电子产品SMT生产过程中的ESD防护技术
时间：10-02
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一．静电产生机理及其在电子产品中的危害性
当带电体上的电荷产生了电场，且电场强度超过周围介质的绝缘击穿强度时，带电体表面附近的介质就发生电离，引起静电电荷的转移，从而使带电体上电荷趋向减少或消失，这时就会出现静电放电（ESD）。ESD对电子产品所造成的危害主要表现为损伤，击穿是损伤的一种。通常电子元器件ESD失效形式有1)热二次击穿、2)金属化熔融、3)体击穿、4)介质击穿、5)气弧放电、6)表面击穿。前三者的失效与能量有关，后三者的失效与电压有关
ESD的特殊性：一是静电的产生和积累要一定的条件和过程，所以未加保护也不见得件件产品都会受到ESD伤害，有一定的偶然性；二是由于多数情况下ESD能量都较小，所以受到ESD伤害的也并不表现为立即报废，有些仅表现为漏电增加，工作不稳定，甚至在出厂测试中一时表现不明显，以后发现问题易归咎为材料不良或设计不良而不自省，因此常使人们认识不到ESD的危害，抱有侥幸心理。
在日常操作、贮存、传递、测试等过程中容易因ESD而引起损伤的器件称为静电敏感器件，简称SSD。
柏瑞安科技技术总监陈希立举例说：“作为一个合同加工厂商，我们会处理类型广泛的PCB，我们发现不同种类的PCB以及PCB上的芯片和元器件对ESD的敏感程度很不一样。曾经有一批PCB，由于采用不具备静电保护电路设计的芯片，结果有接近10％的产品不合格，在采取相应的保护措施后，不合格率降低到了0.9%。”陈希立发现，对缺乏静电保护电路设计的芯片，问题最可能在一些手工操作时(例如PCB目检或特殊器件的手工贴装等)被引入，因此操作工作台和操作员的防静电措施是很必要的。
二、静电放电的防护
ESD防护是一个系统工程，渗透到生产的全过程，每个环节都必须同样重视，万不可厚此薄彼。基于SMT生产过程的ESD防护系统主要有：1)生产车间环境ESD防护、2)SMT生产环境的ESD防护、3)人体静电防护、4)静电防护接地系统、5)静电检测与仪表控制系统、6)防护措施的日常维护。
SMT组装过程中静电防护的根本目的是保证元器件、SMA在制造和使用过程中免受损害或少受损害，因此必须防护ESD。静电防护的基本思想是：
1)对可能产生静电的地区要有效地控制其积聚；
2)对已经积聚静电的地区要做到有效地释放，不让其造成危害。
基本原则可归纳为三个字“防”、“泄”、“控”。防止生成静电场，有效地抑制或减少静电荷的产生，严格控制静电源；
迅速、安全、有效地消除已经产生的静电荷，避免静电荷的积聚；对所有防静电措施实施有效的实时监控，定期检测、维护。
通过一些基本的ESD防护途径比如泄漏法、静电屏蔽法、离子中和法、工艺控制法等对电子产品SMT生产过程可能产生的静电实施有效的控制。
2.1 生产车间环境ESD的防护
生产车间是防静电的重要工作区，它的地面是静电产生的主要来源之一，因此必须重视工作区地面的静电防护。
地面的静电防护办法有：
1)喷涂防静电地板漆、
2)铺防静电PVC贴面地板
3)铺防静电橡胶地板
4)铺防静电环氧自流坪
5)铺防静电高架地板。
铺设防静电PVC贴面地板是现代电子企业比较流行的一种防静电办法，对企业来讲它是一种长效的静电防护手段，而且它安装简单，维护容易，因此能被广泛采用。其具有良好的导电性能和静电耗散能力；地板材料不会随时间的推移，环境温湿度变化而失去或降低导电性能；地板耐酸碱，耐摩擦性强；表面具有防尘，易清洁和维护等优点。该地板主要由PVC树脂、导电材料、增塑剂、稳定剂与填料等组成。规格和尺寸有多种，防火级别至少达到B1级，耐摩度至少为0.02g/㎝ ，当人在这种地板上走动因摩擦产生静电时，静电会沿着导电地面材料传给导电胶，再由导电胶传给接地设施，以此达到防静电的效果。
2.2人体静电防护
人体静电是ESD的重要来源，起电方式有多种，而且极其不易察觉，对电子产品却是极大的危害，这数千乃至数万伏的静电在瞬间放电时释放的能量可高达几十瓦，这足以引起芯片微区烧毁或SiO2膜被击穿。因此对进入防静电工作区（包括生产、仓储、运输过程）的人员均要进行静电防护，其中首要的就是配备防静电服、防静电手腕带，防静电帽和防静电鞋，人体所携带的静电只有通过这些办法才能有效的释放和控制，从而确保SMA安全。
2.3建立防静电工作区（EPA）
EPA是一个配备各种防静电设备和器材、能限制静电电位、具有确定的边界和专用标记的适于从事静电防护操作的场所。在该场地经培训的工作人员可以在具有最小的静电放电或静电场损害的情况下操作ESD敏感产品。
EPA通常由防静电安全工作台及防静电桌垫、防静电地垫、防静电区域警示标志、防静电元器件盒（袋）、防静电周转车，周转箱、接地工具和设备以及其它保护设备等组成。防静电桌垫的结构分为两层，上层为静电耗散层，下层为导电层，一般我们主要通过导电率、接地电阻率、静电衰减时间、耐高温、颜色等参数选择。企业可以根据自己的需要选择防静电桌垫，一般要求静电衰减时间≤0.05s。
对电子制造企业来说建立EPA很重要，而很好地保护EPA则更重要。对于EPA的保养我们要做到每日一次、每周一次、每月一次、每季度一次，反复循环，所有人都严格要求自己。每天我们要观察员工的防静电服装和鞋的穿戴情况以及手腕带或脚腕带的佩戴情况，要测量EPA的环境温度、相对湿度，人体的对地电阻等并记录。每周我们要观察EPA的防静电工作台面、地板与地垫以及系统的接地情况并记录。每个月我们要观察防静电标记是否存在、要测量EPA的静电电位、工作服与防静电手套，指套的对地电阻和表面（点对点）电阻、离子风机的静电中和能力等等并记录在案。每个季度我们要测量防静电工作台面、地板、地垫、周转容器、工作椅、电烙铁、存放器、小车以及所有加工制造设备的对地电阻和表面电阻并记录在案。
2.4 静电防护接地系统
所谓接地是指将电气连接到能供给或接受大量电荷的物体上，地线是指能够接受或提供大量电荷的物质（如大地、设备外壳等）。
通常所说的接地有硬接地和软接地之分：硬接地是指直接或通过一个低阻抗同地线相连；软接地是指通过足够高的阻抗接地，将电流限制在人身安全电流（通常为5mA）之下。
防静电地线是专供静电工程器具和人体泄漏静电电荷使用，不得接在电源零线上，也不得与防雷地线共用，必须有独立可靠的接地装置，接地电阻一般应小于10Ω。
防静电地线有两种铺设方法：
1．从专门埋设的地线接地体引出接地线，单独铺设到SMT生产线的防静电作业岗位；单独铺设的接地导线通常使用至少3mm厚、约25mm宽的紫铜皮或用截面大约为4~6㎜ 的铜芯软线单独引入。该方法铺设的专门的防静电地线是专用于人体、台垫、防静电器具等的防静电软接地，它与电气保护接地线并存，设备、仪器、AC工具等必须以硬接地的方式接入电气保护地线接地，因此EPA内同时需要维护两条接地母线，防止两条接地线的混用，增加了一些维护控制的难度。该种方式主要用于静电非常敏感的操作环境，如总装线、调试线等。
埋设地线的原则是埋设地点的土壤电阻系数愈小愈好；接地体与土壤的接触面积要大，接触密度要高，接触要紧。埋设地线需要注意：接地线与接地体接头必须焊接牢固，要有足够的机械强度，引线不要过长；要采用耐腐蚀的接地体金属。电气保护地线应该按照动力配电安全管理制度定期进行检测维护，每半年至少检测一次地线配置系统电阻值，要求室内电气保护地线到大地的接地电阻小于4Ω。
2.5 选用防静电材料防静电
所谓ESD防护材料是指具有限制静电荷的发生、耗散静电荷或对静电场提供屏蔽等一种或多种功能的材料。在整个防静电系统中几乎所有的场合比如人体静电防护所用的防静电服装及辅助产品，墙壁、地板等生产环境防护系统，EPA的台垫、防静电容器、贮运工具、ESD包装材料，接地类材料以及检测和静电消除仪器均需要选用防静电材料，为此材料的好坏对整体防静电起到决定性的作用。
防静电包装材料的防静电性能必须通过检验测试合格才能用于器件、产品包装。新式防静电包装材料必须经过多个部门的检验，并通过检验方可使用。而且还要接受不定期的稽查抽测，用于验证其防静电的有效性。
三 静电防护的误区
在电子产品SMT生产过程中对于ESD防护我们有很多认识误区，这些误区也影响了电子产品质量。
1） 我们通常会自我认为没有证据显示静电会损伤元器件。事实如此吗，不是。由于ESD所表现出来的破坏并不能证明是由于ESD直接导致，故并无明显证据。但经验上，可以从采取静电防护措施前后的合格率来显示效果，或把产品解剖，观察其破坏，排除不可能的原因，再揣测与静电的关联，这时我们就不能自认为ESD不会造成元器件地损伤了。
2） 生产环境所测出的静电已经很低了，故无需做防静电措施。事实如此吗，不是。物件表面静电压的反映，只与物件的电荷数量有关，但若静电荷快速地流走，所产生的瞬间电流就可能很大，并造成破坏。
3） 所用的电路都有静电保护设计了，故无需做静电防护措施。事实如此吗，不是。静电保护电路的设计在于若有ESD时，只能防止ESD在产品某些部分不会造成破坏，而在产品其它没有保护的地方，静电仍然会造成损害。而且ESD是随机的，并没有固定的路线。
4） 很多人认为做静电防护措施就是戴手腕带，因此戴手腕带后就不需要穿防静电工作服、工作鞋了。事实如此吗，不是。因为腕带只能泄漏掉作为良导体的人体皮肤上的静电，而对泄漏掉绝缘性较强的服装上的静电则是无能为力，因此必须足够高度重视消除服装、鞋的静电。
5） 很多人认为所谓静电防护措施就是接地。事实如此吗，不是。接地是静电防护系统的基础，但接地只可能把导体上的静电导走，对产品上的绝缘部分无效，另外接地导体与绝缘体接触后，虽然导体上不会存在静电，但绝缘体上仍然产生有静电。绝缘体必须使用离子中和法消除静电。
6） 采用电阻率极低的金属作为防静电材料。电阻率极低的金属是可以把静电导走，但要用作ESD防护材料有如下问题：一、可能因为漏电而使操作工不慎接触高压或硬接地时容易发生人身伤害事故；二、若有一带静电产品与它靠近时，由于金属为良导体，此时极易发生静电放电，其能量释放很快，发生的放电火花和电磁噪声会对元器件造成很大的损伤；三、金属台面上操作时，器件或印制板的连接导线由于接触金属导电表面会引起短路，造成损害。因此静电防护材料一般选用表面电阻率10 ≤ ＜10 Ω/sq或体积电阻率10 Ω.cm≤ ＜10 Ω.cm的静电耗散材料，其导静电及静电在其上的积累程度介于静电导体和静电绝缘体之间。
四 总结
防静电工程涉及的SMT生产部门众多，需要各部门相互协调、共同努力，各司其职，ESD才能得到有效控制。制定完善的静电防护管理规程，实行有效的管理和监控，可以最大限度地减少或避免静电放电对电子产品的危害。
当带电体上的电荷产生了电场，且电场强度超过周围介质的绝缘击穿强度时，带电体表面附近的介质就发生电离，引起静电电荷的转移，从而使带电体上电荷趋向减少或消失，这时就会出现静电放电（ESD）。ESD对电子产品所造成的危害主要表现为损伤，击穿是损伤的一种。通常电子元器件ESD失效形式有1)热二次击穿、2)金属化熔融、3)体击穿、4)介质击穿、5)气弧放电、6)表面击穿。前三者的失效与能量有关，后三者的失效与电压有关
ESD的特殊性：一是静电的产生和积累要一定的条件和过程，所以未加保护也不见得件件产品都会受到ESD伤害，有一定的偶然性；二是由于多数情况下ESD能量都较小，所以受到ESD伤害的也并不表现为立即报废，有些仅表现为漏电增加，工作不稳定，甚至在出厂测试中一时表现不明显，以后发现问题易归咎为材料不良或设计不良而不自省，因此常使人们认识不到ESD的危害，抱有侥幸心理。
在日常操作、贮存、传递、测试等过程中容易因ESD而引起损伤的器件称为静电敏感器件，简称SSD。
柏瑞安科技技术总监陈希立举例说：“作为一个合同加工厂商，我们会处理类型广泛的PCB，我们发现不同种类的PCB以及PCB上的芯片和元器件对ESD的敏感程度很不一样。曾经有一批PCB，由于采用不具备静电保护电路设计的芯片，结果有接近10％的产品不合格，在采取相应的保护措施后，不合格率降低到了0.9%。”陈希立发现，对缺乏静电保护电路设计的芯片，问题最可能在一些手工操作时(例如PCB目检或特殊器件的手工贴装等)被引入，因此操作工作台和操作员的防静电措施是很必要的。
二、静电放电的防护
ESD防护是一个系统工程，渗透到生产的全过程，每个环节都必须同样重视，万不可厚此薄彼。基于SMT生产过程的ESD防护系统主要有：1)生产车间环境ESD防护、2)SMT生产环境的ESD防护、3)人体静电防护、4)静电防护接地系统、5)静电检测与仪表控制系统、6)防护措施的日常维护。
SMT组装过程中静电防护的根本目的是保证元器件、SMA在制造和使用过程中免受损害或少受损害，因此必须防护ESD。静电防护的基本思想是：
1)对可能产生静电的地区要有效地控制其积聚；
2)对已经积聚静电的地区要做到有效地释放，不让其造成危害。
基本原则可归纳为三个字“防”、“泄”、“控”。防止生成静电场，有效地抑制或减少静电荷的产生，严格控制静电源；
迅速、安全、有效地消除已经产生的静电荷，避免静电荷的积聚；对所有防静电措施实施有效的实时监控，定期检测、维护。
通过一些基本的ESD防护途径比如泄漏法、静电屏蔽法、离子中和法、工艺控制法等对电子产品SMT生产过程可能产生的静电实施有效的控制。
2.1 生产车间环境ESD的防护
生产车间是防静电的重要工作区，它的地面是静电产生的主要来源之一，因此必须重视工作区地面的静电防护。
地面的静电防护办法有：
1)喷涂防静电地板漆、
2)铺防静电PVC贴面地板
3)铺防静电橡胶地板
4)铺防静电环氧自流坪
5)铺防静电高架地板。
铺设防静电PVC贴面地板是现代电子企业比较流行的一种防静电办法，对企业来讲它是一种长效的静电防护手段，而且它安装简单，维护容易，因此能被广泛采用。其具有良好的导电性能和静电耗散能力；地板材料不会随时间的推移，环境温湿度变化而失去或降低导电性能；地板耐酸碱，耐摩擦性强；表面具有防尘，易清洁和维护等优点。该地板主要由PVC树脂、导电材料、增塑剂、稳定剂与填料等组成。规格和尺寸有多种，防火级别至少达到B1级，耐摩度至少为0.02g/㎝ ，当人在这种地板上走动因摩擦产生静电时，静电会沿着导电地面材料传给导电胶，再由导电胶传给接地设施，以此达到防静电的效果。
2.2人体静电防护
人体静电是ESD的重要来源，起电方式有多种，而且极其不易察觉，对电子产品却是极大的危害，这数千乃至数万伏的静电在瞬间放电时释放的能量可高达几十瓦，这足以引起芯片微区烧毁或SiO2膜被击穿。因此对进入防静电工作区（包括生产、仓储、运输过程）的人员均要进行静电防护，其中首要的就是配备防静电服、防静电手腕带，防静电帽和防静电鞋，人体所携带的静电只有通过这些办法才能有效的释放和控制，从而确保SMA安全。
2.3建立防静电工作区（EPA）
EPA是一个配备各种防静电设备和器材、能限制静电电位、具有确定的边界和专用标记的适于从事静电防护操作的场所。在该场地经培训的工作人员可以在具有最小的静电放电或静电场损害的情况下操作ESD敏感产品。
EPA通常由防静电安全工作台及防静电桌垫、防静电地垫、防静电区域警示标志、防静电元器件盒（袋）、防静电周转车，周转箱、接地工具和设备以及其它保护设备等组成。防静电桌垫的结构分为两层，上层为静电耗散层，下层为导电层，一般我们主要通过导电率、接地电阻率、静电衰减时间、耐高温、颜色等参数选择。企业可以根据自己的需要选择防静电桌垫，一般要求静电衰减时间≤0.05s。
对电子制造企业来说建立EPA很重要，而很好地保护EPA则更重要。对于EPA的保养我们要做到每日一次、每周一次、每月一次、每季度一次，反复循环，所有人都严格要求自己。每天我们要观察员工的防静电服装和鞋的穿戴情况以及手腕带或脚腕带的佩戴情况，要测量EPA的环境温度、相对湿度，人体的对地电阻等并记录。每周我们要观察EPA的防静电工作台面、地板与地垫以及系统的接地情况并记录。每个月我们要观察防静电标记是否存在、要测量EPA的静电电位、工作服与防静电手套，指套的对地电阻和表面（点对点）电阻、离子风机的静电中和能力等等并记录在案。每个季度我们要测量防静电工作台面、地板、地垫、周转容器、工作椅、电烙铁、存放器、小车以及所有加工制造设备的对地电阻和表面电阻并记录在案。
2.4 静电防护接地系统
所谓接地是指将电气连接到能供给或接受大量电荷的物体上，地线是指能够接受或提供大量电荷的物质（如大地、设备外壳等）。
通常所说的接地有硬接地和软接地之分：硬接地是指直接或通过一个低阻抗同地线相连；软接地是指通过足够高的阻抗接地，将电流限制在人身安全电流（通常为5mA）之下。
防静电地线是专供静电工程器具和人体泄漏静电电荷使用，不得接在电源零线上，也不得与防雷地线共用，必须有独立可靠的接地装置，接地电阻一般应小于10Ω。
防静电地线有两种铺设方法：
1．从专门埋设的地线接地体引出接地线，单独铺设到SMT生产线的防静电作业岗位；单独铺设的接地导线通常使用至少3mm厚、约25mm宽的紫铜皮或用截面大约为4~6㎜ 的铜芯软线单独引入。该方法铺设的专门的防静电地线是专用于人体、台垫、防静电器具等的防静电软接地，它与电气保护接地线并存，设备、仪器、AC工具等必须以硬接地的方式接入电气保护地线接地，因此EPA内同时需要维护两条接地母线，防止两条接地线的混用，增加了一些维护控制的难度。该种方式主要用于静电非常敏感的操作环境，如总装线、调试线等。
埋设地线的原则是埋设地点的土壤电阻系数愈小愈好；接地体与土壤的接触面积要大，接触密度要高，接触要紧。埋设地线需要注意：接地线与接地体接头必须焊接牢固，要有足够的机械强度，引线不要过长；要采用耐腐蚀的接地体金属。电气保护地线应该按照动力配电安全管理制度定期进行检测维护，每半年至少检测一次地线配置系统电阻值，要求室内电气保护地线到大地的接地电阻小于4Ω。
2.5 选用防静电材料防静电
所谓ESD防护材料是指具有限制静电荷的发生、耗散静电荷或对静电场提供屏蔽等一种或多种功能的材料。在整个防静电系统中几乎所有的场合比如人体静电防护所用的防静电服装及辅助产品，墙壁、地板等生产环境防护系统，EPA的台垫、防静电容器、贮运工具、ESD包装材料，接地类材料以及检测和静电消除仪器均需要选用防静电材料，为此材料的好坏对整体防静电起到决定性的作用。
防静电包装材料的防静电性能必须通过检验测试合格才能用于器件、产品包装。新式防静电包装材料必须经过多个部门的检验，并通过检验方可使用。而且还要接受不定期的稽查抽测，用于验证其防静电的有效性。
三 静电防护的误区
在电子产品SMT生产过程中对于ESD防护我们有很多认识误区，这些误区也影响了电子产品质量。
1） 我们通常会自我认为没有证据显示静电会损伤元器件。事实如此吗，不是。由于ESD所表现出来的破坏并不能证明是由于ESD直接导致，故并无明显证据。但经验上，可以从采取静电防护措施前后的合格率来显示效果，或把产品解剖，观察其破坏，排除不可能的原因，再揣测与静电的关联，这时我们就不能自认为ESD不会造成元器件地损伤了。
2） 生产环境所测出的静电已经很低了，故无需做防静电措施。事实如此吗，不是。物件表面静电压的反映，只与物件的电荷数量有关，但若静电荷快速地流走，所产生的瞬间电流就可能很大，并造成破坏。
3） 所用的电路都有静电保护设计了，故无需做静电防护措施。事实如此吗，不是。静电保护电路的设计在于若有ESD时，只能防止ESD在产品某些部分不会造成破坏，而在产品其它没有保护的地方，静电仍然会造成损害。而且ESD是随机的，并没有固定的路线。
4） 很多人认为做静电防护措施就是戴手腕带，因此戴手腕带后就不需要穿防静电工作服、工作鞋了。事实如此吗，不是。因为腕带只能泄漏掉作为良导体的人体皮肤上的静电，而对泄漏掉绝缘性较强的服装上的静电则是无能为力，因此必须足够高度重视消除服装、鞋的静电。
5） 很多人认为所谓静电防护措施就是接地。事实如此吗，不是。接地是静电防护系统的基础，但接地只可能把导体上的静电导走，对产品上的绝缘部分无效，另外接地导体与绝缘体接触后，虽然导体上不会存在静电，但绝缘体上仍然产生有静电。绝缘体必须使用离子中和法消除静电。
6） 采用电阻率极低的金属作为防静电材料。电阻率极低的金属是可以把静电导走，但要用作ESD防护材料有如下问题：一、可能因为漏电而使操作工不慎接触高压或硬接地时容易发生人身伤害事故；二、若有一带静电产品与它靠近时，由于金属为良导体，此时极易发生静电放电，其能量释放很快，发生的放电火花和电磁噪声会对元器件造成很大的损伤；三、金属台面上操作时，器件或印制板的连接导线由于接触金属导电表面会引起短路，造成损害。因此静电防护材料一般选用表面电阻率10 ≤ ＜10 Ω/sq或体积电阻率10 Ω.cm≤ ＜10 Ω.cm的静电耗散材料，其导静电及静电在其上的积累程度介于静电导体和静电绝缘体之间。
四 总结
防静电工程涉及的SMT生产部门众多，需要各部门相互协调、共同努力，各司其职，ESD才能得到有效控制。制定完善的静电防护管理规程，实行有效的管理和监控，可以最大限度地减少或避免静电放电对电子产品的危害。