毕业设计（论文）作业环境的防静电对策

涪江职大毕业设计（论文）涪江机器厂职工大学2008级无线电应用技术专业毕业设计（论文） 课 题 作业环境的防静电对策 姓 名 指导教师 年 月 日摘要为了避免静电在电子产品生产中的不良影响，在分析静电产生的原因及造成的危害的基础上，从导电体、绝缘体两个方面，有针对性地采取接地、静电屏蔽、离子中和等静电防护方法，有效地降低了电子产品的不良率及失效率，提高了电子部件质量。实践操作证明，静电对电子产品的损害可通过科学的操作方法、严格的管理制度消除。关键词：静电防护；元件;作业环境；目录前言.4作业环境的防静电对策.61、概述.62、导电性桌面垫及地板垫.83、手腕带.124、去除绝缘物体上静电的方法.145、导电性包装.156、小结.16参考文献.18致谢.19前言 因操作人员携带的静电导致电子元件损坏，已成为电子行业最难对付的问题。随着IC产业急速的技术进步如离子注入法及Lon beam reaming(离子束邃道法)、电子束direct writing(直接写入)等技术的普及，一方面对IC的集成度增加与性能提高作出了贡献，但同时也成为生产出易受静电影响的IC的原因。 现今，对于某种元件属于耐静电还是不耐静电已不好说。当然某种元件总会有比另外某些元件容易受静电损坏的倾向，故列为易受静电影响的元件清单一年比一年变长。 表1是从几种参考资料中汇总出来的各种元件有可能被损坏的静电压范围。 表1各种元件因作业者的静电放电导致有可能被损坏的电压范围（1、2、3） 虽然比表1中所揭示元件耐静电性更差的元件现在还有少量使用，但从表1可得出若将作业环境的静电压水平保持在100V以下，则不会发生因静电损坏的现实问题。虽麻烦或会增加成本，被静电损坏的部品在出货前的检查工序中还是可被剔出的，但是另外即使增加成本也难以查出的难题是因静电导致的元件的特性的变化，也就是发生了劣化的埸合，这种情形的元件在出货前检查时能在规格范围内动作，但其制品的寿命却极端的短暂。 所幸的是因作业环境而引起的静电损坏问题是可以防止的，因此在生产或使用静电敏感元件的工厂内，必须让所有工序的作业人员及管理人员参与开展提高认识静电的活动，在教育培训过程 中要详细说明何为安全的作业者，何为安全的操作方法。这是因为如表1所示的各种元件均是在作业者能感觉到的静电放电电压（3.000V）以下被破坏的，所以即使在下一个工序或地方不良被发现，也可能不会意识到是在本工序发生的静电故障。 进行了充分的培训后，还要配备使作业者能有效控制静电的设备，作业台上要有导电桌垫，导电性手腕带，导电性地板垫，离子化空气吹风装置。部品从作业台上移送到别处时，要使用导电性包装材料或容器。 本论文就构成防静电对策系统的导电材料所要求的基本电气特性，以及组成系统的各构成部品的作用进行论述，另外还说到实际使用着的各种防静电对策材料的防静电能力测定数据。作业环境的防静电对策1、概述 所谓静电是指物体表面电子的过剩或不足，有多少数量的电子过剩或有多数量的电子不足决定了其表面的电荷量。物体表面电子过剩时，被称作带负电；物体表面电子不足时，称为带正电。 电子部品防静电对策的基本要求是防止静电的蓄积并使已带上的静电尽快释放。静电的释放方法根据带电物体是导体还是绝缘体而有所不同。电子机器的制造现场中导体和绝缘体两者都有，因此有必要分别采取妥善的方法。 电荷不能通过绝缘体流动，因此将绝缘体接地是毫无意义的，所以此类带电物体如纸箱、塑料容器以及作业者的衣服之类的绝缘体，必须使用离子化空气来去除静电。若带电物体为象人体一样具有导电性时，如金属容器或导电性包装袋，则只需将其接地即可将静电完全除去。 因此，要制作安全的防静电作业台，要求采用导电性桌面垫、手腕带、导电地板垫，以让导电体接地。另外，为去除绝缘体上的静电，要有吹出离子化空气的吹风机。 制作防静电安全作业台时，通过适当地使用导电桌面垫、手腕带、地板垫等能使导电性物体携带的静电被除去，电荷的除去速度则根据带电物体的容量和释放路径的电阻来决定。 图1所示为一包含带有电量为C的导体释放路径电阻为R的等价电路。 图1：静电放电的等价电路t=0RC带电物体的电容量量V0初期电压带电物体的电压与时间t的函数关系如下：V=V0 exp-V：时间为t时的带电物体电压（伏特）V0：带电物体的初期电压（伏特）T：秒R：释放路径的电阻（欧姆）C：带电物体的电容量（法拉第） 简单地说，静电放电可比作将容器内的水通过漏斗流入水槽，水槽有如接地的大地，容器的尺寸相当于带电物体的电容量，水为电荷（即过剩的或不足的电子数）。另外，漏斗相当于电路中的电阻，漏斗的直径越小，阻力越大，要流出一定的水需要更多的时间。作业现场的人和其它导电体通过设置通往大地的电荷流动路径，即可防止静电积蓄。实际上，图1中的由R所表示的通往大地的路径，是由若干个直联或并联的电阻组成的，以带着防静电手腕带坐在作业台前的作业者为例。从作业者至大地的电阻，是由手腕带的电阻与连接手腕带的工作台垫至大地的电阻之和，若作业者的脚与导电地板垫接触时，则鞋与通过导电地板胶至大地的电阻与前述手腕带至大地的电阻形成并列。若一定的条件下下降至安全静电水平的容许最长时间定下来后，则可以通过上述静电放电计算式求出构成静电对策系统各部品的最佳许容电阻值。2、导电性桌面垫及地板垫导电性地板垫的主要目的是为消除靠近作业台周边的人员（如管理人员等）的静电。另外，也是因为偶尔存在作业者回到作业台时忘记带手腕带的情况，虽然仅靠铺地板垫不能完全防止静电事故，但可作为一种对于有较多非作业者出入的电子元件组装现场的有效的防静电对策。一般，作业者踏入防静电地板垫时距离对静电敏感的部品或机器只有12步，因此从时间上来说有一秒钟左右不耐静电的部品或机器处在作业者携带的静电威胁中，故从这一点来说地板垫的最大许容电阻必须满足使作业者的静电压在1秒钟内降到100V以下。导电性桌面垫不仅是使桌面上无静电，还要能将放置在桌上的种种导电性容器的静电去除，例如由作业者拿来各种装着电子部品的导电性容器或导电性包装袋时，该容器或包装袋带着与作业者相同的静电压，如果未铺设可使作业者拿来的容器及包装袋的静电放电的地板垫，则桌面垫必须要能除静电，要求的能力与地板胶同，即在1秒钟内使静电压达到100V以下。正如前所说：决定放电时间的要因是至大地的电阻与带电物体的电容量，各种参考文献所载的人体的电容量值存在很大差异。但报道的值的范围均在100pF至400pF，故平均值为200pF。导电性容器根据其尺寸与形状，有着35300pF的电容量。为计算桌面垫或地面垫至大地的最大许容电阻，将人体的容量设为200pF。人体上所带静电的初期电压，根据各种状况不同，差异较大，一般来说，在通常的作业环境中步行会带有5000V以上的人体静电。因此，作为要满足这种情况的桌面垫及地板垫，必须具有能在1秒钟内从5000V放电达到 100V安全电压的足够低的电阻值。至大地的最大容许电阻按下述方式来计算：V=V0 exp-V=100V（安全电压）V0=5000V（人体或带电物体的初期电压）T=1秒（要达成100V安全电压的最长许容时间）C=200PfR=至大地的最大容许电阻，单位因此有：100=5000exp-1/20010-12R计算得：R=1.3109M根据该计算结果，若桌面垫或地板垫至大地的电阻在109以下的话，则能达成在1秒内放电至100V安全电压，电子部品可免遭静电的破坏。为调查实际应用于作业台的使用效果，通过实测对几种材料的静电放电特性进行了测定。作为静电放电特性调查的代表性方法是：使某种材料的小块样品带电，再测定接地后放电至初期电压的10%时所需放电时间。但是该方法易对结论产生误导。因该方法不知道在这种材料上放置导电性物体后其所带静电的放电特性。也就是说，样品自身表现出非常短的放电时间（1秒以内）的材料也有可能不适合用于作业台。为防止出现这种差错，在上述实测中，将带上静电的导电性容器放置于各种桌面垫上进行放电特性调查。另外，对地板垫也让带上静电的人踏在其上进行了放电特性的测定。导电性容器桌面垫限流电阻（1 M）桌面垫上所放置的导电性容器至地线的电阻为容器的底与桌面垫表面的接触电阻加上其接触面至桌面垫地线端子间的电阻之和。地线端子与地线相连，此外插入以免作业者受到放电刺激的限制电流用的电阻。该电阻为1M。图2为表示了以上内容的等价电路。导电性容器的电容量5000VC导电性容器与桌面垫的接触电阻桌面垫电阻限流电阻R图2.导电性容器至大地的放电路径与等价电路合计电阻值R是使用高压恒压源（在导电性容器上加上5000V恒定电压）测定至大地的稳定电流后用欧姆定律计算出来的。导电容器的放电特性按以下方法测得：将导电容器加上5000V电压放置于30cm30cm的方形试测用桌面垫观察其电压降下的测定情况。电压降下的观察是用静电电位计进行的。表2是各种材质的实测结果。表2、各种桌面垫上所放置导电性容器的放电特性桌面垫的材质至大地的电阻（R）5000V100V所需时间不锈钢11060.001秒口牌桌面垫11060.001秒3M#8210牌桌面垫11080.060秒三聚氰氨树脂3101110分钟后300V非带电性聚乙烯4101210分钟后800V木材1101310分钟后1000V注：1.导电性容器容量为138PF。尺寸17cm24cm高15cm。2.所有的样品均在相对湿度30%环境下放置48小时后测定。3.至大地的电阻（R）中包含了限流用电阻1M。 正如理论推断，至大地电阻为109以下的桌面垫，确实能在1秒钟内让静电释放至安全电压。1M以下的低电阻性桌面垫的放电特性，因地线间插入了1M的限流电阻故集中在1msec。 超过109的高电阻桌面垫，10分钟后，也不能将导电性容器的电压下降到100V。这类高电阻性桌面垫上所放置的导电性容器的电压不能按指数函数衰减，不是向0V而是向某一电压渐近，出现这种比所期待的结果要恶劣的情况的主要原因是因为导电容器与桌面垫间的接触电阻有明显的增大。继电器行业已经认识到要在两种接触的导体界面有电流流过，需要有一定的阈值电压以突破界面的势垒。势垒的高度取决于表面粗糙度（决定实际接触面积）、表面的污垢、表面压力。导电性容器开始放电后其电压下降到势垒电位附近时，容器与胶垫间的接触电阻增大，放电停止。虽这种势垒电位各种材料均存在，但对于表2所示的与大地间的电阻在109以下的材料，不会产生恶劣影响。 地板垫与桌面垫相同，采用与现实的使用条件接近的方法进行实测。地板垫至大地的电阻，为作业者的鞋（含接触电阻）及与鞋接触部至地线连接端子间的地板垫的电阻加上限流电阻的和。图3所示为其等价回路。地板胶垫限流电阻（1 M）人体的电容量5000VC鞋的电阻地板胶垫电阻限流电阻图3 1M的限流用电阻不会使放电时间延迟1毫秒以上，但穿了橡胶底或纤维织物底的鞋时，则无论使用何种地板垫也不能使人体放电。 表3是各种不同鞋底到大地电阻的实测测定结果。表3 鞋的电阻类型鞋的电阻（单足）皮革底10100M一部分皮革底175750M纤维或橡胶底1000500000M 皮革底的鞋与部分皮革底鞋的电阻，随着鞋的新旧、鞋底的脏污情况以及足汗的情况的不同其变化剧烈。 表3中所示的皮革鞋与一部分皮鞋，充分具有释放人体静电所必要的导电性。纤维织物或橡胶底鞋则电阻太高。实际上完全禁止穿着此类鞋是较困难的，但在操作不耐静电的电子部品的生产现场则无论如何不穿为好。或者作为较实际的解决方法，可采用导电性脚腕带或安全链。 对各种导电地板垫的静电释放能力采取使人体带上5000V静电后，踏上胶垫观察人体电压降下衰减的测定方法。所有地板垫均接上1M的限流电阻后接地。测定将各种地板垫与皮革底鞋的组合情况下的总电阻与其放电时间。表4 穿皮革鞋的人体至地板垫间的放电时间 地板垫材质至大地的电阻（R）5000V100V所需时间不锈钢41070.010秒口牌地板垫41070.010秒3M#8210牌地板垫11080.080秒三聚氰氨树脂3101110分钟后200V非带电性聚烯4101210分钟后700V木材1101310分钟后1000V注：1.人体的容量为196PF，鞋的电阻为39M。2.所有的样品均在相对湿度30%的环境下放置48小时后再测定。3.至大地的电阻（R），含有限流电阻1M。与予想一样，地板垫的放电特性与桌面垫相同，只是对于电阻值低的地板垫，其放电特性受作业者的鞋（种类）的制约，而与桌面垫有所不同。 电阻值非常低的不锈钢的值与加入碳的塑胶表现出几乎一样的放电特性。同样，与大地间的电阻值在109以上的材料，不适合用作地板垫，也不适宜用作桌面垫。 至此已清楚要安全地且完全地释放静电，桌面垫及地板垫的材料要选用至大地的电阻为11000M的材料。3、手腕带 手腕带的目的是将作业时的人体动作产生的静电通过对作业者进行持续的接地而保持在安全电压的水平。 其原理是根据释放电量与发生电量相等则电荷无积蓄为前提的。 经过W、E公司的调查，坐在作业台边作业的作业者平均带有500V的电压，该电压的产生除了因磨擦发生的电荷（如与桌椅、衣服的磨擦）以外，另一有一重要的电压发生源，即人体的电容量的变化而发生的电压。 人体的电容量，随人体与其它物体的靠近程度而发生变化，同时人体的电容量随着坐下、单足离地、双足离地或站立等姿势变化有很大的差别，各种不同动作造成的人体电容量的变化量如表5所示。表5 作业现场人体的电容量的变化 动作的种类初期容量动作后容量变化量（%）坐着的作业者单足离地192PF163PF15%减少坐关的作业者双足抬起放到脚踏杆192PF129PF33%减少坐着的作业者身体前屈（带靠背的椅子）192PF184PF4%减少站立的作业者单足上抬167PF141PF16%减少坐着的作业者站立起来192PF167PF13%减少 人体的电压理论上为人体的总电荷量（电子的多余或不足）除以人体的电容量的值。即使人体的电压测出为0V，但由于作业者衣服带电或地面带电而或多或少在体内存在着诱导电荷。因作业者若未接地，体内的电荷量是不变的，所以当作业者的电容量发生变化时，作业者的电压变化是当然的。 这个问题在电子业界已有报告。 根据Bendix公司的调查记录报告，作业者坐着两足离地时电压可达1000伏。 Westing house公司的Advanced Technology Laboralories的报告，坐着的作业者起立接触到IC盒盖，其产生的静电即可破坏内部元件。 对此应注意的事情是，随着人体的电容量变化所产生的电压是在瞬间形成的，而作业者又随时接触着不耐静电的电子部品，所以手腕带须具备在该情况下保持作业者的电压在100V以下的性能。 做出几种不同的至大地电阻的手腕带，以调查控制作业者的电容量变化所产生的电压所需的适当的电阻值。 带着手腕带的作业者坐在放在地板垫的椅子上，作业者的电压用高阻抗静电探针与存储示波器进行测量。此时作业者脚尖抬起、鞋跟着地，因作业者穿的是橡胶鞋跟的皮革底鞋，所以脚尖抬起、鞋跟着地则除了手腕带另无电荷的流动路径。该动作使作业者的电容量减少（约30%），在未佩带手腕带时，作业者的电压在0.1秒内峰值电压 可达440V。带上手腕带做同一动作，并在手腕带至大地间加入几种不同的电阻（以改变人体至大地的电阻），其实测结果如下：表6 手腕带至大地的电阻 手腕带的电阻伴随动作产生的峰值电压0.5M1V以下1M1V以下10M6V以下100M85V以下1000M240V以下（手腕带无）440V以下 根据该实测结果可知109（100M）以上电阻的手腕带会产生100V以上的电压，故不合适。更如表6所示手腕带限流电阻在1 M以下则毫无限流作用。因此从安全性与足够满足静电对策要求来考虑，手腕带至大地的电阻在1100M较合适。 4、去除绝缘物体上静电的方法 将不耐静电的电子部品使用现场的绝缘物体清除掉，是解决绝缘物带电问题的最佳方法，但这是不可能的。像糖块的包装纸、记录用纸、咖啡杯、作业者的衣服等物品，均可能成为静电事故的原因，所以这时必须采取离子化空气吹风的防静电对策。 离子化空气吹风是指用或离子化空气不断向绝缘物吹拂，将绝缘物上所带的电荷中和。带电物体会吸引极性相反的离子进行自行中和。同时，未被采用的离子和与带电物体同极性的离子会被推向远方，与其他的离子再结合，或与已接地的设备机架、地面接触而被中和。 此外应注意的是，空气离子化吹风不能代替手腕带，人体产生的静电不能采用空气离子化吹风去除。其理由是：人体的电容量比通常的绝缘物大一到二个数量级，因此由于应中和的电子的过剩或不足（一个电子必须对应一个离子），使大量的静电在要求的短时间内下降到安全电压水平是不可能的。 正如前一章所述，要在0.1秒以内除去作业者的动作导致电容量变化所产生的电压，必须佩带防静电手腕带。5、导电性包装 采取防静电对策，仅在工作台使用导电性桌面垫，地板垫和手腕带是不充分的。 不耐静电的电子部品从已有静电对策的作业台移放到别处时，必须要用防静电对策用的材料进行包装或放入导电性的容器。 近年来，一直在进行不耐静电的电子部品的输送保存用包装物所需的电气特性的研究。静电对策用包装不但不能因磨擦而产生自身带电，还要能屏蔽外部电场，以保护内部物体。、 一般的antistatic（防静电）材料其电阻值较高，可以抑制三相电导致的电荷发生。且因其材质表面的柔滑还具有相当的导电性（104/sq以下），所以能防止内容物或包装材料自身的磨擦造成电荷蓄积。但是，这些材料还不能完全防止静电事故的发生。因为这些材料不能屏蔽外部静电电场。 因外部电场导致装在防静电塑料袋中电子部品端子间、印刷基板上产生感应电位差，从而损坏某些半导体元件的现象时有发生。 要防止来自带电人体或包装用泡沫塑料等外部物体的静电影响，要求具有比一般防静电材料更高的电气特性。 要形成静电屏蔽以保护内部部品，包装用薄膜至少必须具有一层非常导电的物质。 通过对各种具有不同表面电阻的包装内部静电场差别的测定；发现104/sq105/sq点的静电屏蔽能力下降得非常明显。所以作静电对策用包装的静电屏蔽性的表面电阻应在104/sq以下。 工厂内部临时用于电子部品的保管输送用导电性容器，部品箱托盘等也要能完全保护内容物不受静电的影响。象金属或体积电阻在105.cm以下的塑料可适用这种用途且已被长期沿用下来。6、小结 防静电对策的基本是要教育接触不耐静电电子部品的人们正确的处理方法。在彻底进行了有关静电的教育之后，为实施正确的处理方法，必须选用必要的设备。为中和绝缘物的静电，必须在适当的位置设置空气离子化吹风。利用这些设备可将作业台边包含作业者在内的各种物体的电压保持在100V以下。在不耐静电的电子部品及装置的操作现场，设置上述设备也是为提高信赖性的适宜投资。 桌面垫及地板垫的电阻必须满足进入作业现场的带电体的电压能在1秒内下降到100V以下。为满足其要求，通过理论计算与实测已知道桌面垫或地板垫至大地的电阻在1000M（109）以下为好。但是手腕带则要求有较快的放电时间（0.1秒）以保证人体因电容量的变化而产生的电压在100V以下，为此手腕带的电阻值要求在100M以下。 表7汇总了防静电对策作业台所使用的各种装备部品所要求的最大容许电阻与容许放电时间。表7 防静电对策用部品的最大容许电阻与容许放电时间表最大容许电阻容许放电时间地板垫1000M1秒以下桌面垫1000M1秒以下手腕带100M0.1秒以下 为保护不耐静电的电子部品，在设置了导电性的作业台后，必须定期对该作业台的效果进行测定。若不实施这种测定，则发现不了偶尔存在某些对策品不起作用的情况。 例如；手腕带未接地、桌面垫的地线断线，或地板垫、桌面垫的表面付着污垢而使表面的导电性变差等。 可使用轻便式兆欧表对这些导电性材料的电阻值进行测定，以检查其有效性。而兆欧表则与通常的轻便式兆欧表不同，能在实际上对静电对策会有问题的100V以上的电压上，测定109级的电阻。 对于电阻在109以上的材料，不适合用于防静电对策作业台。 参考文献1 GB12158-90防止静电事故通用导则北京市劳保所。2 GJB1649-93电子产品防静电放电控制大纲。3 GJB 3007-97 防静电工作区技术要求。致谢首先诚挚的感谢我的论文指导老师夏老师。他在忙碌的教学工作中挤出时间来审查、修改我的论文。还有教过我的所有老师们，你们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；你们循循善诱的知道和不拘一格的思路给与我无尽的启迪。19