仪器设备静电防护管理

 

【摘要】本文通过作者近19年来从事仪器设备计量、维修、科研试验技术安全监督检查工作中对仪器设 备静电防护工作的开展，根据静电产生原因和对仪器设备的危害现象，提出仪器设备广义静电防护，即设备 在设计阶段、科研试验使用阶段、维修阶段全生命过程都应采取相应的静电防护措施，特别提出仪器设备全 生命过程中防护静电的一种简单有效的防护方式——蜡烛绝缘隔离防静电。对仪器设备设计人员、使用人员 和维修人员开展可维修性、可测试性、安全可靠性研究具有借鉴意义。

 

【关键词】设备ESD静电防护静电防护维修

 

 

1引言

 

静电这个神秘的现象，大多数情况下即不能 用肉眼看见又不能用手摸到，但是静电在我们的 身边不断产生和消失，尤其在干燥的季节能产生

 

很高电压的静电。近半个世纪以来随着工业的迅 速发展，静电问题对人们工作生活的方方面面产 生了许多危害。

 

电释放”。随着半导体行业的发展，仪器设备大量 使用微电路芯片，微电路制造工艺不断提高（国外 普遍米用0.8 (am ~1.0(^m,国内也达到2 (im ~3 |-im 的水平），以硅半导体为基础的微细工艺技术更加 突显ESD对电子工业的危害主要表现在：大规模 集成电路1C的pin脚和I/O接口越来越多，pin间 距越来越小，受到ESD时，其放电回路的阻抗非 常小，无法限制放电电流的突变，使得1C的相关 pin脚瞬间达到几十安培的大电流，过流和过热会 导致1C严重损坏。另外ESD会使1C工作不正常， 高电压在CMOS器件内会形成大电流通道，引起 1C逻辑电路锁死。

 

据来自Intel的资料表明，在引起电脑故障的 诸多因素中，ESD是最大的隐患，将近一半的电脑 故障都是由ESD引起的。多年的仪器设备使用、 计量检定、设备维修、科研试验技术安全监督检查 等工作中发现，静电原因造成仪器设备故障占比 60%以上。因此，仪器设备静电防护管理研究和应 用可以大大降低工作生活中仪器设备的故障率，提 高使用寿命，节约成本。

 

2 ESD及危害影晌

 

ESD是20世纪中期以来形成的以研究静电的 产生、危害及静电防护等的学科。ESD基本上可以 分为3种类型，一是各种机器引起的ESD; 二是家 俱移动或设备移动引起的ESD;三是人体接触或设 备移动引起的ESD。这3种ESD对于半导体器件 的生产和电子产品的生产都非常重要。电子产品在 使用过程最容易受到人体接触或设备移动引起的 ESD的损坏，便携式电子产品尤其容易受到人体接 触产生的ESD的损坏。在一般情况下ESD会损坏 与之相连的接口器件，另一种情况是遭受ESD冲 击后的器件可能不会立即损坏，而是性能下降导致 产品过早出现故障。

 

静电对仪器设备的影响越来越大。仪器设备集 成电路元器件的线路越来越缩小，耐压降低，线路 面积减小，使得元器件耐静电冲击能力的减弱，静 电电场（Static Electric Field)和静电电流（ESD Current)成为这些高密度元器件的致命杀手。同时 大量的塑料制品等高绝缘材料的普遍应用，导致产

生静电的机会大增。日常生活中如走动，空气流 动，搬运等都能产生静电。人们一般认为只有 CMOS类的晶片才对静电敏感，实际上，设备集成 元器件电路对静电都很敏感。

 

2.1静电对设备元器件的影响

 

静电对设备元器件的影响如下：

 

(1)静电吸附灰尘，改变线路间的阻抗，影响 产品的功能与寿命。

 

(2)因电场或电流破坏器件的绝缘或导体，使 元器件不能工作（完全破坏）。

 

(3)因瞬间的电场或电流产生的热，元器件受 伤，仍能工作，寿命受损。

 

2.2静电损伤的特点

 

静电损伤的特点如下：

 

(1)隐蔽性。人体不能直接感知静电，除非发 生静电放电，但发生静电放电，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电压为 (2-3) kV。

 

(2)潜伏性。有些电子元器件受到静电损 伤后性能没有明显的下降，但多次累加放电会 给元器件造成内伤而形成隐患，而且增加了元 器件对静电的敏感性。已产生的问题并无任何 方法可治愈。

 

(3)随机性。电子元器件什么情况下会遭受到 静电破坏呢？可以这么说，一个元器件生产后一直 到它损坏以前所有的过程都受到静电的威胁，而这 些静电的产生也具有随机性。由于静电的产生和放 电都是瞬间发生的，及难预测和防护。

 

(4)复杂性。静电放电损伤分板工作，因设备 电路的精细，微小的结构特点而费时、费事、费 钱，要求较复杂的技术往往需要使用扫描电镜等精 密仪器，即使如此有些静电损伤现象也难以与其他 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，这是对静电放电损害未充分认识之 前，常常归咎于早期失效或情况不明的失效，从而 不自觉的掩盖了失效的真正原因。

 

(5)严重性。ESD问题表面上看来只影响了设 备的使用者，但实际上亦影响了维修及设备制造公 司的声誉等。

3仪器设备全生命周期静电防护

 

由于静电的产生和危害无时不在，因此，建议 开展广义静电防护，仪器设备从设计、生产、正常 使用、维修全生命过程中都需要进行静电防护的管 理，时刻减少仪器设备的静电量，达到设备安全可

 

靠。

 

3.1设计阶段静电防护

 

任何仪器设备和电子产品都是靠好的设计保证 质量，元器件的静电防护是重中之重。当集成电路 (1C)经受ESD时，放电回路的电阻通常都很小， 无法限制放电电流。设计阶段的静电防护主要是在 电路设计时考虑增加静电保护元件、防静电护卡 膜、防静电过胶片，防静电塑封膜等静电防护和隔 离措施。静电保护元件主要是为高速数据传输应用 的I/O端口保护设计的器件。RLESD保护器件是用 来避免电子设备中的敏感电路受到ESD的影响。 可提供非常低的电容，具有优异的传输线脉冲 (TLP)测试，以及IEC6100-4-2测试能力，进而 改善对敏感电子元件的保护。在设备设计时候需要 高度重视以下内容：

 

(1)传输速率，也就是电容量的控制，现在随 着工艺的不断完善，电容量越做越低。

 

(2)符合测试要求的标准，不是越高越好，而 是适合自巳的产品。

 

(3)设计时考虑PCB板的空间条件。

 

(4)安全考虑。在电路中，假如非万不得已不 要增加多余的器件，每增加一个，就是增加失效风 险，保护的器件也不例外。ESD器件作为保护器 件，它也有失效益机率，所以设计选型时尽量找些 资质比较好的供应商。

 

3.2生产阶段静电防护

 

仪器设备在生产阶段重点是做好防静电工艺规 程，采用相应的防静电常规要求和措施，一些具体 事项如下：

 

(1)操作者必须戴有线防静电手腕。

 

(2)涉及到操作静电敏感器件的桌台面须采用 防静电台垫。

 

(3) ESD敏感型器件必须用静电屏蔽与防静电 器具转运。

(4)准备开封、测试静电敏感器件时必须在防 静电工作台上进行，有条件的可配用离子空气发生 器清除空气中的电荷。

 

(5)组装所用的焊接设备及成形工装设备都必 须接地，焊接工具使用内热式烙铁，接地要良好， 接地电阻要小。

 

(6)电源供电系统要改装用变压器进行隔离， 地线要可靠，防止悬浮地线，接地电阻小于10D。

 

(7)产品测试时，在电源接通的情况下，不能 随意插拔器件，必须在关掉电源的情况下插拔。

 

(8)凡ESD敏感型器件不应过早地拿出原封 装，要正确按操作，尽量不能摸ESD敏感型器件 管腿。

 

(9)用波峰焊接时，焊料和传递系统必须接

 

地。

 

(10)凡ESD敏感型整机进行高低温试验或老 化试验时，必须先对工作场地及高低温箱进行静电 位测试，其电位不能超过安全值，否则，要进行静 电消除处理。

 

(11)焊接好的印制电路板要作三防处理时， 也要采用防静电措施。不要用一般的刷光，超声波 清洗或喷洗。

 

(12)调试、测量、检验时所用的低阻仪器、 设备应在ESD敏感型器件接上电源后，方可接到 ESD敏感型器件的输人端。

 

(13)在ESD敏感型测试仪器生产线上，应严 格使用静电电位测试监视静电电位的变化情况，以 便及时采取静电消除措施。

 

3.3科研试验使用阶段静电防护

 

根据接地、静电屏蔽和离子中和3种防护方式 派生出很多静电防护方法，在设备正常使用和科研 试验时候需要根据不同的情况采用相应的静电防护 管理，其方法如下：

 

(1)人体通过手腕带接地。

 

(2)人体通过防静电鞋（或鞋带）和防静电地 板接地。

 

(3)工作台面接地。

 

(4)测试仪器、工具夹、烙铁接地。

 

(5)防静电地板、地垫接地。