生活,生产中静电可谓无处不在,无时不在,从举手投足间服装的磨擦,到干燥空气的流动,都是静电产生的青萍之末.如果条件适宜,发端乎几伏,登峰造极于几百上千伏,瞬间亦可实现.这些都对CMOS等静电敏感电路造成极大威胁,更不待说设备漏电造成的危害了,故电子行业无不将静电当成大敌,尽一切努力将之柜之门外.
静电是相对于“动电”,即导体中的流动电荷而言,是一般情况下不流动的电荷.多由绝缘体物体间互相磨擦或干燥空气与绝缘物磨擦产生.当它能量积累到一定程度,防碍它中和的绝缘体再也阻挡不住时,即发生剧烈放电,即静电放电(ESD),这时的济高电压可达几千乃至几万伏.势必对静电敏感组件造成损害(见表1﹑表2)
表1 生产现场易产生的静电电压.
生产场合
静电电压
湿度10~20%
湿度65~90%
在地毯上走动时
35000V
1500V
在乙烯树脂地板上走动时
12000V
250V
手拿乙烯塑料袋装入器件时
7000V
600V
在流水线工位接触聚酯塑袋时
20000V
1200V
在操作工位与聚胺酯类接触时
18000V
1500V
表2 静电对部分电子器件的击穿电压.
器件类型
EOS/ESD的济小敏感度
(以静电电压V表示)
VMOS
MOSFET
砷化镓FET
EPROM
JFET
SAW(声表面波滤波器)
运算放大器
CMOS
肖特基二极管
SMD薄膜电阻器
双极型晶体管
射极耦合逻辑电路
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
雷电是气流与云层中水滴磨擦产生的高压静电放电而形成,高压带电云层经过建筑物附近时,可由避雷针的"尖、端放电"效应中和掉一部分电荷;当云层中电荷量太大,或云层移动太快而来不及全部中和时,将通过避雷针剧烈放电形成雷击.这两种情况下,尤其是雷击时,整个建筑物及附近地面都是带电的,雷击的危害主要是直击雷和雷电感应.由于人在建筑物中处于"等电位"状态,象鸟儿落在高压线上一样,所以一般不会受到雷击.但雷电感应(超高压静电感应和强电磁感应)会对静电敏感器件造成损害.
设备漏电,尤其是不会对人造成触电伤害的徽小漏电并不属于静电.虽然大多数情况下人们几乎感觉不到,但由于其普遍性(任何电器设备多少总有些漏电)和高内阻的特点,产生济高近似于电源电压(100~400V),时间很短的尖峰电脉冲,仍足以对静电敏感器件造成电气过载(EOS)损害.所以也是静电防护体系中极为重要的一个方面.
静电放电(ESD)及电气过载(EOS)对电子元器件造成损害的主要机理有:热二次击穿;金属镀层熔融;介质击穿;气弧放电;表面击穿;体击穿等等。见附表3
元器件类别
元器件组成部分
失效机理
失效标志
MOS结构
MOSFET(分立)
MOS集成
数字集成
线性集成
混合电路
电压引起的介质击穿和接着发生的大电流现象
短路漏电大
半导体结
二极管(PN.PIN肖特基)
双极晶体管
结型场效应管
可控硅
双极型集成电路,MOSFET和MOS集成电路
电过剩能量和过热引起的微等离子体二次击穿和微扩散
由Si和AL的扩散引起电流束增大(电热迁移)
失效
薄膜电阻器
混合集成电路(厚膜、薄膜)电阻单片集成电路薄膜电阻器
密封薄膜电阻器
介质击穿,与电压有关的电流通路与焦尔热量有关的微电流通路的破坏
电阻漂移
金属化条
混合IC
单片IC
梳状覆盖式晶体管
与焦尔热能量有关的金属烧毁
开路
场效应结构和非导电性盖板
存贮器
EPROM等
由于ESD使正离子与表面积垒.引起表面反型或栅阀值电压漂移
性能退化、失效
压晶体管
晶振声表面波
电压过高产生的机械力使晶体破裂
性能退化、失效
电极阀的间距较小部位
声表面波器件
IC内各种微电路
电孤放电使电极材料熔融
性能退化、失效
防静电应以防止和抑制静电荷的产生,积聚,并迅速可靠﹑有效地消除已产生的静电荷为基本原则.但防静电诸多措施实为一套系统工程,一个环节的疏漏可能就有千里之堤溃于蚁穴之臾,不可不慎.
1. 防静电地线的埋设:
(1).厂房建筑物的避雷针一般与建筑物钢筋混凝土焊接在一起妥善接地,当雷击发生时,接地点乃至整个大楼的地面都将成为高压大电流的泄放点,一般认为在泄放接地点20M范围内都会有"跨步电压"产生,即在此范围内不再是理想零电位.另外,三相供电的零线由于不可能平衡而也会有不平衡电流产生并流入零线的接地点,故防静电地线的埋设点应距建筑物和设备地20米以外.(见图一)
(2).埋设方法:为保证接地的可靠,致少应有三点以上接地,即每隔5m挖深1.5m以上坑,将2m以上铁管或角铁打入坑内(即角铁插入地下2m以上),再用3mm厚铜排将这三处焊接在一起,用16ｍ㎡绝缘铜芯线焊上引入室内为干线.
(3).坑内施以适量木炭粉和工业盐,以增加土壤导电性,填埋后用接地电阻测试仪测量,接地电阻应<4Ω.(见图2)且每年至少测试一次。
2. 防静电地线的铺设和测试:
(1).防静电地线全部使用6ｍ㎡多股铜芯绝缘线,每楼层或适当区段用铜排或40A以上开关,闸刀与主干线相连,以利检查维修.
(2).防静电地线缆应与设备外壳,工作台铁架,工作灯架等良好绝缘,防止短路,搭连或破皮连接.
(3).于分段铜排或开关的"干线端",另铺一条检查线.(1.5~2ｍ㎡即可),每车间设2~3检查点,固定好,标识清楚.
(4).测量:使用指针式万用表,电阻档.
a).各防静电测试点与防静电地线间电阻5~15Ω,理想应为0Ω.但实际测得为2ｍ㎡导线从测试点到总结点电阻 6ｍ㎡,导线从总结点到被测点电阻之和,这一值约5-15Ω且基本不变,如测量结果趋于无穷大,是为防静电地线或测量线有一条断线,应及时修好.
b).防静电地与设备地间电阻,这一阻值为防静电地线本身线阻 设备地线本身线阻 两地线间地电阻组成.但两接地线间由于地面干湿程度,地电流影响等十分复杂,尤其地电流,每时每刻大小方向频率等都在变,且主要决定测量结果,故只能用指针表测量,且其值从十几欧到几百K都算正常,仅说明两地间未短路也未开路即可.
3.防静电地板(见图4):
济规范的防静电地板是类似防静电橡胶的复合结构,下层为导电层与防静电地连在一起,上层为绝缘防静电产生层,不会因行走的磨擦产生静电.铺设时导电层应用绝缘垫与建筑物地面和墙壁隔开,防止雷击时地板带静电,并将导电层通过1MΩ20W电阻与防静电地接好.起到静电屏蔽和电磁屏蔽作用.这种地板造价太高,但可以有效防止雷电的各种危害和静电产生.
一般电子厂多用简易防静电地板(仅有绝缘防静电产生层多为涂料或地板胶),直接铺在建筑物地面上,大大降低造价,且也可起到防行走产生的静电作用.但对雷击产生的超高压静电感应和强电磁感应防护作用较差.
4.防静电工作台面:如图4
防静电橡胶绿色面为防静电产生层,电阻较大,表面电阻108~1010Ω.
防静电橡胶的黑色面电阻较小,表面电阻104~106,与绿色面良好连接,可保妥善接地.起静电屏蔽和泄放作用. 可通过扣式连接,由专用静电手环导线(内含1M电阻)接地.或在绝缘台面上放0.2mm厚铁板或铜箔,焊好导线通过1MΩ电阻连接到静电地线,然后铺平防静电橡胶(黑面向下,贴紧导电片).该1MΩ电阻同样起提供静电泄放通路,防止过速放电打火和隔离的作用.
甚至坐椅(凳)也应引起重视,多数生产线上使用普通塑料凳,极易与衣物摩擦产生静电,有条件应采用防静电椅,并通过1MΩ电阻接静电地,至少要将塑料凳用防静电布料套上.
5.电烙铁,小锡炉,测试仪器等用电设备的接地与测试:
电烙铁,小锡炉测试仪器等必须用三端插头妥善接设备地,做到并不难,但由于经常发生如:插座接地端松脱,断线,烙铁头因氧化而与外壳(接设备地)断开等现象,故应每班次检测,可用自制简易通断指示灯测试,发现问题立即更换.
6.防静电服(衣,鞋,手套等):
所谓防静电服,是用特殊合成纤维织成布料,一般情况下揉搓磨擦不会产生静电.但它不是静电屏蔽服,它不能消除身上其它衣料产生的静电.故正确穿著应是里面只着一件衬衣或内衣,外着防静电服.冬季内穿多件化纤类,毛类衣物穿著防静电服也无大用.所以做好控制环境温度,湿度,戴好静电手环比着静电服重要.防静电手套则起防止静电产生;隔离手与产品(绝缘);防止汗渍污染产品等多重作用,是必用的.
7.防静电手环:
防静电手环是由紧贴手腕的不锈钢外壳通过线内1MΩ电阻由导线,铁夹接地.目的是既要随时泄放掉人体上的静电,又要防止快速放电产生的火花,对静电敏感器件造成损害,并起隔离作用.而断线或接触不好会使静电手环形同虚设.所谓无线手环实际起不到泄放人体携带的静电荷作用。
(1).规范静电手环佩戴,夹持方法:
a. 静电手环不锈钢壳应戴在左手腕内侧,此处接触电阻济小.
b. 要与皮肤紧密接触,不得松驰,不得隔以衣物.
c. 鳄鱼夹应用根部夹持静电地线裸露部份,而不应使用前端齿部夹持.
d. 下班或行走时,操作员可摘下手环,流动人员(干部,品管)应取下夹子,将联机绕在手腕上,以便流动使用.
(2).静电环应每班上午,下午各测一次并记录,松紧以通过测试为准,不合格的应立即调整或更换.
(3).不准佩戴无线手环.
8.加装离子风扇:
波峰炉预热部份温度为80~120℃,在这样高温干燥热风吹佛下极易产生静电.离子风扇是由高压将空气电离成正负离子,由风扇将含大量正负离子的空气吹入炉内,以中和PCB及组件上因高温热风产生的静电.故波峰炉入口应加装离子风扇.防静电工作区入口处,传送带起点或上方也可根据实际需要加装离子风扇.
9.传送带加装防静电清洁辊:
自制简易装置:将长度略小于传送带宽度的硬塑管缠好毛巾布(应较平整),沾湿后中间穿以铁棍(做轴)固定于传送带两端,并用可乐瓶灌水后彷医院吊瓶方法不断加湿,传送带开动时辊在自重下随传送带转动,起清洁,加湿防静电作用.这种简易自制装置可在一定场合下起到传送带离子风扇的作用.
10.PCB在流水线上(主要指DIP后补焊,测试,装配等工序)即应下垫防静电海棉垫,防止产生静电和板面刮伤.工序间转运应用防静电板卡储运车或卡箱. (其表面电阻106Ω以下),通过1MΩ电阻妥善接静电地.
分清静电屏蔽材料(袋)和防静电材料(袋)很重要,防静电材料(袋、垫)多为粉红色,仅用来作为静电敏感器件的廉价垫衬和中介包装物,它只是自身不易产生静电而已,如果有静电放电发生,则能穿过这些防静电材料造成危害.静电屏蔽包装多为银色、黑色、灰色,有铝箔形不透明和黑色、灰色半透明材料,现在还有栅格状全透明材料等,其基本原理是在防静电材料外再真空镀一层铝作为导电的静电屏蔽层,有静电势产生时, 屏蔽层将感应静电势均匀分布于整个包装表面,降低表面电势差,防止局部点高静电势差放电,同时对高频强电磁场也有良好屏蔽作用.随着防护等级不同静电屏蔽包装材料的导电层也分为:外层电阻层─绝缘膜─镀铝箔层─绝缘膜; 绝缘膜─镀铝箔层─绝缘膜;真空镀膜层─绝缘膜;印刷导电栅格层─绝缘膜等多种档次.稍加注意可发现IC出厂时除外包装为2~3层静电屏蔽材料外,内部的支撑材料(如推盘和供料带)都是黑色高阻导电材料,约106MΩ,也只起屏蔽和中和各引脚静电势,提供静电泄放通路作用。静电敏感组件(如IC)和制品出货时,必须用静电屏蔽材料包装,而不有使用防静电袋。
11. 温度和相对湿度的调控:
电子作业,尤其是SMT对温度和湿度都有较高要求,一般温度控制在18~28℃,过高或过低都将影响设备的正常运作和精度;相对湿度应在50%~85%,过低则容易产生静电(见表1).过高设备易结露,锡膏含水增加,所以应加强监测和调控,对防静电来说,秋冬相对湿度偏低时,可用加湿器或湿布拖地方法解决.
12.其它
(1) 电烙铁应尽可能采用防静电低压恒温烙铁,并良好接地.
(2) 使用接地线的低压直流电动起子(电批).
(3) PCB小批量清洗作业应使用防静电刷,不可使用普通塑料刷.
(4) 某些场合,天花板,墙壁都应使用防静电材料,一般说即使普通石膏板和石灰涂料墙面也可,但禁止使用塑料制品天花板和普通墙纸,塑料墙纸.
13.静电测试仪:
如条件具备,可考虑添置"手持式非接触静电测试仪",这样才能实时监测静电的产生,大小,追踪静电造成的不好,了解改善效果.因其价格过于昂贵,多数企业不敢问津.
14.监测和记录:
防静电措施要有专人负责落实,并形成制度,才能真正贯彻实施.否则一切硬件投入可能起不到实际作用。
(1).人员:应由两人兼职管理,测试,记录.多数情况下需两人配合,并防止人员流动断档.
(2).测试和记录:综上所述,每天应完成下列测试和记录.
a. 静电测试点--------静电地 指针式万用表
静电地----------- 设备地 电阻值测量
b. 电烙铁头接地/烙铁尖温度测量.
c. 小锡炉接地/锡炉温度测量.
d. 测试仪器接地测量.
e. 静电手环接地测试. 静电手环测试仪
f. 室内温度/相对湿度的测量与调控. 温/湿度计.
(3).检查防静电工作区内工作人员着装和防静电各项规定执行情况.
(4).有条件应在工作现场和流水线上用静电测试仪测各种情况下的静电电压.
静电电压一般应小于100V,特殊情况应小于25V.
15.培训和素养:应将防静电知识/措施作为全员培训的重要内容让每一员工都弄懂弄通,形成良好的职业习惯.如:
服装,图纸资料等不得接触元器件,图纸资料应放入防静电文件袋内,悬挂;
塑料盒,像皮,纸板,玻璃等易产生静电的杂物不允许堆放在静电可靠工作台上;
必需载好静电环和手套后才可接触元器件,手拿PCB或敏感器件时尽量持边缘,避免接触其引线和接线片;
自觉遵守和执行防静电的制度和规定等.
