SMT生產中的靜電防護技術

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SMT生產中的靜電防護技術
編者按：在電子產品制造中，靜電放電往往會損傷器件，甚至使器件失效，造成嚴重損失，因此SMT生產中的靜電防護非常重要。本刊分別邀請北京、上海的兩位專家撰文介紹与分析電子產品制造中的靜電產生源及靜電防護原理，較詳細地介紹了SMT生產中的一些靜電防護技術基礎与相應措施。供大家參考。

1．靜電和靜電的危害

靜電是一种電能，它存留于物体表面，是正負電荷在局部范圍內失去平衡的結果，是通過電子或离子的轉換而形成的。靜電現象是電荷在產生和消失過程中產生的電現象的總稱。如摩擦起電、人体起電等現象。

隨著科技發展，靜電現象已在靜電噴涂、靜電紡織、靜電分選、靜電成像等領域得到廣泛的有效應用。但在另一方面，靜電的產生在許多領域會帶來重大危害和損失。例如在第一個阿波羅載人宇宙飛船中，由于靜電放電導致爆炸，使三名宇航員喪生；在火藥制造過程中由于靜電放電(ESD)，造成爆炸傷亡的事故時有發生。在電子工業中，隨著集成度越來越高，集成電路的內絕緣層越來越薄，互連導線寬度与間距越來越小，例如CMOS器件絕緣層的典型厚度約為0．1μm，其相應耐擊穿電壓在80-100V；VMOS器件的絕緣層更薄，擊穿電壓在30V。而在電子產品制造中以及運輸、存儲等過程中所產生的靜電電壓遠遠超過MOS器件的擊穿電壓，往往會使器件產生硬擊穿或軟擊穿(器件局部損傷)現象，使其失效或嚴重影響產品的可靠性。

為了控制和消除ESD，美國、西歐和日本等發達國家均制定了國家、軍用和企業標准或規定。從靜電敏感元器件的設計、制造、購買、入庫、檢驗、倉儲、裝配、調試、半成品与成品的包裝、運輸等均有相應規定，對靜電防護器材的制造使用和管理也有較嚴格的規章制度要求。我國也參照國際標准制定了軍用和企業標准。例如有航天部、机電部、石油部等標准。

2．靜電敏感器件(SSD)

對靜電反應敏感的器件稱為靜電敏感元器件(SSD)。靜電敏感器件主要是指超大規模集成電路，特別是金屬化膜半導体(MOS電路)。表1為靜電敏感器件的分級表。可根据SSD分級表，針對不同的SSD器件，采取不同的靜電防護措施。



3．電子產品制造中的靜電源

(1)人体的活動，人与衣服、鞋、襪等物体之間的摩擦、接触和分离等產生的靜電是電子產品制造中主要靜電源之一。人体靜電是導致器件產生硬(軟)擊穿的主要原因。人体活動產生的靜電電壓約0．5-2KV。另外空气濕度對靜電電壓影響很大，若在干燥環境中還要上升1個數量級。表2為相對濕度對与人体活動帶電的關系。



人体帶電后触摸到地線，會產生放電現象，人体就會產生不同程度的電擊感反應，其反應的程度稱為電擊感度。表3為不同靜電壓放電過程中人体的電擊感度。



(2)化纖或棉制工作服与工作台面、坐椅摩擦時，可在服裝表面產生6000V以上的靜電電壓，并使人体帶電，此時与器件接触時，會導致放電，容易損坏器件。

(3)橡膠或塑料鞋底的絕緣電阻高達1013Ω，當与地面摩擦時產生靜電，并使人体帶電。

(4)樹脂、漆膜、塑料膜封裝的器件放人包裝中運輸時，器件表面与包裝材料摩擦能產生几百伏的靜電電壓，對敏感器件放電。

(5)用PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、PS(聚內乙烯)、PVR(聚胺脂)、PVC和聚脂、樹脂等高分子材料制作的各种包裝、料盒、周轉箱、PCB架等都可能因摩擦、衝擊產生1-3．5KV靜電電壓，對敏感藉件放電。

(6)普通工作台面，受到摩擦產生靜電。

(7)混凝土、打腊拋光地板、橡膠板等絕緣地面的絕緣電阻高，人体上的靜電荷不易泄漏。

(8)電子生產設備和工具方面：例如電烙鐵、波峰焊机、再流焊爐、貼裝机、調試和檢測等設備內的高壓變壓器、交∕盲流電路都會在設備卜感應出靜電。如果設備靜電泄放措施不好，都會引起敏感器件在制造過程中失效。烘箱內熱空气循環流動与箱体摩擦、CO2低溫箱冷卻箱內的CO2蒸汽均會可產生大量的靜電荷。

4．靜電防護原理

電子產品制造中，不產生靜電是不可能的。產生靜電不是危害所在，其危害所在于靜電積聚以及由此產生的靜電放電。靜電防護的核心是“靜心消除”。

靜電防護原理：

(1)對可能產生靜電的地方要防止靜電積聚。采取措施在安全范圍內。

(2)對已經存在的靜電積聚迅速消除掉，即時釋放。

5．靜電防護方法

(1)使用防靜電材料：金屬是導体，因導体的漏放電流大，會損坏器件。另外由于絕緣材料容易產生摩擦起電，因此不能采用金屬和絕緣材料作防靜電材料。而是采用表面電阻l×105Ω‧cm以下的所謂靜電導体，以及表面電阻1×105-1×108Ω‧cm的靜電亞導体作為防靜電材料。例如常用的靜電防護材料是在橡膠中混入導電碳黑來實現的，將表面電阻控制在1×106Ω‧cm以下。

(2)泄漏与接地：對可能產生或已經產生靜電的部位進行接地，提供靜電釋放通道。采用埋大地線的方法建立“獨立”地線。使地線与大地之間的電阻＜10Ω。(參見GBJl79或SJ∕T10694—1996)

靜電防護材料接地方法：將靜電防護材料(如于作台面墊、地墊、防靜電腕帶等)通過1MΩ的電阻接到通向獨立大地線的導体上(參見SJ∕T10630-1995)。串接1MΩ電阻是為了确保對地泄放＜5mA的電流，稱為軟接地。設備外殼和靜電屏蔽罩通常是直接接地，稱為硬接地。

IPC-A-610C標准中推荐的防靜電工作台接地方法如圖1。



(3)導体帶靜電的消除：導体上的靜電可以用接地的方法使靜電泄漏到大地。放電体卜的電壓与釋放時間可用下式表示：

UT=U0L1/RC

式中 UT-T時刻的電壓(V) U0一起始電壓(V) R-等效電阻(Ω) C-導体等效電容(pf)

一般要求在1秒內將靜電泄漏。即1秒內將電壓降至1OOV以下的安全區。這樣可以防止泄漏速度過快、泄漏電流過大對SSD造成損坏。若U0=500V，C=200pf，想在1秒內使UT達到100V，則要求R=1．28×109Ω。因此靜電防護系統中通常用1MΩ的限流電阻，將泄放電流限制在5mA以下。這是為操作安全設計的。如果操作人員在靜電防護系統中，不小心触及到220V工業電壓，也不會帶來危險。

(4)非導体帶靜電的消除：對于絕緣体上的靜電，由于電荷不能在絕緣体上流動，因此不能用接地的方法消除靜電。可采用以下措施：

(a)使用离子風机—离子風机產生正、負离子，可以中和靜電源的靜電。可設置在空間和貼裝机貼片頭附近。

(b)使用靜電消除劑—靜電消除劑屬于表面活性劑。可用靜電消除劑　洗儀器和物体表面，能迅速消除物体表面的靜電。

(c)控制環境濕度—增加濕度可提高非導体材料的表面電導率，使物体表面不易積聚靜電。例如北方干燥環境可采取加濕通風的措施。

(d)采用靜電屏蔽—對易產生靜電的設備可采用屏蔽罩(籠)，并將屏蔽罩（籠）有效接地。

(5)工藝控制法：為了在電子產品制造中盡量少的產生靜電,控制靜電荷積聚，對已經存在的靜電積聚迅速消除掉，即時釋放，應從厂房設計、設備安裝、操作、管理制度等方面采取有效措施。

6．靜電防護器材

(1)人体防靜電系統包括防靜電腕帶、工作服、帽、手套、鞋、襪等

(2)防靜電地面包括防靜電水磨石地面、防靜電橡膠地面、PVC防靜電塑料地板、防靜電地毯、防靜電活動地板等。

(3)防靜電操作系列：包括防靜電：I：作台墊、防靜電包裝袋、防靜電物流小車、防靜電烙鐵及工具等。

7．靜電測量儀器．

(1)靜電場測試儀：用于測量台面、地面等表面電阻值。平面結构場合和非平面場合要選擇不同規格的測量儀。

(2)腕帶測試儀：測量腕帶是否有效。

(3)人体靜電測試儀：用于測量人体攜帶的靜電量，人体雙腳之間的阻抗，測量人体之間的靜電差,腕帶、接地插頭、工作服等是否阻護有效。還可以作為入門放電，把人体靜電隔在車間之外。

(4)兆歐表：用于測量所有導電型、抗靜電型及靜電泄放型表面的阻抗或電阻。

8．電子產品制造中防靜電技術指標要求

(1)防靜電地极接地電阻＜10Ω。

(2)地面或地墊：表面電阻值105-1010Ω;摩擦電壓＜100V。

(3)牆壁：電阻值5×104-109Ω。

(4)工作台面或墊：表面電阻值106-109Ω；摩擦電壓＜100V；對地系統電阻106-108Ω。

(5)工作椅面對腳輪電阻106-108Ω。

(6)工作服、帽、手套摩擦電壓＜300V；鞋底摩擦電壓＜100V。

(7)腕帶連接電纜電阻1MΩ；佩帶腕帶時系統電阻1-1OMΩ。腳跟帶(鞋束)系統電阻0．5×105-108Ω。

(8)物流車台面對車輪系統電阻106-109Ω。

(9)料盒、周轉箱、PCB架等物流傳遞器具一表面電阻值103-108Ω;摩擦電壓＜100V。

(10)包裝代、盒一摩擦電壓＜100V。

(11)人体綜合電阻106-108Ω。

9 電子產品制造中防靜電措施及靜電作業區(點)的一般要求



SMT生產設備必須接地良好，貼裝机應采用三相無線制接地法并獨立接地。生產場所的地面、工作台面墊、坐椅等均應符合防靜電要求。車間內保持恒溫、恒濕的環境。應配備防靜電料盒、周轉箱、PCB架、物流小車、防靜電包裝帶、防靜電腕帶、防靜電烙鐵及工具等設施。

(1)根据防靜電要求設置防靜電區域，并有明顯的防靜電警示標志。按作業區所使用器件的靜電敏感程度分成1、2、3級，根据不同級別制訂不同的防護措施。

1級靜電敏感程度范圍：0-1999V
2級靜電敏感程度范圍：2000-3999V
3級靜電敏感程度范圍：4000-15999V

16000V以上是非靜電敏感程產品。

(2)靜電安全區(點)的室溫為23±3℃，相對濕度為45-70％RH。禁止在低于30％的環境內操作SSD(靜電敏感元器件)。

(3)定期測量地面、桌面、周轉箱等表面電阻值。

(4)靜電安全區(點)的工作台上禁止放置非生產物品，如餐具、茶具、提包、毛織物、報紙、橡膠手套等。

(5)工作人員進入防靜電區域，需放電。操作人員進行操作時，必須穿工作服和防靜電鞋、襪。每次上崗操作前必須作靜電防護安全性檢查,合格后才能生產。

(6)操作時要戴防靜電腕帶，每天測量腕帶是否有效。

(7)測試SSD時應從包裝盒、管、盤中取一塊，測一塊,放一塊，不要堆在桌子上。經測試不合格器件應退庫。


(8)加電測試時必須遵循加電和去電順序：低電壓→高電壓→信號電壓的順序進行。去電順序与此相反。同時注意電源极性不可顛倒，電源電壓不得超過額定值。

(9)檢驗人員應熟悉SSD的型號、品种、測試知識，了解靜電保護的基本知識。

10．靜電敏感元器件(SSD)運輸、存儲、使用要求

(1)SSD運輸過程中不得掉落在地，不得任意脫离包裝。

(2)存放SSD的庫房相對濕度：30-40％RH。

(3)SSD存放過程中保持原包裝，若須更換包裝時，要使用具有防靜電性能的容器。

(4)庫房里，在放置SSD器件的位置上應貼有防靜電專用標簽。

(5)發放SSD器件時應用目測的方法，在SSD器件的原包裝內清點數量。

(6)對EPROM進行寫、擦及信息保護操作時，應將寫入器∕擦除器充分接地，要帶防靜電手鐲。

(7)裝配、焊接、修板、調試等操作人員都必須嚴格按照靜電防護要求進行操作。

(8)測試、檢驗合格的印制電路板在封裝前應用离子噴槍噴射一次，以消除可能積聚的靜電荷。

11．防靜電工作區的管理与維護

(1)制訂防靜電管理制度，并有專人負責。

(2)備用防靜電工作服、鞋、手鐲等個人用品以備外來人員使用。

(3)定期維護、檢查防靜電設施的有效性。

(4)腕帶每周(或天)檢查一次。

(5)桌墊、地墊的接地性、靜電消除器的性能每月檢查一次。

(6)防靜電元器件架、印制板架、周轉箱；運輸車、桌墊、地墊的防靜電性能每六個月檢查次。