品天花板和普通墻紙,塑料墻紙.
   13.靜電測試儀:
如條件具備,可考慮添置"手持式非接觸靜電測試儀",這樣才能實(shí)時監(jiān)測靜電的產(chǎn)生,大小,追蹤靜電造成的不良,了解改善效果.因其價格過于昂貴,多數(shù)企業(yè)不敢問津.
   14.監(jiān)測和記錄:
防靜電措施要有專人負(fù)責(zé)落實(shí),并形成制度,才能真正貫徹實(shí)施.否則一切硬件投入可能起不到實(shí)際作用。
(1).人員:應(yīng)由兩人兼職管理,測試,記錄.多數(shù)情況下需兩人配合,并防止人員流動斷檔.
(2).測試和記錄:綜上所述,每天應(yīng)完成下列測試和記錄.
a. 靜電測試點(diǎn)--------靜電地 指針式萬用表
靜電地----------- 設(shè)備地 電阻值測量
b. 電烙鐵頭接地/烙鐵尖溫度測量.
c. 小錫爐接地/錫爐溫度測量.
d. 測試儀器接地測量.
e. 靜電手環(huán)接地測試. 靜電手環(huán)測試儀
f. 室內(nèi)溫度/相對濕度的測量與調(diào)控. 溫/濕度計(jì).
(3).檢查防靜電工作區(qū)內(nèi)工作人員著裝和防靜電各項(xiàng)規(guī)定執(zhí)行情況.
(4).有條件應(yīng)在工作現(xiàn)場和流水線上用靜電測試儀測各種情況下的靜電電壓.
靜電電壓一般應(yīng)小于100V,特殊情況應(yīng)小于25V.
   15.培訓(xùn)和素養(yǎng):應(yīng)將防靜電知識/措施作為全員培訓(xùn)的重要內(nèi)容讓每一員工都弄懂弄通,形成良好的職業(yè)習(xí)慣.如:
服裝,圖紙資料等不得接觸元器件,圖紙資料應(yīng)放入防靜電文件袋內(nèi),懸掛;
塑料盒,像皮,紙板,玻璃等易產(chǎn)生靜電的雜物不允許堆放在靜電安全工作臺上;
必需載好靜電環(huán)和手套后才可接觸元器件,手拿PCB或敏感器件時盡量持邊緣,避免接觸其引線和接線片;
自覺遵守和執(zhí)行防靜電的制度和規(guī)定等.