元器件保护必备知识——静电防护

原文链接（点击原文链接获取更多学习干货）：http://blog.bools.cn/archives/1255

一、静电防护基本介绍

百度百科：静电防护
静电防护是指防止与管道终端相连的受油容器因静电引起爆燃事故而采取的防护措施。石油工业中的静电大多产生于油品在管道内的流动,油品沿管流动时管壁带有一种极性的电荷，油品则带有相反极性的电荷。在相同流动条件下，电导率在1〜10pS/m范围内的油品，如汽、煤、柴等，会带有较多电荷。管道内油品带电一般没有危险，但带电油品流入受油容器后，便在油面与充满油蒸气的容器壳体间形成电位差，当电位差足够发生放电时，就可引燃油蒸气造成爆燃。

二、ESD（静电放电）

ESD英文为Electro Static Discharge即"静电放电"（具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触引起的电荷转移）的意思。我们都知道，不同物质的接触、分离或相互摩擦，即可产生静电。例如在生产过程中的挤压、切割、搬运、搅拌和过滤以及生活中的行走、起立、脱衣服等，都会产生静电。可见，静电在我们的日常生活中可以说是无处不在，我们的身上和周围就带有很高的静电电压，几千伏甚至几万伏。这些静电也许对人体影响不大，但对于一些ESDS（静电敏感元件），却直接可以使其失去本身应有的正常性能，甚至完全丧失正常功能。这样ESD防护就非常必要了。 防静电主要是防止"静电放电"

三、SMT加工厂为什么要很注意静电防护？

众所周知，SMT车间是电子产品的加工车间，因此必须要对防静电提出相应的要求，这是因为静电放电对元器件的危害是不容忽视的。一个具有代表性的大型COMS器件制造厂产品出厂后头7个月因质量问题而退回器件中有28%与静电损害直接有关，占故障率之首位。由此可见，静电放电的危害是非常大的，又由于静电放电对电子产品的损害主要表现在：隐蔽性、潜在性、损伤的随机性和失效分析复杂性的特点。因此，在SMT车间采取有效的静电防护措施，减少静电放电对产品的损害是非常有必要的。那么对于整个SMT车间来说，完整的防静电体系包括哪些内容呢？

四、SMT工厂静电防护实例

1、目前SMT车间防静电体系情况：

1）、软件管理部分：

该客户针对自己公司的要求，制定出相应的防静电规章制度和各个工位的操作规程，同时，在产品的存放和运输过程中也有相应的防静电要求文件。
防静电知识的教材和培训计划

• 公司要制定出防静电培训教材，并且对有可能进入静电敏感区域的人员或有可能接触静电敏感器件的人员都应接受防静电知识培训，这既是对每位员工的基本要求，也是减少静电危害的根本方法和途径之一。公司对相关人员，包括ESD专员、SMT车间生产操作、检验人员、工艺技术人员等，要制定出相应的培训计划，定期进行防静电知识培训，以便完全掌握防静电知识，并且在工作中，严格按照防静电的要求去工作。

制定出有关防静电的SMT专业标准

• 对公司各个工位、防静电材料给出一个测量范围值。在检查中，能够准确判断出目前状态是否合乎防静电要求，特别是静电敏感器件，可根据静电敏感元器件分级表，针对不同的静电敏感元器件，采取不同的静电防护措施。
  

1．静电敏感器件(SSD)

各种SSD能承受的静电能力与器OV7740件的尺寸、结构、材料有关。表17.2列出了部分SSD器件能承受而不致损坏的极限电压值，此极限电压值有时又称为静电敏感度。

2．静电敏感器件的分类

SSD的分级方法有多种，现介绍国家军用标准《电子产品防静电放电控制大纲》的分级方法。静电敏感度介于0—1990V酌元器件为1级；静电敏感度介于2000～3999V的元器件为2级；静电敏感度在4000～16999V的元器件为3级；静电敏感度为17000V或17000V以上的元器件、组件和设备被认为是非静电敏感产品。表17.3是按元器件类型列出的部分SSD静电敏感度的分级表。

3、公司制定出相应的规章制度和操作规程

公司要制定出整个ESD的规章制度和操作规程。比如说进入静电敏感区域的人员，都要必须穿好防静电工作服，必须戴上防静电环，腕带必须与皮肤有良好接触并将腕带接入可靠的防静电接地系统中，防静电鞋和脚必须与防静电地板或ESD地垫保持良好接触，防静电帽也必须按规定戴好等，同样对各个工位都要有具体的操作规程。

4、各种防静电警示标志的张贴、宣传看板的制作

在SMT车间和仓库等重点车间的门口，张贴静电防护标识，提醒进入静电敏感区域的任何人员必须做好静电的防护，方可入内，同时，要求在有静电敏感的元器件包装上张贴ESD敏感符号（如图2所示）；另外，在有的元器件经过专门的设计后，具有静电防护的能力，也要在包装上张贴ESD防护符号（如图3所示），这些都是为了加强工作人员的静电意识。

5、在产品存放和运输过程中的要求文件

对于产品存放和运输过程中的操作，也要制定出具体的防静电要求文件，让作业者能够按照具体的防静电要求进行作业，比如说是否采用防静电材料进行运输和存放，包装材料上是否有防静电要求的标识等。

2）、硬件设施部分：

1、地板防静电

SMT车间地板采用的是防静电聚氯乙烯（PVC）的地板，能够满足目前车间内对地板的防静电要求。 为有效地使人体静电能通过地板尽快泄漏到大地，除操作人员穿用防静电服、防静电鞋外，其先决条件是地板必须具有一定的导电性能，即是防静电的。这种防静电地板能泄漏设备、工装上的静电，也能泄漏移动操作时不易使用腕带的人体静电。具体有防静电聚氯乙烯（PVC）地板（如图6所示）和环氧树脂防尘自流坪防静电地板（如图7所示）两种方式的，客户可以根据自己的实际情况来选择。

2、人员穿戴防静电

生产线上各个工位都有相应的静电接口并接入到整个SMT车间的静电系统中。
在SMT车间的门口处有专门的人员更换防静电衣服的场所和衣柜，车间内的操作人员衣着方面，有统一的防静电衣、防静电手套，各个工位设有防静电手环。

3、检查防静电措施是否合格

每半年应做一次防静电特性检测，对于检测不过关的静电防护用品（除防静电手环以外）应停止使用，更换新的。

每班开工前，每位员工都应自检防静电环是否正常，并作好记录，只有测试合格，才可以进入静电敏感区域工作。

4、检查来往人员

临时外来人员，包括参观人员、非本车间联系工作人员、临时施工人员(包括电工、修理工、装饰工等)，进入防静电区域时，必须遵守防静电区域和生产过程的各项防静电要求。
对于人员静电防护用品，必须有专门的场所和更衣柜，以便及时的进行更换。

5、产品防静电用品

产品防静电是指从原材料开始，到生产出成品、半成品后，每个环节都要采取防静电措施，包括防静电包装袋、防静电容器(包括周转箱、元器件存放盒、印制板架等)，防静电周转车和防静电垫，请参照图5所示，但要注意一点要求：每6个月检测一次，看是否合乎防静电检验标准要求。

仓库中，原材料用SMT材料的专用料柜进行存放，采取了相应的防静电措施。

生产后的成品半成品使用防静电周转箱进行存放搬运过程中，采用物料小车，小车用防静电皮和导线将产生的静电导入大地。

印刷工位的拆封后的PCB板采用防静电周转箱进行存放，各个工作台使用防静电垫。

整个车间的操作人员每天做静电环测试，也要有相关的记录表。

6、防静电工程环境的要求

SMT车间的温度范围为22～28℃，湿度范围为40%–60%，车间内应配备温度计和湿度计，并按要求做好点检记录。如果环境内的空气过于干燥，应使用加湿器或其它办法来满足湿度要求，如果湿度高了应该开空调或抽湿机来使其满足要求，但应以不对产品造成有害影响为前提。

7、设备的防静电要求

为了使防静电系统起到作用，对于生产线上的SMT贴片机、ICT检测等设备，应采取硬接地，即直接或通过一个低阻抗同防静电地线相连设备的接地线。
但要注意几点要求：
①、防静电地线不得与电源零线相接，不得与防雷地线共用，使用三相五线制供电时，其地线可以作防静电地线。
②、工作台面、地垫、工作椅和其它导静电的ESD保护设施均应通过限流电阻接入地线，腕带等应通过工作台顶面接地点与地线连接，工作台不可相互串联接地（如图8所示）。
③、防静电工作区接地系统，包括限流电阻和连接端子应连接可靠并具有一定载流能力，限流电阻阻值选择应保证漏泄电流不超过5mA ，下限值取为1M Ω 。
理想的EOS/ESD安全工作台

8、防静电工作椅

为全面控制人体静电，操作者所坐的工作椅必须具有防静电性能。不得使用普通人造革面或塑料面的椅子，不能用木制椅代替防静电椅。如果椅腿是非金属材料或有绝缘套脚时，应将防静电椅面接地。

9、静电测量系统

用专用静电测试设备对各部分的静电情况进行测量，比如每天对静电手环（脚环）的测量（如图9所示）、每月针对作业台面，防静电周转箱，防静电衣进行测试，每月对防静电总线和支线进行测试。

对于如上所述的测量值，在这里给出防静电系统工程的工艺要求范围，以供参考

10、工厂进入车间离子吹风机除静电

离子风机采用电晕放电的原理，通过高压电源产生器将输入电压(220V交流电)升至7KV-10KV交流或直流高压作用在离子针上，将空气分子电离产生平衡稳定的正负离子，并用风扇将这些离子吹出，当任何带静电体从这里经过时，相应的带相反电荷的离子与其中和，从而消除静电以中和带电物体，同时气流吹除带电灰尘。

四、产品的静电防护

电子类怕损坏，防静电和防潮才是最重要的

最有效的措施是让人体与大地相“连接”即“接地”。

4.1如何提高产品ESD性能指标

考虑到静电干扰产生的途径，主要从提供泄放路径和屏蔽静电泄放过程产生的电磁场两个方面解决静电放电的干扰:
（1）提高接地导体的电连续性，让静电放电能量从良好的接地路径放走，而使设备内部的任何电路、器件和信号不受静电能量的直接干扰；
（2）金属外壳的设备，对外接口采用金属接口，360°搭接，使它与金属外壳具有良好的接地特性。对于设备的信号接口，连接器件的选择及结构的设计要避免静电放电干扰信号直接耦合到信号线中；
（3）内部线路板地平面的完整性，提供低阻抗的泄放路径。
（4）易受静电放电干扰的电路有必要增加瞬态抑制电路或者滤波电路。
（5）复位等敏感信号线不能布在PCB板的边缘，应远离PCB板边缘1cm以上。同时，对于比较敏感的电路或芯片，在PCB设计、布局时要尽量远离ESD放电点。
（6）增大产品内部电路与外壳之间的间隙（接触点周围空气击穿距离：空气放电8kV至少需要6mm，15kV至少12mm以上-这个经验值待验证）；

备注：实践证明，具有长宽比小于5的没有任何缝隙、通孔的单一金属导体具有良好的电连续性；

4.2 ESD防护的4种静电保护设计

ESD防护的4种静电保护设计
1、并联放电器件
常用的放电器件有TVS，齐纳二极管，压敏电阻，气体放电管等。

2、串联阻抗
一般可以通过串联电阻或者磁珠来限制ESD放电电流，达到防静电的目的。如图。如手机的高输入阻抗的端口可以串1K欧电阻来防护，如ADC，输入的GPIO，按键等。不要担心0402的电阻会被打坏，实践证明是打不坏的。这里不详细分析。用电阻做ESD防护几乎不增加成本。如果用磁珠，磁珠的价格大 约0.002$,和压敏电阻差不多。

3、增加滤波网络

前面提到了静电的能量频谱，如果用滤波器滤掉主要的能量也能达到静电防护的目的。

对于低频信号，如GPIO输入，ADC，音频输入可以用1k+1000PF的电容来做静电防护，成本可以忽略，性能不比压敏电阻差，如果用1K+50PF的压敏电阻（下面讲的复合防护措施），效果更好，经验证明这样防护效果有时超过TVS。

4、复合防护

有一种器件叫EMI filter，他有很好的ESD防护效果，如图。EMI filter也有基于TVS管的和基于压敏电阻的，前者效果好，但很贵，后者廉价，一般4路基于压敏电阻的EMI价格在0.02$。

5、增加吸收回路

可以在敏感信号附件增加地的漏铜，来吸收静电。道理和避雷针原理一样。在信号线上放置尖端放电点（火花隙）在山寨手机设计中也经常应用。

五、PCB绘画中的静电防护

单片机ESD静电防护总结

欢迎关注技术公众号，获取更多硬件学习干货！

我们能为你提供什么？
技术辅导：C++、Java、嵌入式软件/硬件
项目辅导：软件/硬件项目、大厂实训项目
就业辅导：就业全流程辅导、技术创业支持
对接企业HR：培养输送优质性人才