儀器設備靜電防護管理
【摘要】本文通過作者近19年來從事儀器設備計量、維修、科研試驗技術安全監(jiān)督檢查工作中對儀器設 備靜電防護工作的開展，根據靜電產生原因和對儀器設備的危害現象，提出儀器設備廣義靜電防護，即設備 在設計階段、科研試驗使用階段、維修階段全生命過程都應采取相應的靜電防護措施，特別提出儀器設備全 生命過程中防護靜電的一種簡單有效的防護方式——蠟燭絕緣隔離防靜電。對儀器設備設計人員、使用人員 和維修人員開展可維修性、可測試性、安全可靠性研究具有借鑒意義。
【關鍵詞】設備ESD靜電防護靜電防護維修
1引言
靜電這個神秘的現象，大多數情況下即不能 用肉眼看見又不能用手摸到，但是靜電在我們的 身邊不斷產生和消失，尤其在干燥的季節(jié)能產生
很高電壓的靜電。近半個世紀以來隨著工業(yè)的迅 速發(fā)展，靜電問題對人們工作生活的方方面面產 生了許多危害。
電釋放”。隨著半導體行業(yè)的發(fā)展，儀器設備大量 使用微電路芯片，微電路制造工藝不斷提高（國外 普遍米用0.8 (am ~1.0(^m,國內也達到2 (im ~3 |-im 的水平），以硅半導體為基礎的微細工藝技術更加 突顯ESD對電子工業(yè)的危害主要表現在：大規(guī)模 集成電路1C的pin腳和I/O接口越來越多，pin間 距越來越小，受到ESD時，其放電回路的阻抗非 常小，無法限制放電電流的突變，使得1C的相關 pin腳瞬間達到幾十安培的大電流，過流和過熱會 導致1C嚴重損壞。另外ESD會使1C工作不正常， 高電壓在CMOS器件內會形成大電流通道，引起 1C邏輯電路鎖死。
據來自Intel的資料表明，在引起電腦故障的 諸多因素中，ESD是最大的隱患，將近一半的電腦 故障都是由ESD引起的。多年的儀器設備使用、 計量檢定、設備維修、科研試驗技術安全監(jiān)督檢查 等工作中發(fā)現，靜電原因造成儀器設備故障占比 60%以上。因此，儀器設備靜電防護管理研究和應 用可以大大降低工作生活中儀器設備的故障率，提 高使用壽命，節(jié)約成本。
2 ESD及危害影晌
ESD是20世紀中期以來形成的以研究靜電的 產生、危害及靜電防護等的學科。ESD基本上可以 分為3種類型，一是各種機器引起的ESD; 二是家 俱移動或設備移動引起的ESD;三是人體接觸或設 備移動引起的ESD。這3種ESD對于半導體器件 的生產和電子產品的生產都非常重要。電子產品在 使用過程最容易受到人體接觸或設備移動引起的 ESD的損壞，便攜式電子產品尤其容易受到人體接 觸產生的ESD的損壞。在一般情況下ESD會損壞 與之相連的接口器件，另一種情況是遭受ESD沖 擊后的器件可能不會立即損壞，而是性能下降導致 產品過早出現故障。
靜電對儀器設備的影響越來越大。儀器設備集 成電路元器件的線路越來越縮小，耐壓降低，線路 面積減小，使得元器件耐靜電沖擊能力的減弱，靜 電電場（Static Electric Field)和靜電電流（ESD Current)成為這些高密度元器件的致命殺手。同時 大量的塑料制品等高絕緣材料的普遍應用，導致產
生靜電的機會大增。日常生活中如走動，空氣流 動，搬運等都能產生靜電。人們一般認為只有 CMOS類的晶片才對靜電敏感，實際上，設備集成 元器件電路對靜電都很敏感。
2.1靜電對設備元器件的影響
靜電對設備元器件的影響如下：
(1)靜電吸附灰塵，改變線路間的阻抗，影響 產品的功能與壽命。
(2)因電場或電流破壞器件的絕緣或導體，使 元器件不能工作（完全破壞）。
(3)因瞬間的電場或電流產生的熱，元器件受 傷，仍能工作，壽命受損。
2.2靜電損傷的特點
靜電損傷的特點如下：
(1)隱蔽性。人體不能直接感知靜電，除非發(fā) 生靜電放電，但發(fā)生靜電放電，人體也不一定能有 電擊的感覺。這是因為人體感知的靜電放電電壓為 (2-3) kV。
(2)潛伏性。有些電子元器件受到靜電損 傷后性能沒有明顯的下降，但多次累加放電會 給元器件造成內傷而形成隱患，而且增加了元 器件對靜電的敏感性。已產生的問題并無任何 方法可治愈。
(3)隨機性。電子元器件什么情況下會遭受到 靜電破壞呢？可以這么說，一個元器件生產后一直 到它損壞以前所有的過程都受到靜電的威脅，而這 些靜電的產生也具有隨機性。由于靜電的產生和放 電都是瞬間發(fā)生的，及難預測和防護。
(4)復雜性。靜電放電損傷分板工作，因設備 電路的精細，微小的結構特點而費時、費事、費 錢，要求較復雜的技術往往需要使用掃描電鏡等精 密儀器，即使如此有些靜電損傷現象也難以與其他 原因造成的損傷加以區(qū)別，使人誤把靜電損傷失效 當作其他失效，這是對靜電放電損害未充分認識之 前，常常歸咎于早期失效或情況不明的失效，從而 不自覺的掩蓋了失效的真正原因。
(5)嚴重性。ESD問題表面上看來只影響了設 備的使用者，但實際上亦影響了維修及設備制造公 司的聲譽等。
3儀器設備全生命周期靜電防護
由于靜電的產生和危害無時不在，因此，建議 開展廣義靜電防護，儀器設備從設計、生產、正常 使用、維修全生命過程中都需要進行靜電防護的管 理，時刻減少儀器設備的靜電量，達到設備安全可
靠。
3.1設計階段靜電防護
任何儀器設備和電子產品都是靠好的設計保證 質量，元器件的靜電防護是重中之重。當集成電路 (1C)經受ESD時，放電回路的電阻通常都很小， 無法限制放電電流。設計階段的靜電防護主要是在 電路設計時考慮增加靜電保護元件、防靜電護卡 膜、防靜電過膠片，防靜電塑封膜等靜電防護和隔 離措施。靜電保護元件主要是為高速數據傳輸應用 的I/O端口保護設計的器件。RLESD保護器件是用 來避免電子設備中的敏感電路受到ESD的影響。 可提供非常低的電容，具有優(yōu)異的傳輸線脈沖 (TLP)測試，以及IEC6100-4-2測試能力，進而 改善對敏感電子元件的保護。在設備設計時候需要 高度重視以下內容：
(1)傳輸速率，也就是電容量的控制，現在隨 著工藝的不斷完善，電容量越做越低。
(2)符合測試要求的標準，不是越高越好，而 是適合自巳的產品。
(3)設計時考慮PCB板的空間條件。
(4)安全考慮。在電路中，假如非萬不得已不 要增加多余的器件，每增加一個，就是增加失效風 險，保護的器件也不例外。ESD器件作為保護器 件，它也有失效益機率，所以設計選型時盡量找些 資質比較好的供應商。
3.2生產階段靜電防護
儀器設備在生產階段重點是做好防靜電工藝規(guī) 程，采用相應的防靜電常規(guī)要求和措施，一些具體 事項如下：
(1)操作者必須戴有線防靜電手腕。
(2)涉及到操作靜電敏感器件的桌臺面須采用 防靜電臺墊。
(3) ESD敏感型器件必須用靜電屏蔽與防靜電 器具轉運。
(4)準備開封、測試靜電敏感器件時必須在防 靜電工作臺上進行，有條件的可配用離子空氣發(fā)生 器清除空氣中的電荷。
(5)組裝所用的焊接設備及成形工裝設備都必 須接地，焊接工具使用內熱式烙鐵，接地要良好， 接地電阻要小。
(6)電源供電系統(tǒng)要改裝用變壓器進行隔離， 地線要可靠，防止懸浮地線，接地電阻小于10D。
(7)產品測試時，在電源接通的情況下，不能 隨意插拔器件，必須在關掉電源的情況下插拔。
(8)凡ESD敏感型器件不應過早地拿出原封 裝，要正確按操作，盡量不能摸ESD敏感型器件 管腿。
(9)用波峰焊接時，焊料和傳遞系統(tǒng)必須接
地。
(10)凡ESD敏感型整機進行高低溫試驗或老 化試驗時，必須先對工作場地及高低溫箱進行靜電 位測試，其電位不能超過安全值，否則，要進行靜 電消除處理。
(11)焊接好的印制電路板要作三防處理時， 也要采用防靜電措施。不要用一般的刷光，超聲波 清洗或噴洗。
(12)調試、測量、檢驗時所用的低阻儀器、 設備應在ESD敏感型器件接上電源后，方可接到 ESD敏感型器件的輸人端。
(13)在ESD敏感型測試儀器生產線上，應嚴 格使用靜電電位測試監(jiān)視靜電電位的變化情況，以 便及時采取靜電消除措施。
3.3科研試驗使用階段靜電防護
根據接地、靜電屏蔽和離子中和3種防護方式 派生出很多靜電防護方法，在設備正常使用和科研 試驗時候需要根據不同的情況采用相應的靜電防護 管理，其方法如下：
(1)人體通過手腕帶接地。
(2)人體通過防靜電鞋（或鞋帶）和防靜電地 板接地。
(3)工作臺面接地。
(4)測試儀器、工具夾、烙鐵接地。
(5)防靜電地板、地墊接地。
