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【ESD】不經意間,你會親手弄壞自己設計的電路板--KAPOOR離子風機

目錄:常見問題點擊率:發佈時間:2018-07-13

文章出處:責任編輯:

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靜電是一種處于靜止狀態的電荷。在干燥和多風的秋天,在日常生活中,人們常常會碰到這種現象:晚上脫衣服睡覺時,黑暗中常聽到噼啪的聲響,而且伴有藍光;見面握手時,手指剛一接觸到對方,會突然感到指尖針刺般刺痛,令人大驚失色;早上起來梳頭時,頭發會經?!帮h”起來,越理越亂;拉門把手、開水龍頭時都會“觸電”,時常發出“啪、啪、啪”的聲響,這就是發生在人體的靜電。



靜電產生的原理

  •   摩擦、碰撞、剝離、流動帶電、噴出帶電、攪拌帶電如滾輪移動、人員走動、油罐車泄油時、噴嘴噴出之溶劑、攪拌機靜電是由于處于不同帶電序列位置的物體之間接觸分離,使物體上正負電荷失去平衡而發生的現象。

      兩種介電系數不同的物質磨擦時,正負極性的電荷分別積累在兩個物體上而形成:當兩個物體接觸時,其中一個趨于從另一個吸引電子,因而二者會形成不同的充電電位。

      摩擦起電是一個機械過程,依靠相對表面移動傳送電量。傳送的電量取決于接觸的次數、表面粗糙度、濕度、接觸壓力、摩擦物質的摩擦特性以及相對運動速度。

      兩個帶上電荷的物體也就成了靜電源。就人體而言,衣服與皮膚之間的磨擦發生的靜電是人體帶電的主要原因之一。

      靜電源跟其它物體接觸時,依據電荷中和的原則,存在著電荷流動,傳送足夠的電量以抵消電壓。這個高速電量的傳送過程中,將產生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場,嚴重時將其中物體擊毀。這就是靜電放電。




  • 靜電感應帶電:CRT顯示器電容改變壓電效應電磁輻射感應靜電只存在于物體表面,而非物體內部,絕緣體中的電荷只保持在產生靜電的那些區域,而不會出現在整個表面。因而絕緣體接地后不會失去這些電荷。與絕緣體相反,充電導體接地后便會失去自身電荷。

      如果將導體瞬間接地(例如,該物體被站立在地上的人觸摸),那么遠離帶電體表面的電荷就會釋放,則導體將帶正電荷。


ESD的定義

  •   靜電放電:具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉移(GB/T4365-1995)”

      ESD會導致電子設備嚴重地損壞或操作失常。半導體專家以及設備的用戶都在想辦法抑制ESD? 靜電就是靜止的電荷。靜電的產生是由于電子在外力的作用下,從一個物體轉移到另一個物體或者是受外界磁場的影響而產生的極化現象? 一種電能,是正電荷和負電荷在局部范圍內失去平衡的結果。

      物體表面過?;虿蛔愕撵o止電荷。

      留存于物體表面。

      通過電子或離子的轉移而形成。



靜電的危害

  •   環境安全

      危險場合的爆炸起火等

      對精密設備的工作要求

      產品性能及可靠性

      抗干擾能力,影響產品銷售

      產品的潛在損傷

      隨著高科技的發展,靜電所造成的后果已突破了安全問題的界限。

      靜電放電造成的危害是在電子、通信、航空以及一切應用現代電子設備、儀器的場合下導致設備運轉故障、信號丟失、誤碼的直接原因之一。

      靜電放電電流有可能被直接耦合到電子設備的數據線,信號線,控制線等的總線上。在這種情況下,集成電路和特殊用途的集成電路就受到靜電放電的影響。

      在1970年以前,很多靜電問題都是由于人們沒有ESD意識而造成的,即使現在也有很多人懷疑ESD會對電子產品造成破壞。這是因為大多數ESD損害發生在人的感覺以下,因為人體對靜電放電的感知電壓為3KV,而很多電子元件在幾百伏甚至幾十伏時就會損壞,通常電子器件被ESD損壞后沒有明顯的界限,把元件安裝在PCB上以后再檢測,結果出現很多問題,分析也相當困難。

      特別是潛在的損壞,即使使用精密儀器也很難測量出其性能有明顯的變化,所以很多電子工程師和設計人員都懷疑ESD,但近年試驗證明,這種潛在損壞在一定時限以后,電子產品的可靠性明顯下降。



ESD對產品的危害

  •   靜電的基本物理特性為:吸引或排斥,與大地有電位差,會產生放電電流。

      靜電吸附灰塵,降低元件絕緣電阻(縮短壽命)。

      靜電放電破壞,使元件受損不能工作(完全破壞)。

      靜電放電電場或電流產生熱,使元件受傷(潛在損傷)。

      靜電放電產生的電磁場幅度很大(達幾百伏/米)頻譜極寬(從幾十兆到幾千兆),對電子產品造成干擾甚至損壞(電磁干擾)ESD引起的器件擊穿,是電子工業最普遍,最嚴重的靜電危害。

      靜電對電子產品損害的特點隱蔽性:人體不能直接感知靜電,除非發生靜電放電。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2~3KV,所以靜電具有隱蔽性。

      潛在性:有些電子元器件受到靜電損傷后的性能沒有明顯的下降,但多次積累放電會給器件造成內傷而形成隱患。因此靜電對器件的損傷具有潛在性。

      隨機性:電子元件什么情況下會遭受靜電破壞呢?可以這么說,從一個元件產生以后,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,其損壞也具有隨機性。

      復雜性:靜電放電損傷的實效分析工作,因電子產品的精,細,微小的結構特點而費時,費事,要求較高的技術并往往需要使用掃描電鏡等高精密儀器。



  • ESD實驗介紹

  •   直接通過能量交換引起半導體器件的損壞。

      放電所引起的電場與磁場變化,造成設備的誤動作。

      對不同試驗結果,可以根據該產品的工作條件和功能規范按以下內容分 類:

    A:技術要求范圍內的性能正常;

  • B:功能暫時降低或喪失,但可自行恢復性能;

  • C:功能暫時降低或喪失,要求操作人員干預或系統復位;

  • D:由于設備(元件)或軟件的損壞或數據的喪失,而造成不可恢復的功能降低或喪失。

      符合A的產品,試驗結果判合格。這意味著產品在整個試驗過程中功能正常,性能指標符合技術要求。

      符合B的產品,試驗結果應視其產品標準、產品使用說明書或者試驗大綱的規定,當認為某些影響不重要時,可以判為合格。

      符合C的產品,試驗結果除了特殊情況并且不會造成危害以外,多數判為不合格。

      符合D的產品判別為不合格。

      符合B和C的產品試驗報告中應寫明B類或C類評判依據。符合B類應記錄其喪失功能的時間。



ESD防護的主要目的

  •   一、增加生產量(IncreasedYields)

      二、節省成本(Cost Saving)

      三、產品可靠性較佳(BetterProduct Reliability)

      四、產品壽命較長(ExtendedUsage Life)


ESD的方法介紹

  •   四大原則

      1 環境控制

      2 人員控制

      3 包裝材料控制

      4 人員訓練


基本方法

  • 1.接地 接地就是將靜電通過一條線的連接放入大地,這是防靜電措施中最直接最有效的。

    導體常用的接地方法有:帶防靜電手腕及工作表面接地等。


2.靜電屏蔽 靜電敏感元件在儲存或運輸過程中會暴露于有靜電的區域中,用靜電屏蔽的方法可削弱外界靜電對電子元件的影響。最通常的方法是用靜電屏蔽袋作為保護。

3.離子中和 絕緣體往往是易產生靜電的,對絕緣體靜電的消除,用接地方法是無效的,通常采用的方法是離子中和, 即在工作環境中使用離子風機,離子氣槍。

  • 4.電路設計



 I/O口電路的設計同樣受到PCB布局及接地設計的影響。如圖第一幅圖的端口防護器件的接地和后端被保護的IC的地進行共地設計,這種設計一旦瞬態脈沖被鉗位卸放到地上面,由于這個地同時也是IC的參考地,很容易導致IC地電位抬高而出現異常;

改善方案主要有兩種:如果系統是兩線制設備(無地線)系統外殼也是非金屬材質,此地線設計也必須將IC的參考地和防護器件的地分開,不能共用在一起,但是由于此系統屬于無地線系統,可以采用這兩個部分分別鋪設不同的接地區域,然后使用Y電容將兩個區域的地線連接在一起。另外一種是系統有設計地線或者外殼屬于金屬外殼,這種情況就可以將防護器件的接地直接連到外殼地或者通過Y電容連接到外殼地,但是一定要和IC的參考地分開。



上面提到的PCB走線的設計導致防護電路失效的問題,通過圖就可以看到端口設計了TVS管防護ESD,但是如果布線按照第一幅圖這樣走線,極易導致IC損壞,但是TVS管還沒有動作的,主要是由于現有的ESD或者EFT都是高頻干擾,走線阻抗大,所以對于端口的防護電路設計一定要遵守靠近端口的原則進行設計PCB.

 


ESD防護方法

從人、機、法、料、環五個方面來談談ESD防護。 
一談人。人體可以說是一個高靜電源,人體靜電的防護,借助的是屏蔽及釋放靜電。嚴格來說要求做到“全副武裝”,即:要戴防靜電工帽、防靜電口罩、防靜電手套、指套等, 要穿防靜電服、防靜電鞋,同時還要戴上手腕帶等來屏蔽及導走靜電??傊?,盡量不要讓人的皮膚外露。 
二談機器。機器也是一個高靜電源,因為機器機械部件,特別是馬達等,易產生EMI(電磁感應),所以對機器靜電的防護,也是非常必要的。對于機器靜電的防護,一般通過電磁場的消除、高靜電部位的屏蔽、機器接地等來實現。一般消磁借用的是消磁器,消除電荷用的是離子風機。 
消磁器很簡單,就不作介紹,我們來看看離子風機。離子風機可產生豐富的正離子和負離子,將這些離子吹向高靜電物體,那么物體靜電將被中和。這些離子是由離子風機內部的離子發生元件,將空氣電離而產生。該離子發生元件由低電流、高電壓的變壓器來激勵空氣電離。而變壓器內又包含電流限制性電阻器,它能加強電離的穩定度及安全度。作用于不銹鋼離子發射點圓形電路上的高壓交流電使發射點頂部形成一個強烈的交變電場,就是這個電場將空氣電離,產生變極離子。當電磁場無法消除或較難消除時,我們就借助靜電屏蔽設備來屏蔽高靜電設備或設備的高靜電部位,比如,馬達,大家都知道,馬達易產生EMI,但機器要運轉又離不開馬達,所以,不防把它屏蔽起來。還有工作臺、電源線、電腦鍵盤等,都可以接用靜電屏蔽的方法來做ESD防護,這方面可用的屏蔽產品有防靜電臺墊、防靜電薄膜、防靜電簾、防靜電屏蔽袋、防靜電膠帶等。最后,不管機器屏蔽或消磁效果如何,給機器接上ESD地線是很必要的。 
三談料,即材料。用一句很絕對的話來說,如果您的產品對靜電很敏感,那么,您的生產線上是不能有高靜電材料出現的,特別是離產品較近的區域,要盡可能用防靜電材料,比如元件盒、貨架、工作臺、運輸設備、清洗設備、化學試劑等,最后就連您用的筆及筆記本都要用防靜電筆及筆記本,因為在您用筆時,它有可能會接觸產品。當然,如果,您的產品對靜電敏感程度不是很高,您可以酌情處理,但最好借助ESD實驗來證明一下,看看是否真的可以放心。 
四談環,即工作區域的環境。一個良好的防靜電的工作環境對于生產來說是很重要的,這樣的環境一般這樣來建立: 
首先, 建立ESD安全操作區域,即EPA(ESD Protection Area),最好是在相應的位置貼上ESD防護警示標志等。 


防靜電工作區

在通常的電子設備生產、組裝和維護現場,各種靜電產生材料和由他們所產生的電場是很普遍的現象,這些靜電產生材料和由其所產生的電場有可能導致靜電敏感器件的損傷。因此,在靜電敏感器件的整個使用過程都要對其進行保護。 在靜電敏感器件的存儲和轉送過程中,具有屏蔽性能的導體容器可以提供必要的保護。但是,對于靜電敏感器件也還存在著屏蔽容器外的操作。在這種情況下,靜電敏感器件非常容易受到損傷,因此,有必要提供一個安全的工作區域。防靜電工作區(EPA)正是為此目的而設計。為了確保工作臺的防靜電安全,它必須滿足以下要求: 

⑴    防靜電區域內的所有電子元器件都要視為靜電敏感器件對待。 

⑵    對于任何在保護狀態之外(處于法拉第籠之外)的靜電敏感器件的操作,都必須在防靜電工作區內進行。 

⑶    在防靜電工作區之間的非防靜電區域傳送的靜電敏感器件必須處于安全的保護狀態。 

⑷    防靜電工作區的設計應能保證靜電敏感器件不易接觸到儀器設備的金屬接地外殼。 

⑸    防靜電工作區內禁止放置工作不必須的靜電產生材料,如未作防靜電處理的塑料袋、盒子、泡沫、帶子、筆記本、紙片、個人用品等物品,這些材料必須距離靜電敏感器件30厘米以上。 


其次,就是ESD安全操作區域的安置,我們從防靜電地板系統、除塵系統、接地系統及空氣的溫濕度三方面來談。防靜電地板系統,最主要的是在普通地板上再鋪防靜電地板,一般這方面的地板有防靜電PVC地板、防靜電環氧樹脂地板等,對于防靜電地板,要求必須達到國際防靜電協會標準,當然,防靜電地板還必須和ESD地線連接起來。



一個防ESD的工作環境,做到無塵是相當關鍵的,因為空氣中的塵埃在運動的過程中相互碰撞,也會產生ESD,如果,不除塵,到時候找起產生ESD問題的原因,就不好說了。一般我們借助除塵系統來解決這個問題。首先要求有空氣塵埃過濾系統,如:風淋室、風淋通道、貨淋室、沾塵墊、沾塵滾筒、空氣過濾器、無塵傳遞窗、無塵室風淋傳遞窗等。其次盡可能設立凈化燈具、無塵室凈化玻璃、無塵室彩鋼板天花、無塵室彩鋼板包墻角、無塵室彩鋼板包柱等。以上設備的選用,各企業要根據產品對ESD的敏感程度而定,最好能借鑒一下專業人士的意見。一個完善的ESD防護工作環境,建立獨立完善的ESD接地系統也是非常重要的。并且,工作場所中的各設備、工作臺面等均需接至ESD接地系統。


另外,一個完善的ESD工作環境,對于溫濕度都有一定的要求,從ESD防護角度來說,濕度越高越好,但濕度太高,又會腐蝕設備,所以一般來說,40%-60%的濕度是最理想的。當然,各企業也要根據自己公司產品的特性而定,畢竟這方面的工作做起來較繁瑣。另外,還要設立天花、墻體送風口,并且經常用除塵器對無塵室進行凈化處理等。 
這樣,有了這樣的工作環境,大家想一下,人體的靜電是不是通過靜電服、靜電鞋或通過手腕帶、ESD接地系統耗散并導入大地。通過控制空氣的溫濕度環境中的靜電也通過地板系統耗散并導入大地。 
當然,仔細想一下,前面將的人、機、料也應屬于環境的防護,只要把各環節的工作做好,那么,一個完善的ESD防護工作環境就建立起來了。再配合合理的操作規范,即正確的方法,就基本上過關了。 

五談法。談起法,首先要明確以上四點,其實法就是建立合理的方法及規范以保證以上四點有效實現。另外,需要補充的是,當產生ESD原因不能明確時要根據生產工藝,設計相應的ESD實驗,來仔細查找產生ESD問題的原因。最終要建立相應的ESD操作規程及紀律規范來規范生產。 
當然,ESD防護系統建立起來以后,對于工作人員來說,所要做的是經常檢測這個系統,以不斷的發現有不完善的地方,并做相應的改善,以保證系統長期有效的維持其ESD的防作用。這樣,建立相應的ESD職能部門,并不斷的培養其專業技能,提高其ESD防護意識,也都是ESD防護中不可缺少的一部分。 
近年來隨著科學技術的飛速發展,微電子技術的廣泛應用及電磁環境越來越復雜,ESD問題越來越嚴重,問題越來越突出,企業也越來越重視ESD防護。





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