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1、电子产品生产的静电防护,刘显文 2011、06、06,1、静电和静电现象 2、静电的危害 3、电子产品生产的静电防护 4、静电防护管理 5、静电防护设备 6、静电防护标准,1、静电和静电现象,从一些静电现象说起 ： 在空气干燥的季节，当你开门时偶尔会有电击的感觉，这就是静电放电（）。 当你感觉电击时，你身上的静电电压已超过伏！当你看到放电火花时，你身上的静电已高达伏！当你听到放电声音时，你身上的静电已高达伏！,但是现代许多高速超大规模集成电路碰到仅几十伏或更低的静电就会遭到损坏。也就是说当你接触这些电路时，你既没有感觉到又没有看到更没有听到静电放电时，这块电路就已部分损伤或完全损坏，而你可能还
2、在找其硬件或软件的原因。 在上个世纪中叶以前，静电现象就如同科技馆中的表演，只是一种有趣的物理现象；然而现在，静电已成为高科技现代化工业的“杀手”。,关于静电的术语：,1、静电放电 electrostatic discharge （ESD） 两个具有不同静电电位的物体，由于直接接触或非接触时静电场感应击穿其间介质而进行的静电电荷转移的现象。 2、静电敏感器件 static sensitivity device （SSD或ESDS） 对静电放电敏感的器件。(静电放电敏感度) 3、静电泄放 electrostatic leakage 将静电荷安全传导到地。 4、导体材料 conductive ma
3、terial 一种容易将静电导入地下的材料。表面电阻106或更小。,5、静电耗散材料 electrostatic dissipative material 一种慢慢把静电导入地下的材料。表面电阻106109。 6、防静电材料 antistatic material 一种实际上不产生静电的材料。表面电阻1091012。 7、绝缘材料 insulate material 一种不能将静电导入地下的材料。表面电阻1012或更大。 8、防静电工作区ESD protected area （EPA） 配备各种防静电设备和器材，能限制静电电位、具有确定边界和专门标记的适于从事静电防护操作的场所。,9、静电放电
4、敏感度(ESDS),2、静 电 的 危 害 ：,在电子工业领域，由于ESD的影响，美国每年造成的损失约100亿美元，英国每年损失为35亿英镑，日本不合格的电子器件中有70%是由静电引起。在我国，因静电造成的损失也很严重。,49%的电路故障是由静电引起！,静电吸附尘埃，产生短路现象，导致电器损坏。 静电放电造成电磁干扰，引起电子设备的故障或误动作。 静电放电击穿集成电路和精密电子元件，形成软击穿或硬击穿故障，破坏系统正常工作。 引发爆燃事故 对人体造成电击不适感甚至引发事故。,由静电引起元器件的击穿是电子装备中静电危害的主要方式，是电子装备制造中最普遍、最严重的危害。 静电放电可能造成器件硬击穿
5、或软击穿。硬击穿是一次性造成器件的永久性失效，如器件的输出与输入开路或短路。软击穿则可使器件的性能劣化，并使其指标参数降低而造成故障隐患。由于软击穿可使电路时好时坏（指标参数降低所致），且不易被发现，给整机运行和查找故障造成很大麻烦。软击穿时装备仍能带“病“工作，性能未发生根本变化，很可能通过出厂检验，但随时可能造成再次失效。多次软击穿就能造成硬击穿，使电子装备运行不正常。,静电对电子产品损害的四种形式,吸尘 （缩短寿命） 放电破坏 （完全破坏） 放电产生热 （潜在损坏） 放电产生电磁场 （电磁干扰）,静电对电子产品损害的五个特点,隐蔽性人体不能直接感知静电，除非发生静电放电，但是发生静电放电
6、人体也不一定能有电击的感觉，这是因为人体感知的静电放电的电压要达23kV，所以静电具有隐蔽性。 潜在性器件在受到ESD后并不马上失效，而会在使用过程中逐渐退化或突然失效，这时的器件是“带伤”工作，但多次累加放电会给器件造成内伤而形成隐患。由于潜在损伤的器件无法鉴别和剔除，一旦在上机应用时失效，造成的损失就更大。 随机性静电的产生和放电具有随机性，其损坏也具有随机性。一个元器件从生产、包装、贮藏和运输，一直到使用的整个过程中都可能遭受静电的危害。,复杂性静电对电子器件影响的存在于产品的整个生命周期，其损伤形式、原因和程度具有复杂性。损伤的失效分析工作，因电子产品的精、细、微小的结构特点而费时、费
7、事、费钱，技术要求高，需要使用高精密仪器。即使如此，有些静电损伤也难以与其它原因造成的损伤加以区别，使人误把静电损伤失效当作其他失效。 严重性静电放电问题表面上只影响了的用户，但实际上影响了电子行业的整个产业链，如：元器件质量问题、电子产品质量问题、产品维修及公司的声誉等等。,电子工业哪些过程会产生静电危害？,元件制造过程：切割、连线、检验 印刷电路版生产过程：储存、装配 设备使用过程：安装、试验 设备维修过程：拆卸、检验,从元件的制造、使用到维修的任一环节， 静电已成为电子工业的隐形的致命杀手。,在科学技术不断提高、经济全球化步伐日趋加快的今天，静电已成为人类的大敌！近期美国公布了涉 及10
8、多个行业的因静电造成的损失调查结果，平均每年的直接经济损失高达200多亿美元，仅电子工业部门每年因静电危害损坏电子元件的损失高达100多亿美元。在美国的历史纪录当中，2001年9.11恐怖袭击事件给美国所造成的经济损失是最为惨重的，总共造成的经济损失达到了207亿美元，也就是说静电相当于使美国每年发生一次 “9.11”事件或每年发生一次洛杉矶大地震！,静电对电子产品的损害形式 静电的基本物理特性为：吸引或排斥；与大地有电位差，会产生放电电流。这三种特性能对电子元件的影响： 静电吸附灰尘，降低元件绝缘电阻（缩短寿命）。 静电放电破坏，使元件受损不能工作(完全破坏)。 静电放电电场或电流产生的热，
9、使元件受伤（潜在损伤）。 静电放电产生的电磁场幅度很大（达几百伏/米）频谱极宽（从几十兆到几千兆），对电子产器造成干扰甚至损坏（电磁干扰）,人体静电电位和静电感度的关系,静电源 在工作环境中，主要的静电源有： 人体（移动静电源），人在活动时产生的静电电压从几千伏到几万伏不等（如表0.2所示）。 地板、工作台面、鞋、服装、普通塑料包装袋、文件袋、泡沫包装盒，没有静电防护的印制电路板、未接地电烙铁和吸锡器等。 打印机、复印机、变压器、发电机等，工作时会产生感应静电。,人 体 放 电 模 型 HBM,有多种模型可以用来表述器件如何受到损害，如人体模型(HBM)、机器模型(MM)、带电器件模型(CDM
10、)以及电场对器件的影响等。对于自动装配设备而言，主要考虑后三种损坏模型(模式)，我们在下面分别进行讨论。,机器模型/模式 自动装配设备使用导轨、传动带、滑道、元件运送器和其他装置来移动器件使之按工艺要求的方向运动，如果设备设计不当，传动带和运送系统上可能会积累大量电荷，这些电荷将在工艺过程中通过器件泄放。设备部件通过器件放电就称为机器模型/模式。,带电器件模型/模式 如果一个器件因某种原因累积了电荷并与一个带电少的表面相接触，电荷就会通过器件上的导电部分泄放。当器件向其他材料放电时，就称为带电器件模式，用带电器件模型表示。,人体模型的建立,电容为100PF，电阻为1.5K,GJB 1649,人
11、体模型放电电流波形,人体模型放电电压与峰值电流的关系,Es Ip是电流波形检测过程中流过R的峰值电流表,大约为Vs/1500 .,静电敏感元器件主要有： 二极管，三极管， IC（SOP，QFP，PLCC），SOT类元件， BGA，PCBA半成品等等。,静电敏感元器件(ESDS)是指对静电反应敏感的器件， ESDS：ESD-Sensitive Device。,电子产品中的静电敏感元器件有哪些 ?,器件所能承受的静电电压,敏感度分类,为定量描述元件的静电敏感程度进行分类 大部分敏感度实验都是以人体模型为依据,组件设计应用能为最敏感的元器件提供最低2000V的静电放电 设计保护 整机设计应能为最敏感
12、的元器件提供最低4000V的设计保护,人体静电的电压值,不同湿度下各种操作时的人体电位,器件所能承受的静电电压,器件,人体静电电压,几百到几千伏,几千到几万伏,生产产所中的静电危害源,静电是如何产生的,任何两个不同材质的物体接触后再分离即可产生静电。 摩擦的实质是一种接触分离过程。 当带电物体接近不带电物体时会感应静电。 大部分器件的静电破坏电压都在几百伏至几千伏，而在干燥的环境中人活动所产生的静电电压可达几千伏到几万伏。,静电危害的特点：隐蔽性、潜在性、随机性、复杂性。,静电产生的机理,摩擦起电 1、接触 2、分离 3、感应 摩擦起电的实质：接触分离起电。 任何不同材质的物质接触后再分离，即
13、可产生静电。,静电是如何产生的,接触分离起电 摩擦起电 摩擦实质上是一种接触分离造成正负电荷不平衡的过程。 工作中接触到的物体有： 桌面、地板、椅子、衣服、电子元件、包装材料、仪器设备、 料盒、机器、纸张、流动空气等等。 为什么流动空气会产生静电呢？加温室内为何要放水？,静电可因多种原因而发生，例如物体间的摩擦、电场感应、介质极化、带电微粒附着等许多物理过程都有可能导致静电。,感应静电起电,当带电物体A接近不带电物体C时 在导体C的a端和b端分别感应出负电和正电,A,+ + + + + +,C,a,一 一 一,+ + +,b,_ _ _ _ _,B,当一个带静电的人，如经理、领班、工程师、来宾
14、 突然靠近您，会有什么静电危害？,其他起电方式,热电起电 压电起电 断裂起电 电解带电 亥姆霍兹层 喷射起电,3、静电防护：,ESD防护的意义 1、减少损失（美国一年的损失200多亿美 金，其中电子工业的损失超过100多亿 美金） 2、提高产品质量和可靠性 3、提高生产效率 4、静电防护回报达1：95以上,1、控制静电生成环境（尽量减少静电荷 的产生） 2、及时泄放静电（对已产生的静电荷尽 快予以消除） 3、及时中和静电（对已产生的静电荷尽 快予以消除） 4、静电屏蔽（避免静电损害）,静电防护的方法,抑制 疏导 中和 屏蔽,提高元器件、组件（线路板）及整机的抗静电能力 在操作等过程中控制静电，
15、使其不能达到危害的程度,控制静电生成环境 （尽量减少静电荷的产生）,抑制：设计合理工艺过程，对工艺流程中材料的选择、设备安装和操作管理等过程采取预防措施，抑制静电的产生和电荷的聚集，以及采用接地的静电屏蔽罩对高压电源产生的静电场和某些对静电极敏感元器件进行感应静电的屏蔽隔离，使危害降到最低程度。,避免静电的产生 对有可能产生静电的地方要防止静电荷的聚集。即采取一定的措施避免或减少静电放电的产生。,在不影响产品质量的前提下适当加大生产环境湿度。,人体静电的电压值,不同湿度下各种操作时的人体电位,电子工业产品的生产和产品的存储环境湿度一般应该在40%以下 锡膏印刷机环境的温湿度 需在温度23度27
16、度，湿度在30%RH60%RH才能达到锡膏的最优性能。 电子器件的装配间、精密仪器测量间等，出于控制产品极间短路、漏电等情况的发生和保证测试结果准确性的需要，其湿度不允许过大，通常要求将环境湿度控制在45%75%之间。 SMT车间内温度、相对湿度要求：温 度: 242湿 度: 6010%RH,由于湿度增加则非导体材料的表面电导率增加，使物体积蓄的静电荷可以更快地泄漏。因此对有静电危险的场所，在工艺条件许可时，可以安装加湿器等以提高空气的相对湿度，消除静电。一般情况，用增湿法消除静电的效果是很明显的。,在不影响产品质量的前提下适当加大生产环境温度。,湿度与温度对静电放电都有影响。在某一有限空间中，对于含有相同水分的空气来说，热空气更能吸收更多的湿气，这样它的相对湿度就更低。也就是说，在同一个大环境中，温度较高的区域会比温度低的区域相对湿度更小。,3、尽量使用静电导电材料和静电耗损材料。,静电材料：指摩擦生电产生超过100V电压，
