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静电防护基本知识

1静电防护的基本概念
静电（Electrostatic）:
静电就是物体表面过剩或不足的静止电荷。静电是一种电能，它留存于物体的表面；静电是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果；静电是通过电子或离子的转移而形成的。
静电放电ESD（Electrostatic discharge-ESD）：
具有不同静电电位的物体，由于直接接触或静电感应引起物体间的静电电荷转移。
静电感应（Electrostatic induction）：
当带静电的物体靠近某一介质时，在该介质表面因感应而带电荷，并形成感应电场。
静电敏感器（Static sensitivity device-SSD）：
对静电放电敏感的器件
中和（Neutralization）：
利用异性电荷使静电消失
接地（Grounding）：
电气连接到能提供或接受大量电荷物体上（如大地、船舰或运载工具外壳）
泄放（Leakage）：
将静电荷安全泄放到大地
硬接地（Hard ground）：
直接与大地电极作导电性连接的一种接地方式（R〈 10Ω〉
软接地（Soft ground）：
通过一足以限制流过人体的电流达到安全值的电阻连接到大地电极的一种接地方式（100 ,000Ω〈 R〈 1,000,000Ω〉
防静电工作区（Electrostatic discharge protected area）：
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。
ESD保护材料（ESD-Protected materials）：
具备下列特征的材料：
防止产生摩擦起电；
    免受静电场的影响；
防止与带电人体或与带电物体接触而产生直接放电。
2静电的产生
摩擦起电：
两物体接触时，在界面处由于两个作用面能态的差异，如电子逸出功（功函数）、温度、电荷载体浓度等不同，发生转移而形成偶电层。这种转移可能是电子,也可能是离子。
感应起电
导体或介电质处在静电场中均会感应起电。导体在静电场的作用下，表面不同部位将感应出不同电荷或使导体表面上原有电荷发生重新分布，引起带电。
在电场中介电质会发生极化，极化后的介电质在电力线方向的两面出现大小相等而极性相反的束缚电荷，并形成新的电场源。当外部电场消失后，介电质上的束缚电荷将逐渐消失，最后恢复到中性介电质。如果束缚电荷之一，因某种原因而消失。则介电质上的剩余束缚电荷将使它处于带电状态。
3人体静电
在电子产品生产过程中作为操作者的人是主要的静电发生源之一。人体的静电放电是导致元器件损伤的主要原因之一。表1列举了人体带电电位与电击程度。
表1：人体带电电位与电击程度
人体电位（伏）
电击程度

1000
完全无感觉
发出微弱的放电声
2000
手指外侧有感觉，但不疼

3000
有被针刺的感觉，微疼

4000
有被针深刺的感觉，手指微疼
见到放电的微光
5000
从手掌到前腕感到疼
指尖延伸出微光
6000
手指感到剧疼，后腕感到沉重

7000
手指和手掌感到剧疼，稍有麻木感觉

8000
从手掌到前腕有麻木的感觉

9000
手腕子感到剧疼，手感到麻木沉重

10000
整个手感到疼，有电流过的感觉

11000
手指剧麻，整个手感到被强烈电击

12000
整个手感被强烈的打击

4静电的危害
4.1静电吸附
吸附灰尘、杂物和潮气，改变线路板之间的阻抗，影响绝缘性、安全性，直接影响产品的功能和寿命。
4.2静电击穿
在航天计算机生产过程中，元器件的传送、老化、筛选、测试、插装、焊接、清洗以及单板测试、总装、调试、三防、包装运输、贮存等过程 ,由于接触-分离、摩擦、碰撞、感应等作用，都会使与元器件、组件、整件接触或接近的操作人员、工具、及工作台面等带电；加之在生产和工作环境中广泛使用合成橡胶、塑料、化纤等高分子绝缘材料制品，而更使带电加剧，随时可能发生对器件的ESD损害。
另一方面，随着大规模集成电路和微波器件的大量生产和广泛应用，由于集成和速度的迅速提高，器件尺寸的变小和绝缘层的变薄，使器件承受静电放电的能力降低。目前，在一般电子装配厂房内，不致使静电敏感器件发生ESD损害的静电安全电压为100V。
ESD对元器件的损害后果是导致其硬击穿和软击穿。所谓硬击穿是一次性地造成器件的永久性失效；软击穿是造成器件的性能劣化或参数的下降而成为隐患。软击穿比的危害比硬击穿更为严重。对于硬击穿，一般可在产品的测试、调试过程中发现并及时更换。软击穿在初期很难发现，往往器件的参数没有变化或稍微有点变化，但仍在正常范围内，并可正常工作，所以极易通过出厂前的检验而流入用户手中。在使用过程中随着时间的推移，这种软击穿就会逐步发展成为元器件的永久性失效，给用户造成损失，也影响了厂家的声誉。

5静电敏感器件的分类
静电敏感器件按其静电敏感度分为三级。
表2：静电敏感器件的分级
级别和静电敏感度范围
元器件类别

1级
静电敏感度范围
0～1999
微波器件（肖特基二极管、点接触二极管）
离散型MOS FET
结型场效应晶体管（SAW）
电耦合器件
运算放大器，薄膜电阻器
超高速集成电路
精密稳压二极管（加载电压稳定度﹤\0.5%）
使用Ⅰ级元器的混合电路件
可控硅整流器（SCRs）当100℃时（ID〈0.175%〉

2级
静电敏感度范围
2000～3999V
由试验数据确定为2级的元器件和微电路
离散型MOS FET 集成电路（IC）
结型场效应晶体管（J FET）
超高速集成电路（UHSIC）
紧密电阻网络（RZ）
运算放大器（OP Amps）
低功率双极型晶体管（PT<100mW，IC<100mA）
使用2级元器件的混合电路

3级
静电敏感度范围
4000～15999V
由试验数据确定为2级的元器件和微电路
离散型MOS FET
运算放大器（OP Amps）
集成电路（IC）普通要求的硅整流器
超高速集成电路（UHSIC）
所有不包括在1级或2级的元器件和微电路
小信号二极管（功率<1W或ID<1A）
ID>0.175A的晶体闸流管（100mW <PT<350mW）且
（100mA <IC<400mA）
光电器件（LEDS，光敏器件，光耦和器）
片状电阻器 压电晶体
使用3级元器件的混合电路

从上表可见大部分器件的静电破坏电压都在几百至几千伏，而在干燥的环境中人活动所产生的静电可达几千伏到几万伏。
6静电防护
6.1 ESD防护的基本原则：
6.1.1抑制静电荷的积聚，严格控制静电源。
6.1.2迅速、安全、有效地消除已经产生的静电荷。
6.1.3防静电工作区应按电子元器件静电放电灵敏度确定保护程度。一般情况下静电压不超过100V。
6.2 防静电工作区：
6.2.1地面材料
6.2.1.1禁止直接使用木质地板或铺设毛、麻、化纤地毯及普通地板革。
6.2.1.2应该选用由静电导体材料构成的地面，例如：防静电浮动地板或在普通地面上铺设防静电地垫并有效接地。
6.2.1.3允许使用经特殊处理过的水磨石地面，如：事先敷设地线网，渗碳或在地面喷涂防静电剂等。
6.2.2接地：
6.2.2.1防静电系统必须有独立可靠的接地装置，接地电阻一般应小于4欧，接入时，增加限流电阻。
6.2.2.2防静电地线不得接于电源零线上，不得与防雷地线共用。
6.2.2.3使用三相五线制供电，其大地线可以作业防静电地线（零线、地线不可混接）。
6.2.2.4防静电设备连接端子应确保接触可靠，易装拆，允许使用各种夹式连接器，如鳄鱼夹、插头座等。
6.2.2.5静电地：软接地，电源地、设备地：硬接地。
6.2.2.6接地系统泄漏电流不超过5mA，极限流电阻下限阻值取1MΩ。
6.2.3天花板材料：
应选用抗静电型材料制品，如石膏板制品。
6.2.4墙壁面料
应使用抗静电型墙纸，例如：石膏涂料、石灰涂料。
6.2.5湿度控制：
保持环境有一定的湿度。实践证明，北方地区或在干燥的冬季，因静电产生故障的事例要远远大于在东南沿海地区或其他季节，所以在一些重要场所，如计算机机房、实验室、电子仪器的装调车间应考虑保持一定湿度的问题，特别是对那些封闭形的空调房间，更应有一定控制湿度的设备。防静电工作区的环境相对湿度以不低于50%为宜。
6.3 防静电设施：
6.3.1静电安全工作台：通过限流电阻接地，工作台不可串联接地，由工作台、防静电桌垫、腕带接头和接大地线等组成，静电安全工作台上不允许堆放塑料盒（片）、橡皮、纸板、玻璃等易产生静电的杂物，图纸资料应装入防静电文件袋内。
6.3.2防静电腕带：
直接接触静电敏感器件的人员均应戴防静电腕带，腕带应与人体皮肤良好接触，腕带系统对地电阻为1M-10M范围内。
6.3.3防静电容器：
在电子元件、产品、设备研制生产过程中，一切贮存、周转ESD的容器（元件袋、转运车、存放盒等）应具备静电防护性能。不允许使用金属和普通塑料容器，必要时，存放部件用的周转车（箱）应接地
6.3.4防静电工作服：防静电工作帽、防静电工作鞋应使用防静电布料制作。
6.3.5工位：工作台面、工作凳面，采用ESD保护材料。
6.3.6包装：
静电敏感的元器件、产品采用对用对应的保护性包装，包装的器具必须采用防静电存放盒、防静电塑料袋等。
6.4生产厂一般防静电要求。
6.4.1 防静电腕带使用前一定要先检查（每天一次）。
6.4.2所有元器件，基板在不使用的状态下一定要用防静电袋或防静电箱包起来或装起来。
6.4.3未戴静电腕带时不可接触工作台面。
6.4.4基板所用的垫子应该是粉红色和防静电的，气泡袋也应该是粉红色和防静电的。
6.4.5工作人员要保护自己的地盘：不让无防静电措施人员接触自己的台面、基板、元件。
6.4.6把所有的元器件都当作静电元器件看待。
6.4.7工作台上不可放多余的包装材料。
6.4.8 进入防静电工作区前要进行静电放电。
6.4.9流动人员手拿元器件、机板时必须有防静电措施，如：戴防静电手套或元件机板用防静电袋包装。
6.4.10移转元器件、机板必须有防静电措施。
6.5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105-109Ω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（采购时应加严）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包装袋、盒—摩擦电压＜100V。
k人体综合电阻106～108Ω。
7 ESD防护中常发现的错误
7.1 腕带套在衣袖上，未与皮肤接触。
7.2腕带松动，与皮肤表面接触不良。
7.3腕带夹在桌面上，桌面的另一侧才接地。
7.4使用的白色泡沫垫基板。
7.5 箱子无防静电屏蔽盖。
7.6 特殊场合才带腕带。
7.7 使用白色铁氟龙光头烙铁。
7.8使用一般的塑胶包装材料包装。
7.9用普通溶剂清洗工作台表面。
7.10粉红色就是抗静电（应用静电表测量是否达到防静电要求）。
7.11 不用静电表测试静电压。
7.12 任何过路人皆可拿工作台上的零件和基板。
7.13 鳄鱼夹夹在机器设备油漆部分。
7.14鳄鱼夹的最内圆孔部夹住铜线，最内圆孔部内径比铜线外径大。
7.15 鳄鱼夹夹在铜线胶皮上。
7.16 零件与机板无任何防静电措施时随处乱放。
7.17 工作台铜线未接地。
7.18 測试设备和机器外壳未接地。
8各级领导的静电防护职责
对于一个单位和部门来说，那里的领导对防静电的认识有多深，那里的防静电工作成就就有多大。
8.1 认真学习静电防护的基本知识。
8.2模范执行防静电的规章制度，落实本单位人员的防静电知识培训，培训的对象包括。
新入所的职工
接触或操作静电敏感元器件、组件、产品的有关人员。
有关采购、设计、工艺、操作及管理人员。
可能进入防静电工作区的维修人员等。
表3：各类人员培训大纲

培训人员
培训大纲
静电原理及危害
静电防护途径与方法
防静电器材的分类与方法
产品的静电防护设计
地线知识
防静电制度
静电敏感器件的包装与运输
工艺人员
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设计人员
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管理人员
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采购、物管人员
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操作、检验人员
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维修人员
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8.3将静电防护作为安全生产和质量保证的制度,组织制定本单位的防静电制度。（参照本讲义第6章、QJ2711及我所防静电工艺规范制定）。
8.4对生产过程中静电防护制度的执行进行检查。
检查防静电制度的执行情况。
8.5指定专人对防静电设施接地和连接的靠性进行检查和维护。
8.6教育全体职工遵守监督执行，形成人人都自觉遵守静电防护制度的良好局面。
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