SMT生产中的静电防护技术

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在电子产品制造中，静电放电往往会损伤器件，甚至使器件失效，造成严重损失，因此SMT生产中的静电防护非常重要。本刊分别邀请北京、上海的两位专家撰文介绍与分析电子产品制造中的静电产生源及静电防护原理，较详细地介绍了SMT生产中的一些静电防护技术基础与相应措施。供大家参考。
/ B1 y) l. i" z+ y; e: _2 E0 S
& B" u: R4 Y) ^3 l# K1．静电和静电的危害

静电是一种电能，它存留于物体表面，是正负电荷在局部范围内失去平衡的结果，是通过电子或离子的转换而形成的。静电现象是电荷在产生和消失过程中产生的电现象的总称。如摩擦起电、人体起电等现象。
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随着科技发展，静电现象已在静电喷涂、静电纺织、静电分选、静电成像等领域得到广泛的有效应用。但在另一方面，静电的产生在许多领域会带来重大危害和损失。例如在第一个阿波罗载人宇宙飞船中，由于静电放电导致爆炸，使三名宇航员丧生；在火药制造过程中由于静电放电(ESD)，造成爆炸伤亡的事故时有发生。在电子工业中，随着集成度越来越高，集成电路的内绝缘层越来越薄，互连导线宽度与间距越来越小，例如CMOS器件绝缘层的典型厚度约为0．1μm，其相应耐击穿电压在80-100V；VMOS器件的绝缘层更薄，击穿电压在30V。而在电子产品制造中以及运输、存储等过程中所产生的静电电压远远超过MOS器件的击穿电压，往往会使器件产生硬击穿或软击穿(器件局部损伤)现象，使其失效或严重影响产品的可靠性。
; g, K: a+ r/ m! q, M8 A
, W# w6 z0 R% s& W: W0 P# _为了控制和消除ESD，美国、西欧和日本等发达国家均制定了国家、军用和企业标准或规定。从静电敏感元器件的设计、制造、购买、入库、检验、仓储、装配、调试、半成品与成品的包装、运输等均有相应规定，对静电防护器材的制造使用和管理也有较严格的规章制度要求。我国也参照国际标准制定了军用和企业标准。例如有航天部、机电部、石油部等标准。

2．静电敏感器件(SSD)
" U9 _" w8 {7 K8 k: Z
; h- L, }6 Z# V9 V对静电反应敏感的器件称为静电敏感元器件(SSD)。静电敏感器件主要是指超大规模集成电路，特别是金属化膜半导体(MOS电路)。表1为静电敏感器件的分级表。可根据SSD分级表，针对不同的SSD器件，采取不同的静电防护措施。
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3．电子产品制造中的静电源

! `' a. x1 M) ~3 P8 D/ u6 o& F+ f, F(1)人体的活动，人与衣服、鞋、袜等物体之间的摩擦、接触和分离等产生的静电是电子产品制造中主要静电源之一。人体静电是导致器件产生硬(软)击穿的主要原因。人体活动产生的静电电压约0．5-2KV。另外空气湿度对静电电压影响很大，若在干燥环境中还要上升1个数量级。表2为相对湿度对与人体活动带电的关系。
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人体带电后触摸到地线，会产生放电现象，人体就会产生不同程度的电击感反应，其反应的程度称为电击感度。表3为不同静电压放电过程中人体的电击感度。
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(2)化纤或棉制工作服与工作台面、坐椅摩擦时，可在服装表面产生6000V以上的静电电压，并使人体带电，此时与器件接触时，会导致放电，容易损坏器件。

(3)橡胶或塑料鞋底的绝缘电阻高达1013Ω，当与地面摩擦时产生静电，并使人体带电。

(4)树脂、漆膜、塑料膜封装的器件放人包装中运输时，器件表面与包装材料摩擦能产生几百伏的静电电压，对敏感器件放电。
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(5)用PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、PS(聚内乙烯)、PVR(聚胺脂)、PVC和聚脂、树脂等高分子材料制作的各种包装、料盒、周转箱、PCB架等都可能因摩擦、冲击产生1-3．5KV静电电压，对敏感藉件放电。

(6)普通工作台面，受到摩擦产生静电。

0 [- p; O$ X# n9 P; E" p% d" a: h(7)混凝土、打腊抛光地板、橡胶板等绝缘地面的绝缘电阻高，人体上的静电荷不易泄漏。
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(8)电子生产设备和工具方面：例如电烙铁、波峰焊机、再流焊炉、贴装机、调试和检测等设备内的高压变压器、交／盲流电路都会在设备卜感应出静电。如果设备静电泄放措施不好，都会引起敏感器件在制造过程中失效。烘箱内热空气循环流动与箱体摩擦、CO2低温箱冷却箱内的CO2蒸汽均会可产生大量的静电荷。
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4．静电防护原理

电子产品制造中，不产生静电是不可能的。产生静电不是危害所在，其危害所在于静电积聚以及由此产生的静电放电。静电防护的核心是“静心消除”。

& [% h( m. I$ x! Y( W( J/ k2 D+ w8 j静电防护原理：

0 C2 K: d" p9 j' G(1)对可能产生静电的地方要防止静电积聚。采取措施在安全范围内。

(2)对已经存在的静电积聚迅速消除掉，即时释放。

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5．静电防护方法
, |  u3 V$ R( P0 X( Y
; c0 X9 v8 X$ M4 C. W& [" r(1)使用防静电材料：金属是导体，因导体的漏放电流大，会损坏器件。另外由于绝缘材料容易产生摩擦起电，因此不能采用金属和绝缘材料作防静电材料。而是采用表面电阻l×105Ω·cm以下的所谓静电导体，以及表面电阻1×105-1×108Ω·cm的静电亚导体作为防静电材料。例如常用的静电防护材料是在橡胶中混入导电碳黑来实现的，将表面电阻控制在1×106Ω·cm以下。

& r, [! m+ H2 r! \0 H$ C(2)泄漏与接地：对可能产生或已经产生静电的部位进行接地，提供静电释放通道。采用埋大地线的方法建立“独*立”地线。使地线与大地之间的电阻＜10Ω。(参见GBJl79或SJ／T10694—1996)

$ a: I2 @5 y( u1 \, W* ]静电防护材料接地方法：将静电防护材料(如于作台面垫、地垫、防静电腕带等)通过1MΩ的电阻接到通向独*立大地线的导体上(参见SJ／T10630-1995)。串接1MΩ电阻是为了确保对地泄放＜5mA的电流，称为软接地。设备外壳和静电屏蔽罩通常是直接接地，称为硬接地。

IPC-A-610C标准中推荐的防静电工作台接地方法如图1。
" J8 M8 s0 {9 V  O, o2 S
/ a; O) I, o( K: `1 M
; g8 y, I3 ]* V. z5 g(3)导体带静电的消除：导体上的静电可以用接地的方法使静电泄漏到大地。放电体卜的电压与释放时间可用下式表示：
" N! M7 c! s  K- X( m
" j% G2 Z1 E+ ^- zUT=U0L1/RC

, b7 D- C. F. f: b0 s) {6 Y( ]式中 UT-T时刻的电压(V) U0一起始电压(V) R-等效电阻(Ω) C-导体等效电容(pf)

- j1 ?# f, Z$ o* N( S/ c& u3 d一般要求在1秒内将静电泄漏。即1秒内将电压降至1OOV以下的安全区。这样可以防止泄漏速度过快、泄漏电流过大对SSD造成损坏。若U0=500V，C=200pf，想在1秒内使UT达到100V，则要求R=1．28×109Ω。因此静电防护系统中通常用1MΩ的限流电阻，将泄放电流限制在5mA以下。这是为操作安全设计的。如果操作人员在静电防护系统中，不小心触及到220V工业电压，也不会带来危险。
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4 M3 g0 f4 [: A9 ^8 l8 L: ?(4)非导体带静电的消除：对于绝缘体上的静电，由于电荷不能在绝缘体上流动，因此不能用接地的方法消除静电。可采用以下措施：

3 l* e- m" D' `( ^(a)使用离子风机—离子风机产生正、负离子，可以中和静电源的静电。可设置在空间和贴装机贴片头附近。

(b)使用静电消除剂—静电消除剂属于表面活性剂。可用静电消除剂檫洗仪器和物体表面，能迅速消除物体表面的静电。
5 {. q; }5 X6 g& [- W& a
+ i8 p  v: `) ]* }0 x7 w(c)控制环境湿度—增加湿度可提高非导体材料的表面电导率，使物体表面不易积聚静电。例如北方干燥环境可采取加湿通风的措施。

(d)采用静电屏蔽—对易产生静电的设备可采用屏蔽罩(笼)，并将屏蔽罩（笼）有效接地。
9 i. p8 P0 N- Y  @+ p6 g3 |9 V; A! |
/ f+ K( W2 `, d) I( y(5)工艺控制法：为了在电子产品制造中尽量少的产生静电,控制静电荷积聚，对已经存在的静电积聚迅速消除掉，即时释放，应从厂房设计、设备安装、操作、管理制度等方面采取有效措施。

6．静电防护器材
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: @0 I( N. `1 v+ N" j(1)人体防静电系统包括防静电腕带、工作服、帽、手套、鞋、袜等

(2)防静电地面包括防静电水磨石地面、防静电橡胶地面、PVC防静电塑料地板、防静电地毯、防静电活动地板等。
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(3)防静电操作系列：包括防静电：I：作台垫、防静电包装袋、防静电物流小车、防静电烙铁及工具等。

8 j+ J3 _. S% W! w! L& ~# w2 L7．静电测量仪器．
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(1)静电场测试仪：用于测量台面、地面等表面电阻值。平面结构场合和非平面场合要选择不同规格的测量仪。

; K* k1 q9 G% z9 `, }% b: p(2)腕带测试仪：测量腕带是否有效。
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: a; G/ I; X( j# L( n(3)人体静电测试仪：用于测量人体携带的静电量，人体双脚之间的阻抗，测量人体之间的静电差,腕带、接地插头、工作服等是否阻护有效。还可以作为入门放电，把人体静电隔在车间之外。
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2 M$ P3 {* `0 _0 Y2 P+ T(4)兆欧表：用于测量所有导电型、抗静电型及静电泄放型表面的阻抗或电阻。
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+ f/ [) N9 P# f8．电子产品制造中防静电技术指标要求

5 O: `( k$ D1 t) G' _6 u; P9 C6 \" V(1)防静电地极接地电阻＜10Ω。

(2)地面或地垫：表面电阻值105-1010Ω;摩擦电压＜100V。
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" c7 v- a9 Q8 o  \(3)墙壁：电阻值5×104-109Ω。

(4)工作台面或垫：表面电阻值106-109Ω；摩擦电压＜100V；对地系统电阻106-108Ω。
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(5)工作椅面对脚轮电阻106-108Ω。

  x3 k6 n% o" a* G(6)工作服、帽、手套摩擦电压＜300V；鞋底摩擦电压＜100V。

(7)腕带连接电缆电阻1MΩ；佩带腕带时系统电阻1-1OMΩ。脚跟带(鞋束)系统电阻0．5×105-108Ω。
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(8)物流车台面对车轮系统电阻106-109Ω。

% g, V3 D: r* l% y3 R(9)料盒、周转箱、PCB架等物流传递器具一表面电阻值103-108Ω;摩擦电压＜100V。
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(10)包装代、盒一摩擦电压＜100V。

3 j1 R$ w8 Y4 p/ h& F% s(11)人体综合电阻106-108Ω。

( d6 y! }, T! x6 C+ K9 电子产品制造中防静电措施及静电作业区(点)的一般要求
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SMT生产设备必须接地良好，贴装机应采用三相无线制接地法并独*立接地。生产场所的地面、工作台面垫、坐椅等均应符合防静电要求。车间内保持恒温、恒湿的环境。应配备防静电料盒、周转箱、PCB架、物流小车、防静电包装带、防静电腕带、防静电烙铁及工具等设施。

6 z1 |# Y+ e! B  h9 _. l' Y& P(1)根据防静电要求设置防静电区域，并有明显的防静电警示标志。按作业区所使用器件的静电敏感程度分成1、2、3级，根据不同级别制订不同的防护措施。

1级静电敏感程度范围：0-1999V
$ y# X) u+ l( I& U* y3 s# N2级静电敏感程度范围：2000-3999V
5 j* N9 \' U/ H6 U1 }! _3级静电敏感程度范围：4000-15999V

8 q- r% Y, w, z* A' d0 `+ ]! B16000V以上是非静电敏感程产品。

(2)静电安全区(点)的室温为23±3℃，相对湿度为45-70％RH。禁止在低于30％的环境内操作SSD(静电敏感元器件)。
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(3)定期测量地面、桌面、周转箱等表面电阻值。

; b6 v3 o7 N4 P- J& z0 F- R/ u0 z# f(4)静电安全区(点)的工作台上禁止放置非生产物品，如餐具、茶具、提包、毛织物、报纸、橡胶手套等。
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" k/ s0 w, {& G- s2 t1 k(5)工作人员进入防静电区域，需放电。操作人员进行操作时，必须穿工作服和防静电鞋、袜。每次上岗操作前必须作静电防护安全性检查,合格后才能生产。
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- V; {9 Y9 H$ Z8 ~9 g3 s$ q7 ~(6)操作时要戴防静电腕带，每天测量腕带是否有效。
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(7)测试SSD时应从包装盒、管、盘中取一块，测一块,放一块，不要堆在桌子上。经测试不合格器件应退库。


(8)加电测试时必须遵循加电和去电顺序：低电压→高电压→信号电压的顺序进行。去电顺序与此相反。同时注意电源极性不可颠倒，电源电压不得超过额定值。

(9)检验人员应熟悉SSD的型号、品种、测试知识，了解静电保护的基本知识。
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+ f; t4 Q: i+ R10．静电敏感元器件(SSD)运输、存储、使用要求

. |* G6 s7 Z% O5 l(1)SSD运输过程中不得掉落在地，不得任意脱离包装。
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* L# e  t: X( D. P(2)存放SSD的库房相对湿度：30-40％RH。

& S: n* V/ s' s) c(3)SSD存放过程中保持原包装，若须更换包装时，要使用具有防静电性能的容器。

. A6 u; J/ j# H' A6 K/ ^(4)库房里，在放置SSD器件的位置上应贴有防静电专用标签。
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: U1 W" T/ y: C(5)发放SSD器件时应用目测的方法，在SSD器件的原包装内清点数量。
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(6)对EPROM进行写、擦及信息保护操作时，应将写入器／擦除器充分接地，要带防静电手镯。
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! o' \- N- |3 v: L( P# ]$ D(7)装配、焊接、修板、调试等操作人员都必须严格按照静电防护要求进行操作。

(8)测试、检验合格的印制电路板在封装前应用离子喷枪喷射一次，以消除可能积聚的静电荷。
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11．防静电工作区的管理与维护

(1)制订防静电管理制度，并有专人负责。

" I& b& O8 ~, J(2)备用防静电工作服、鞋、手镯等个人用品以备外来人员使用。

6 b& X% ^# w+ \% z' I(3)定期维护、检查防静电设施的有效性。
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(4)腕带每周(或天)检查一次。
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( j) u$ F8 T5 N$ F4 p" t+ \(5)桌垫、地垫的接地性、静电消除器的性能每月检查一次。
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  c% C/ z. r' [* S! i(6)防静电元器件架、印制板架、周转箱；运输车、桌垫、地垫的防静电性能每六个月检查次。