静电防护论文

电子装联中的静电防护 摘 要 本文主要阐述了电子装联生产中 ESD 危害的发生原因及危害 提 出包括采用静电防护器材和在生产中各主要工艺环节的静电防护要求 关键词 电子装联 静电放电 ESD 静电防护 0 引言 电子仪器仪表 电子计算机 现代通讯设备等电子设备都是由电子元器件 利用装联技术组装而成的 所以电子装联是现代电子工业及其相关产业的基础 随着科学技术的进步 微电子器件和各种新材料广泛应用于电装生产中 促进 了电装技术的发展 但与此同时 也产生了一个新问题 即 ESD 静电放电 在 装联生产中对元器件和半成品 成品的软 硬击穿损害 ESD 危害已成了电装 生产的一大障碍 应引起电子生产制造企业的高度重视 1静电的产生及静电源 1 1静电的产生 通常任何物体所带有的正负电荷是等量的 当与其它物体摩擦 接触 并 由于机械作用分离时 因两种物体摩擦起电序列不同 在一种物体上积聚正电 荷 另一种物体上则积聚负电荷 在各物体上产生静电 并在外部形成静电场 两种物质互相摩擦是产生静电的一种方式 但不是唯一方式 像喷涂作业水滴 吸附空气中的负离子促成其表面双电层的形成 也可产生静电 1 2电子生产环境中的典型静电源 人体是最主要的静电源之一 电子装配车间的工作人员在作业时 身 穿的衣服 鞋和所用的元件盘 箱 包装袋等物体的自身或其它物体摩擦 都可产生静电如表 1 所示 产生方式产生方式 10 20 RH 65 90 RH 在地毯上行走35000V 1500V 在乙烯树脂地板上行走12000V250V 工作台上的人6000V100V 从工作台上拾起普通聚乙烯袋20000V1200V 作业指导书的乙烯树脂外壳7000V 600V 表 1 此外某些电器设备运行时也可产生静电 在电子装配车间生产环境中存在着 许多静电源 它们产生方式和相对元器件损坏各有自己的特点 下面将部分静 电源产生及如何造成元器件失效作一些简单介绍 1 工作服 操作人员所穿的普通工作服与工作台面 工作椅摩擦时可产 生 0 2 10 微库仑的电荷量 在服装表面能产生 6000 伏以上的静电电压并使人 体带电 当操作人员手持集成电路或工作服与工作台台面放置的元器件接触时 即可导致放电 因元器件各引出线接触 电位不同和芯片电介质极薄绝缘强度 很低等原因 很容易造成器件电介质的击穿 2 工作鞋 一般工作鞋 橡胶或塑料底 的绝缘电阻高达 1013欧以上 当与地面接触时产生静电荷使人体和所穿的服装带静电 调查表明工作鞋与地 面摩擦所产生静电导致元件失效的事例并不多 但因其较高的绝缘电阻使人体 所带 静电不能很快泄漏 3 树脂 浸漆封装表面 许多元器件用高绝缘树脂漆封表面 这些器件 放入包装后 因运输过程的摩擦 在其表面能产生几百伏以上的静电电压 造 成芯片击穿 4 各种包装和容器 用 PE 聚乙烯 PP 聚苯乙烯 PS 聚氨脂 ABS 等高分子材料制备的包装和元件盒 当然也包括回流检处的补料盒都有可 因摩擦冲击产生静电荷 从而对其所包装的器件产生不良的影响 5 终端台 工作台 工作台面 摩擦产生静电 可对放置其上的电子元 件放电 6 绝缘地面 绝缘地面都可因摩擦产生静电 另外因其较高的绝缘电阻 作业人员带静电在其上时 不全短时间将静电荷泄漏 7 空气压缩机 空气喷枪同空气剧烈流动或介质与气枪嘴摩擦产生大量 静电荷 而在吹 PCB 板时易造成元器件损坏 8 某些电子生产设备 焊烙铁 波峰焊机 贴片机等某些元器件装配设 备内的高压 变压器 交直流电路都可在设备上感应出静电电压 如静电泄漏 措施没采用好 可使元器件在装配过程中失效 2 静电对电子生产制造业的危害 据美国国防灾协会不完全统计 全世界在上世纪八十年代因静电造成飞机 油船 化工厂 油库发生爆炸或者燃烧所造成的年损失近二百亿美元 而在电 子制造业对元器件造成的损失更大 原因在于爆炸事故往往能够引起有关方面 的注意 而静电造成电子器件损坏往往不会对人们造成危害 同时不易被察觉 因此从某种意义看 电子制造业的静电问题更具有危害性 1 第一艘阿波罗载人宇宙飞船 由于静电放电 ESD 导致火灾和爆炸 三名宇航名全部丧生 2 日本 IC 生产中的不合格器件有 45 是由静电造成的 3 88 年美国因 ESD 影响损失 50 亿美元 4 航天部门北京某所实验室在 1992 年初组装调试我国 资源卫星 上 使用的一种仪器时 因人体静电放电导致 2 只价值 6000 美元的进口并遭禁运的 CCD 器件 一种 MOS 器件 失效 几乎影响卫星的发射进度 5 航天部门北京某厂在生产一种 长征三号火箭 用仪器时 因进口 MOS 门电路 CT30 用不防静电的塑料包装封装 短短不到两年时间因静电导致 失效损失达 30 万人民币以上 3 静电损伤的失效形式及器件敏感度的分级 3 1 静电损伤的两种失效形式 1 硬损伤 又称 突发性完全失效 一次性损坏 约占 10 表现为器件电参数突然劣化 失去原有功能 主要原因是静电放电造成过 压使得介质被击穿 或过流使得内部电路金属导线熔断 硅片局部融化等 硬损伤可通过常规的性能测试手段及时发现 相对软失效而言危害要小得 多 2 软损伤 又称 潜在性缓慢失效 多次损伤累积后失效 约占 90 受到软损伤的器件 虽然当时各类电参数仍合格 然而其使用寿命却大大 缩短了 含有这些器件的产品或系统 可靠性变差 可能会在后续过程中 直 至最终用户 继续遭受 ESD 软损伤或其它过应力损伤积累而过早地失效 由于软损伤是潜在的 运用目前的技术还很难证明或检测出来 特别是器 件被装入整机产品之后 因此具有更大的危害性 这些产品流入市场后的维护 成本和造成的其它损失 将比在生产中发生的直接损失要放大几十甚至上百倍 3 2 器件敏感度的分级 对静电反应敏感的元器件称为静电敏感元器件 SSD 静电敏感元器件主 要是指超大规模集成电路 特别是金属化膜半导体 MOS 电路 ESD 事件导致的敏感器件受损程度 主要取决于器件耗散放电能量或承受 电压的能力 即静电敏感度 国军标 GJB1649 1993 电子产品防静电放电控制大纲 按下列标准来划分 器件的静电敏感度 I 级 0 1999V II 级 2000 3999V III 级 4000 15999V 非静电敏感 16000V 器件类型器件类型静电敏感度 静电敏感度 V 离散型 MOS FET100 200 场效应晶体管 J FET140 1000 GaAs FET100 300 CMOS EPROM250 2000 PROM100 ECL 电路300 2500 SCL 可控硅 680 1000 VMOS30 1800 E D MOS200 1000 HMOS50 500 石英及压电晶体 10000 表 2 由上表可以看出 各器件静电敏感度的范围尽管较大 但其下限一般都只 有数十伏至数百伏 低于电子工业生产中操作者 工作台面 工具所带的静电 压 因而有可能发生 ESD 损害 装有静电敏感器件的单板也易受静电损伤 电 路设计 布板 加工均需注意 4 静电防护 4 1 防静电系统要素 1 地面 防静电地面 防静电水磨石 防静电地板 敷设地线网 2 工位 3 接地 a 防静电工作区必须有安全可靠的防静电接地装置 地电阻小于4 防 静电地线不得与电源零线相接 不得与防雷地线共用 使用三相五线制供电时 其地线可以作防静电地线 b 工作台面 地垫 坐椅和其它导静电的ESD保护设施均应通过限流电阻 接入地线 腕带等应通过工作台顶面接地点与地线连接 工作台不可相互串联 接地 c 防静电工作区接地系统 包括限流电阻和连接端子应连接可靠并具有一 定载流能力 限流电阻阻值选择应保证漏泄电流不超过5mA 下限值取为1M 4 温湿度 20 30 相对湿度30 75 5 增湿 增湿器使空气潮湿 防止静电荷积累 此法不适于增湿后会产生有害影响 的场地 6 电离器 不能有效地泄放静电荷的场合 可采用电离器通过空气中的正负离子来防 止和中和元器件和其它物体上电荷积累 7 人体 穿防静电工作服 工作鞋 戴有绳防静电腕带 手套 指套等 8 包装 静电敏感器件应采取防静电保护性包装 如防静电袋 防静电盒等 9 贮存 运输 静电敏感器件必须存放在防静电容器 箱 袋 内 并用防静电运输工具 箱 车 周转 贮运中要远离静电场 电磁场或放射场 如电脑显示器顶部 4 2 生产过程中各主要工艺环节的防静电要求 电子产品的生产过程是很复杂的 就防静电而言 它是一个综合治理过程 渗透到生产的全过程 根据生产过程中各个不同的工艺环节要求 提出相应的 对策 采取有效措施 实施良好管理 各司其职 ESD 危害就会得到有效控制 4 2 1 生产中的主要工艺环节 电子产品生产作业过程的主要工艺环节有 静敏器件进厂检验 老化筛选 与测试 周转 库存与保管 配料 收 发 领 退料 预处理 包括预加工 PCB 装 插 焊 PCB 模块调试测试 PCB 装入整机 整机调试 老化筛选 测试检验 包装 成品运输入库 周转 暂存等 按照生产作业过程的工艺分工形成的静电防护区及其作业岗位的防静电点 统称谓静电防护区 点 4 2 2 静电防护区 点 的一般要求 1 一个静电防护区 点 的出入口至多两个 并视为安全门 在其门口的 醒目位置 设有永久性的统一的警告标志 2 静电防护区 点 的安全门均应设有静电释放设施 以供进入安全区的 操作人员或其他的人员释放自身积累的静电荷之用 3 作业区的室温应控制在 20 30 相对湿度应控制在 30 75 禁止在 相对湿度低于 30 的环境内放置或者操作 SSD 4 静电防护区 点 的所有防静电设施不得任意移动或拆除 应当是永久 性的 5 静电防护区 点 内凡涉及到操作 SSD 的所有桌面都必须是导静电的 桌面 仪器设备 人体都必须安全接地 即处于零电位 或出于无静电环境中 静电桌面上不得在加铺普通塑料板 塑料布 胶木板 橡皮垫等 6 静电防护区 点 内 尤其是工作台上禁止放置非生产性物品 如餐具 茶叶听 提包 毛织物 塑料制品 报刊 橡胶手套等 7 操作人员在每次重新上岗操作前 包括停工待料一段时间后 必须作静 电防护安全性检查 合格后才能进行生产 8 静电防护区 点 内需要进行某种维护 修理作业时 维护人员应携带 并使用防静电包 应遵守安全区的有关规定 9 对新进厂人员和第一次涉及静电防护作业工种的人员 必须事先进行静 电敏感器件安全操作的教育 方可进入作业区上岗操作 10 静电防护区 点 内所使用的包装作业材料 必须选用导电塑料薄膜或 者抗静电聚酯泡沫或抗静电气垫膜等 要求一切包装材料在作业过程中不积累 电荷 11 静电防护区 点 的操作人员 均应穿防静电工作服 防静电工作鞋 戴防静电工作手套和工作帽 12 非防护区人员 经许可进入生产现场时 亦必须进行人体静电释放 并 穿好防静电工作服 工作鞋 在现场不得随手触摸 SSD 或 PCB 不许靠近正在 操作的人员 13 静电防护区 点 内的设施 要按生产过程需要而确定的静电控制方法 与工艺 的规定进兴安装 4 2 3 静电敏感器件在进厂检验中的静电防护及要求 SSD 的进厂检验 通常包含进行必要的测试 老化筛选等工艺 静电防护的 要求如下 1 识别防静电标签 标志 SSD 的生产厂或者进口的静电敏感物资 在 SSD 包装上一般贴有专用标签 防静电标签 标志 2 识别静电保护包装 静电敏感器件进厂时应用导电盒 金属盒 金属隔 离器皿 透明导电塑料管 导电塑料盒 包装 或将集成电路引出脚插在导电 塑料海绵上 3 检验过程中的 SSD 的包装不能做任意的更改 4 SSD 的的测试 老化筛选均应在静电安全作业区内进行 如果 SSD 的测 试机房不具备无静电操作环境条件时 必须在全接地 即人身接地 工作台面 接地 仪器设备工具接地 条件下进行 5 在测试 SSD 时 人身应先放电 6 SSD 在做老化筛选时 应在具有防静电措施的设备中进行 7 测试 SSD 时应从包装盒内取一块 测一块 放一块 不要堆在桌面上 8 在加电测试时 不能插入或拔出器件 9 检验人员应熟悉 SSD 的型号 品种 测试知识要了解静电防护的基本知 识 4 2 4 静电敏感器件在运输 贮存 保管中的静电防护要求 1 SSD 在运输过程中 不得掉掉落地下 不得任意脱离封装 2 SSD 在搬运时 全部必须处于防静电包装袋内 对于入库的所有 SSD 要 检查其包装盒上是否有防静电警告符号 3 贮存 SSD 的库房 其室内的相对湿度不得低于 30 40 因为在这种情 况下 非常容易积累静电 库房的相对湿度保持在 60 左右时最为合适 4 SSD 在贮存过程中应保持原包装 若需要更换包装时 要使用具有防静 放电性能的专用容器 不得任意使用普通塑料袋 普通塑料盒等容器 也不得 随意倒入抽屉 柜子里 5 SSD 的贮存库 在存放器件的容器的可视位置上 应贴有防静电专用标 签 6 工厂应建立 SSD 保管专用库房 库房工作人员应该经过防静电教育 库 房人员应该穿防静电工作服 7 SSD 的保管专用库里 应具有静电防护措施 4 4 5 静电敏感器件在配料 收 发 领 退料中的防静电要求 1 检查从 SSD 专用库内取出的器件是否属于防静电范畴 同时收 发 领 退料过程中的涉及人员 在办理每一级手续时也必须首先确认所进行的项目是 否属于防静电范畴 2 静止操作人员将 SSD 放置在没有静电保护措施的工作台面上作业 3 在 SSD 配料作业中 操作人员必须穿防静电服 在具有防静电防护的环 境下进行 并尽可能按原包装配料 当缺数 补数需分散包装时 应采用防静 电包装容器 4 SSD 的收 发 领全过程中 器件均应在防静电包装容器的交换中进行 5 配料 收 发 领 退料人员应属熟悉 SSD 的型号 品种和静电防护常 识 4 4 6 静电敏感器件在配料 收 发 领 退料中的防静电要求 1 SSD 的预处理 通常要求在具有静电防护措施的环境中进行 要求对有 关加工设备 仪器 工作台面作防静电接地 要求操作人员正确佩戴手腕 即 必须将腕带直接套在手腕皮肤上 不许套在棉毛衫袖或者衬衣袖布上 2 SSD 搪锡操作时 必须在锡浴 锡缸 锡锅 可靠接地的情况下进行 并应避免用超声波搪锡机搪锡 3 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 操作人员应正确拾起器件 4 4 7印制板装插 焊接过程中的静电防护及要求 1 PCB 的人工插装 焊接应在静电防护区内进行 2 在 PCB 焊接组装时 当采用自动或半自动装插机 自动焊接机 波峰焊 回流焊 自动半自动清洗机 烘干 固化 保温设备 老化烘箱等 这些设 备均应直接接入大地母线 或者采用有效的离子风机 以净化环境 这些设备 周围的场地均应铺设防静电地垫或者采用防静电地板 若采用自动传送机时 其传送带或传送线上的工装板均应是导电性的 并安全接地 3 操作人员穿的工作服 工作鞋 戴的工作手套 工作帽均应符合防静电 要求 4 操作人员每次接触 SSD 之前 都应将自身和工具习惯性的与接地物碰触 一下 以释放静电荷 5 操作人员在装插过程中对 SSD 应持其外壳 尽量避免直接接触其引脚 6 在印制板的整个插装 焊接的过程中 如进行工序间的传递 这种传递 全过程应使 PCB 完全处于防静电的容器中进行 例如 采用防静电的箱 防静 电袋 防静电车等 7 PCB 在装插过程中 所使用的 SSD 应存放在防静电盒内 尽量避免直接 放在防静电桌面上 4 4 8印制板测试检验过程中的静电防护要求 1 PCB 板的人工测试 检验应在典型的防静电操作台上进行 测试人员要 做可靠的静电释放和人身接地处理 PCB 的自动测试应在采用了无静电操作环 境的条件下进行 2 PCB 测试 检验完毕后应立即放入防静电袋或者防静电周转箱内 3 不允许在电源接通的情况下 插拔 PCB 也不允许在通电的情况下焊拆 PCB 上的 SSD 4 含 SSD 的印制板在加信号测试时 应先接通电源 后接