单元2--SMT生产中的静电防护技术-PowerPoi

SMT生产中的静电防护技术广东科学技术职业学院学习情境131静电和静电的危害静电(Electrostatic)——是物体表面过剩或不足的静止电荷。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。如摩檫起电、人体起电等现象。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应用。但在另一方面，静电在许多领域带来重大危害和损失。例如第一个阿波罗载人宇宙飞船由于静电放电（ESD）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，造成机毁人亡的事故时有发生；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（器件局部损伤）击穿现象。使其失效或严重影响产品的可靠性。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、军用或企业标准或规定。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静电敏感元器件（SSD）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）。根据SSD能够承受而且不至于损坏的静电极限电压值（也可称为静电敏感度）将静电敏感元器件分为三级。针对不同级别的SSD器件，应采取不同的静电防护措施。静电敏感元器件的分级表级别和静电敏感度范围元器件类型1级0~1999V微波器件（肖特基垫垒二极管、点接触二极管等）、离散型MOSFET器件、声表面波（SAW）器件、结型场效应晶体管（JFETs）、电偶合器件（CCDS）、精密稳压二极管（加载电压稳压度＜0.5%）、运算放大器（OPAMPs）、薄膜电阻器、MOS集成电路（IC）、使用1级元器件的混合电路、超高速集成电路（UHSIC）、可控硅整流器2级2000~3900V由试验数据确定为2级的元器件和微电路、离散型MOSFET器件、结型场效应晶体管（JFETs）、运算放大器（OPAMPs）、集成电路（IC）、超高速集成电路（UHSIC）、使用2级的元器件的混合电路、精密电阻网络（RZ）、低功率双极型晶体管3级4000~15000V由试验数据确定为3级的元器件和微电路、离散型MOSFET器件、运算放大器（OPAMPs）、集成电路（IC）、超高速集成电路（UHSIC）、小信号二极管、硅整流器、低功率双极型晶体管、光电器件、片式电阻器、使用3级的元器件的混合电路、压电晶体3电子产品制造中的静电源(1)人体静电——人体活动，人与衣服、鞋、袜等物体之间的摩檫、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。人体活动产生的静电电压约0.5~2KV。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。人体带电后触摸到地线，会产生放电现象。人体对静电放电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。相对湿度对与人体活动带电关系运动方式静电电压（V）环境相对湿度60~90%环境相对湿度10~20%在乙烯地板上行走25012,000在合成地毯上行走15,00035,000在铺有地毯的工作台上滑动塑料盒1,50018,000坐在泡沫塑料椅垫上1,50018,000坐在普通椅子上1006,000拿起塑料代6007,000用塑料薄膜包装印制电路板3,00016,000用氟里昂溶液喷洗印制板5,00015,000从印制板上撕下胶带1,50012,000用橡皮檫印制电路板1,00012,000人体带电电位与电击感度人体电位（KV）电击感度备注1.0没有感觉2.0手指外侧有感觉，但不疼痛2.5有针刺感、哆嗦感，但不疼痛4.0有较强针刺感、手微疼痛光暗时，拿见到放电微光5.0从手掌到前腕感到疼痛6.0手指感到剧痛后腕部有强烈电击感7.0手指、手掌剧痛，有麻木感(2)工作服——化纤或棉制工作服与工作台面、坐椅摩檫时，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)工作鞋——橡胶或塑料鞋底的绝缘电阻高达1013Ω，当与地面摩檫时产生静电，并使人体带电。(4)树脂、漆膜、塑料膜封装的器件放入包装中运输时，器件表面与包装材料摩檫能产生几百伏的静电电压，对敏感器件放电。(5)用PP（聚丙烯）、PE（聚乙烯）、PS（聚丙乙烯）、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架等都可能因摩檫、冲击产生1~3.5KV静电电压，对敏感器件放电。(6)普通工作台面，受到摩檫产生静电。(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。(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、直流电路都会在设备上感应出静电。如果设备静电泄漏措施不好，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檫、CO2低温箱冷却箱内的CO2蒸汽均会可产生大量的静电荷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。静电防护原理：(1)对可能产生静电的地方要防止静电积聚。采取措施，使静电边产生，边泄放，并将静电电压控制在安全范围内。(2)对已经存在的静电积聚迅速消除掉，即时释放。静电防护的核心是“静电消除”。5静电防护方法(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檫起电，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1×105Ω.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。(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GBJ179或SJ/T10694-1996）静电防护材料的方法：将静电防护材料（如工作台面垫、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-A6100标准中推荐的防静电工作台接地方法理想的EOS/ESD安全工作台可接收的EOS/ESD安全工作台图12-1IPC-A610C标准中推荐的防静电工作台接地方法(3)导体带静电的消除——用接地的方法导体上的静电可以用接地的方法使静电泄漏到大地。放电体上的电压与释放时间可用下式表示：UT=U0L1/RC式中UT——T时刻的电压（V）U0——起始电压（V）R——等效电阻（Ω）C——导体等效电容（pf）一般要求在1s内将静电泄漏。即1s内将电压降至100V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1s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。(4)非导体带静电的消除——不能用接地的方法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：(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。(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。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(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(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。(3)防静电操作系列——包括防静电工作台垫、防静电包装代、防静电、物流小车、防静电烙铁及工具等。7静电测量仪器(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。(2)腕带测试仪——测量腕带是否有效。(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、工作服等是否防护有效。还可以作为入门放电，把人体静电隔在车间之外。(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。8电子产品制造中防静电技术指标要求a防静电地极接地电阻＜10Ω。b地面或地垫—表面电阻值105~1010Ω；摩擦电压＜100V。c墙壁—电阻值5×104~109Ω。d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。e工作椅面对脚轮电阻106~108Ω。f工作服、帽、手套摩擦电压＜300V；鞋底摩擦电压＜100V。G腕带连接电缆电阻1MΩ；佩带腕带时系统电阻1~10MΩ。脚跟带（鞋束）系统电阻0.5×105~108Ω。h物流车台面对车轮系统电阻106~109Ω。i料盒、周转箱、PCB架等物流传递器具—表面电阻值103~108Ω；摩擦电压＜100V。j包装代、盒—摩擦电压＜100V。k人体综合电阻106~108Ω。9电子产品制造中防静电措施及静电作业区（点）的一般要求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、防静电包装代、防静电腕带、防静电烙铁及工具等设施。a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。防静电作业区（点）标志（表示该区域或物体经过专门设计具有防静电保护能力）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：0~1999V2级静电敏感程度范围：2000~3999V3级静电敏感程度范围：4000~15999V16000V以上是非静电敏感程产品。b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）。c定期测量地面、桌面、周转箱等表面电阻值。d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：。e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。f操作时要戴防静电腕带，每天测量腕带是否有效。g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。h加电测试时必须遵循加电和去电顺序。加电顺序：低电压→高电压