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国内外电子工业防静电标准综述与发展

2007-8-3 9:58:32互联网 点击数: 【字体:

一、关于电子产品静电防护
  由于物体间的接触分离(如摩擦、剥离、撕裂和搬运中的碰撞等)或电场感应,都会因物体之间或物体内部带电粒子的扩散、转移或迁移而形成物体表面电荷的积聚,即呈现带电现象。这种现象的存在,有可能导致物体表面电荷对空气中带异性电荷的微粒子尘埃的吸引,造成电子敏感元器件绝缘性能的降低、结构腐蚀或破坏。当外界条件适宜时,这种积聚电荷还会产生静电放电,使元器件局部破损或击穿,严重时,还会引起火灾、爆炸等。曾报道某厂在修理程控交换机上的半导体集成电路时因静电引起爆炸事故的文章。应当指出,静电引起电子元器件局部结构破损和性能降低,是对元器件使用寿命的一种潜在威胁,它可能比爆炸和燃烧造成的危害更有过之。因为它难于检查,故造成事故的随机性更大,并且易于与其他失效原因混淆而被掩盖。
  当前,电子产品技术的发展一方面随着高分子材料的广泛使用,致使产品静电现象的产生变得日益严重;另一方面,电子元器件日趋微小型化,使得静电的危险性越来越大。现国外微电路的制造已普通采用了0.81.0μm技术,国内也已达到23μm水平,这种微细加工技术和产品细微结构,使其对静电的敏感性越来越高,并且已达到不可忽视的程度。
电子产品的静电防护工作,具有下述明显特点:
  1.超细、超薄的加工工艺和产品细微结构,使其对于静电放电的敏感性明显高于其他行业和产品,即便20V以下的静电放电电压也可能造成电子元器件的损害或破坏。
  2.对静电敏感的产品,如半导体分立器件、集成电路、厚薄膜电路及电阻器、电容器、压电晶体等,尤其是前三种电子敏感器件,它们可谓是电子设备的“心脏”。有鉴于此,对静电危害的防护问题,几乎涉及电子产品的各个技术领域,特别是那些要求体积小、工作频率高、安装密度大的电子设备更是如此。
  3.静电防护工作是一项系统工程,它涉及敏感电子产品的制造、装配、处理、检查、试验、维修、包装、运输、贮存、使用等各个环节,而且是一种串联模式,任一环节上的失误,都将导致整个防护工作的失败;同时,它又与敏感产品所处的环境(接触的物品、空气气氛、湿度、地面、工作台、椅、加工设备、工具等)和操作人员着装(包括穿戴的服装、帽子、鞋抹、手套、腕带等)有直接关系,任一方面的疏漏或失误,都将导致静电防护工作的失败。
  针对上述电子产品静电防护工作的特点,最好能制定出与之相适应的一系列标准。比较好的选择是采用综合标准化方法,从静电防护的系统要求着眼,全面地考虑相关标准的制订与协调工作,只有这样,才能把各环节的方方面面的防静电工作,全盘纳入标准的规范之下成为一种有序状态。美国对军用电子产品的生产,自七十年代起就开始实施静电防护控制,大致经过10年后,才正式颁发相应的标准。国际电工委员会(IEC)自八十年代初以来,陆续颁发防静电标准。相比之下,国内防静电标准的制订与发布还仅仅是开始,虽具备了一定的工作基础和条件,但与相关标准的齐套和全面实施尚有不小的差距。

二、IEC关于防静电标准制订简况
  在IEC组织中,至少有五个技术委员会(或分技术委员会)是与防静电技术工作有关的并制订了部分防静电标准或标准草案。现将这五个技术委员会标准制订简况介绍如下:
1 IECTC65工业过程测量和控制技术委员会。
  该技术委员会(TC)于1984年首次制订发布了IEC8012《工业过程测量和控制装置的电磁兼容性  2部分:静电放电要求》(已同名等效转化为我国标准GBT13926.292),19914月该标准进行了全面修订,现行有效版本为第2版。该标准规定了工业过程测量和控制装置对因操作者触摸这类装置而产生静电放电或与装置附近的物体间产生的静电放电的敏感性试验的严酷等级和试验方法,以此评价工业过程和测量装置对静电放电的敏感性。该标准第l版中将试验严酷等级划分为1234共四个等级,对应的试验电压分别为24815kV;而第2版则修改为五个严酷度等级,并按放电方式分别给出二个系列试验电压值,其中接触放电的电压相应为2468XkV。空间放电的电压系列为24815XkV。这里的X为一开放等级,由供需双方协商确定后写入产品规范。IEC8012标准还对试验所用的静电放电发生器(包括构成及特性)、试验装置配置、试验程序和判据等做了规定(第二版较第一版有若干部分作了修改)。此标准有较强的可实施性。中电总公司于199211月发布了行业军标SJ2015492《信息技术设备静电放电敏感度试验》,系参照IEC80121991年修订版的草案)和欧洲计算机制造商协会标准ECMA TR40《信息技术设备静电敏感度试验》制订的,标准中除严酷度等级和对水平擂台板间接放电次数不同外,其他技术内容与IEC8012(第2版)大体一致,但不等效。
2IECTC77SCB电气设备(包括网络)之间的电磁兼容性技术委员会/工业和其他非公用系统及其设备分技术委员会。
  按照IEC导则107《起草电磁兼容性标准出版物的指南》规定,TC77的主要任务是制订关于发射、抗扰度及试验方法等有广泛使用意义的通用性基础文件。为了提高效率,TC77不介入其他TC已成功地开展工作,或由其他TC专门负责的课题,但由这些TC制订的文件均以适当的方式汇入TC77的工作领域中来。鉴于此,由TC65制订的IEC8012标准将由TC77B分技术委员会,即SC77B统一接管、组织修订并将其转换为新的标准IEC200042《电磁兼容性  4部分:试验和测量程序  2节:静电放电和抗抗度试验》。此标准虽早已给定编号,但目前仍为秘书处文件《77Bsec.)89》,尚在修订之中。一旦修订完成,IEC8012将被废止,由IEC100042所替代。
3CISPRSCG国际无线电干扰特别委员会/信息技术设备干扰特性分技术委员会。
  该SC199212月以CISPRG(CO)20号文件形式提出标准草案IEC242《信息技术设备(ITE)抗扰度  2部分:静电放电要求》,送各国家委员会征求意见。该标准适用于信息技术设备,包括模拟传输、终端设备和数字设备,旨在为评估信息设技术备在受到静电放电影响时的工作能力。建立此标准是为模拟因操作人员直接接触设备或因静电场感应引起与邻近物体(或设备)之间的静电放电。标准规定,一台受试设备至少设6个试验点,这意味着要经受200次放电(正负极各100次)。其中1个点要受到50次非直接接触放电,其余3个点各经受50次(合计150次)直接接触放电。当然,不管是前者还是后者都属于接触放电。对有些不可能进行接触放电的设备。应对用户使用时可能触到的部位选用空间放电。该标准给出的试验电平为:接触放电3kV,空间放电8kV
  此标准草案与IEC8012基本思路相同,但在具体要求方面存在许多细节性差异(这点很重要)。在该标准的前言中说,它是在基础标准IEC100042(目前是IEC8012)的基础上起草的,考虑了二者的差别,标准中给出的极限值试验电压是经过仔细斟酌后选出来的,并且与IEC8012X级相符。应当说,该标准是针对信息技术设备制订的,对这些设备中的不同类别,规定了不同的试验细节,所以其可实施性很强,一旦表决通过,将正式发布,并引导各国会执行。通常,国际标准的出台周期都很长,平均90个月左右,加上本标准草案中还有某些问题尚待解决,例如对于地面设备进行非直接接触放电试验时垂直擂台板的使用尚在考虑之中,另外,本标准需引用的IEc100042也尚未出台,故预计本标准的发布尚需时日。
4IECTCl5SC15D绝缘材料技术委员会/静电学分技术委员会。
  顾名思义,该分技术委员会是专门从事绝缘材料静电学研究的委员会。它是在1986年成立的TCl5WG2“工业静电学问题研究工作组”的基础上,于1990年成立的,主席为DrKDavis(英国人),秘书处设在法国,秘书由MrcMengug担任。该SC的任务是:
  (1) 鉴别并说明静电现象在电气工业和非电气工业中的利与弊,提供有关的术语,分类、方法和手段的指南,以增加工业效益相减少危害;
  (2) 规定试验方法和相关要求,用以评定材料表面静电荷的产生、存留和耗散,并与ISEISO中有关的技术委员会密切协作,提供关于产品的指南;
  (3) 根据与IECTC31爆炸性环境用电气设备技术委员会协议的课题,确定在危害环境下静电放电的后果;
  (4) 提供模拟静电现象和静电放电方法的指南,不包括对静电放电的电气设备的功能抗扰度的试验方法。
  由于SCl5D成立不久,至今尚未制订出正式标准。下列标准目前正在积极制订中:
  1) 秘书处文件15Dsec.)3《利用直接测量静电荷耗散率的方法测试绝缘和静电耗散材料及其表面》。19943月,又发出15Dsec.)31号文件,决定调整WGl(第1工作组),并在15Dsec.)3号文件基础上起草标准《测定材料与表面耗散静电荷能力的试验方法》。
  2) 秘书处文件15Dsec.)4《摩擦静电效应的评定》。19943月,又发出15Dsec.)32号文件,决定调整WG2,并在15Dsec.)4号文件基础上起草标准《摩擦静电特性的评定》。
  3) 秘书处文件15Dsec.)3《装配地板和地板覆盖层的静电效应特性化的试验方法》。19943月,又发出15Dsec.)33号文件,决定调整WG3,并在15Dsec.)13号文件基础上起草该标准。
  4) 19943月,发出15Dsec.)34号文件,决定调整WG4,并在在15Dsec.)22号文件研究题目的新工作项目的建议范围内,起草标准《用于控制静电的材料的电阻率测量》。
  5) 19943月,发出15Dsec.)35号文件,组建WG5,决定在欧洲标准EN100 015及其修订本和47(德国)794号建议(静电敏感器件规范——机械模型试验方法)和47sec.)1330(敏感电子器件的防护)委员会草案基础上,与TC47协作起草标准《抗静电电子器件防护的通用要求》。
  现在,SCl5D的工作进展很快,活动也频繁,例如19936月在德国法兰克福召开工作会议,19947月又在伦敦举行工作会议,而且议程充实,除考虑5个工作组和3个特别工作组(分别为电子学ESD模型、易燃性模型和离子发生器)的专题报告外,还要讨论修改其重大决策部分和与其他委员会协作等事宜。遗憾的是,目前国内与SCl5D对口的归口单位尚未确定,故对其工作文件缺乏有组织的研究。
  由TC15制订的IEC1087(1991)  《评定带电表面放电的导则》,由SCl5A制订的IEC-93(1980)《固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率的试验方法》(已等效采用为GB141089)对材料静电性能测试也具有指导意义。
5IECTC47半导体器件技术委员会。
  从静电防护角度来说,该TC所负责的技术领域内产品的一部分——静电敏感半导体分立器件和集成电路——属于静电防护的重点对象。因此,该TC早就对防护静电标准予以关注。1982年,发布了IECl47OF正式标准,是对IECl47-0《半导体器件基本额定值和特性及测试方法的基本原理  0部分:总则和术语》(1966)的第6次补充,规定了防静电要求和符号标记。1983年,TC47对其已发布的标准重新作了整顿修订,IEC147-0及其历次补充后由统一的版本IEC741-1《半导体器件——分立器件和集成电路  1部分:总则》所代替。可惜的是,此份最基础性的标准发布已10年有余,终因国内各有关方面协调工作衔接欠妥,至今尚未转化为国内标准。
近些年来,TC67相继有的静电标准文件出台,现介绍2份主要标准:
  1) 47(co)1246号文件《静电敏感器件  对短时电压脉冲敏感的电子器件的试验方法》,于19924月被各国家委员会表决通过后,已于199310月作为IEC7471(1983)的第2次补充标准正式出版成为其第9章第3条。此试验方法适用于MOS器件和微波半导体器件,旨在确定器件的内防护适应性,以利于指导设计。为了模拟器件因日常操作引起的静电放电危害,标准中给出了两个试验电压,高压为2000V,目的是确定器件是否达到需要特殊的操作预防措施并使用规定的标记和符号的程度,低压为500V,目的是确定器件内部防护能否满意地经受住即或采取特殊的操作预防措施后仍存在的静电放电水平。当然,允许具体型号的器件使用不同于上述规定的试验电压电平。上述电路与整机静电放电试验电路原理相同,但电路元件数值不同。增加了开关S2,其作用是确保被试器件在装卸时的安全。
  2) TC47(co)1330《静电敏感器件的防护》,于19936月出台,送各国家委员会进行评论。本标准旨在帮助敏感器件的使用者掌握静电防护的要领,包括操作、标识、责任、培训和检查等各个方面,以建立可*的静电防护控制系统;同时,它还提供设计、材料选择、工作区、各种器具、地面、服装等工作或性能方面的要求及包装、检查、试验等的程序和方法。这份标准,内容较充实,系统性强,涉及到敏感器件静电防护问题的方方面面,尤其对静电防护区的工作要求规定严密而细致,并附有示意图,这对需要建立静电防护场所的局部环境很有现实指导意义。
  当然,按照IEC文件的形成过程,它还处在CD文件( 委员会草案) 阶段,正式发布还需时日,但并不因此而降低其指导意义,对它的及时转化很有必要,否则等到正式标准出台后再行转化采用,可能影响工作。

三、MIL防静电标准制订简况
  本文第一部分已经提到,美国军用电子产品防静电控制工作始于七十年代初期,积数年经验后于1980年首次发布丁DoDSTD1686《电气和电子零件、组件与设备(电气触发引爆装置除外)的静电放电防护控制大纲》,1988年修订为MILSTD1686A(已等效转化为我国军用标准,GJB1649-931992年又修订为1686B)。该标准涉及对易遭静电损害的电气电子零件在设计、试验、检查、维修、制造、加工、装配、安装、包装、贮存等各个环节在制订和实施静电放电控制的的要求,及对执行这些要求的情况进行检查和评审。本标准适用于静电敏感电压小于16000V的三类电子产品; I类为01999V;Ⅱ类为20003999V;Ⅲ类为400015999V。在标准附录中给出了通过试验确定产品敏感类别的准则和程序。
  为了实施此项控制大纲标准,国防部于此标准发布的同时,即198052日又配套发布了DoDHDBK263《电气和电子零件、组件与设备(电气触发引爆装置除外)的静电放电防护控制手册》(尚未转化为我国标准),它为制订、实施和监督静电放电控制计划提供指南,重点包括鉴别电气和电子零件、组件与设备上静电放电的起因及后果;静电放电的控制的预防措施对静电放电防护材料和设备的选择与应用考虑;静电放电防护工作区相接地工作台的设计与构造;静电敏感产品的操作、处理、包装和标志;人员培训计划的制定;静电放电防护工作区及接地工作台的鉴定等。该手册标准于19912月进行了修订,现行有效版本为MILHDDK263A
  手册的特点是指南性质,所提供的数据、资料详细,可操作性强。例如该标准对于静电起因、摩擦起电系列、静电敏感产品的失效类型和失效机理与特征等,都有详细的描述;在静电放电试验方面,它认为操作者的人体本身是损坏敏感产品的主要静电放电源,故而提出了人体放电模型的概念,建立了人体放电模拟电路,并依据大量试验统计数据,确定模拟电路中使用的模拟人体电容为100pF,模拟人体电阻为1500Ω,并对此给予了必要的理论论证,认为这是一个合理的、标准化的试验电路。
  总之,MILHDBK263A提供了实施MILSTD1686A所必需的各种信息与数据。随着高分子材料的发展,新型包装材料的应用和经验的积累,以及产品的微小型化趋势,包装对静电敏感产品的影响愈加显著。美国国防部于19905月发布了MILHDBK773《静电放电防护包装》军标手册。该项标准是产品在包装、运输、贮存和装配加工过程中,从产品传递的角度来考虑静电敏感产品的防护问题。事实上,它也是与MILSTD1686A配套使用的一项标准,只不过侧重在为包装运输方面提供所必需的资料和数据。同时它还为有关防静电包装材料的使用提供了具体的指南,因而可操作性极强。除上述三项标准外,在MIL标准体系内还有许多材料方面的规范和测试方法标准,在此不再一一赘述。

四、国内防静电标准制订简况
  近几年来,电子产品防静电标准工作已有一定的进展。航天系统、电子产品工艺标委会、全国无线电干扰标委会都相继组织人员制定标准。现已发布的标准有:GB12059-89《电子工业用合成纤维防静电网性能及试验方法》、GBT13926.292《工业过程测量和控制装置的电磁兼容性  静电放电要求》,SJ20154-92《信息技术设备静电放电敏感度试验》、QJ187590《静电测试方法》、QJ169389《电子元器件防静电要求》、QJ1950-90《防静电操作系统技术要求》等。正在制订的标准备电子元器件制造防静电技术要求、电子设备制造防静电技术要求、新型防静电装饰板、集成电路防静电保护剂规范、柔软性防静电可热封阻隔材料等。从总体上看,这些标准项目尚缺乏统一的规划与安排,因而系统性不强。

五、关于电子产品防静电标准化工作发展的思路
  本文第一部分已经谈到,系统性是电子产品静电防护工作的一大特点,鉴于此,静电防护工作应从系统的总体入手,研究其标准综合体的组成和各项标准适用范围的界面及其内在联系。采用先进的标准化工作的组织方式,也就是用综合标准化方法来处理防静电标准化问题,是当前首要解决的问题。这不妨从以下几方面开拓思路:
  1.消化吸收国际和国外标准。国内防静电标准化工作的开展还远远赶不上工业发达国家,许多问题尚未被认识,所以,消化吸收国际和国外先进标准是提高我国标准水平的捷径。凡国内适用的标准应予以安排转化,转化本身是一个深入分析、对照和研究的过程,对于国外同样标准中不一致的条款,如关于“抗静电材料”的定义,IEC801-2规定为表面电阻率为1051011欧姆每方;DoDHDBK263的规定是把材料分为“静电耗散材料”(表面电阻率为105109。欧姆每方)和“抗静电材料”(表面电阻率为1091014欧姆每方)IECTC47(co)1330则规定“抗静电材料”属于不能按电阻率分类的材料,只能定性为“当相对摩擦或从相同的或其他类似的材料分离时,呈现最少电荷生成特性的材料”,我们应当通过分析研究选用,而不宜盲目套用。其他类似问题亦如是。
  2.实施一体两类的标准制式。电子产品防静电标准化工作应作为一个完整的体系去对待,综合地考虑各方面、各环节的标准化需求,在考虑其标准综合体选择、配置标准时,凡可军民共用的标准,例如术语标准和一些材料方面的标准,只制定一种标准,或民标或军标,以减少重复。另外,鉴于关贸总协定复关在即,民标要*IEC,以利产品出口。这样,从标准结构安排、防静电警告符号、技术内容、技术水平等都力求与IEC保持一致。然而,MIL标准的权威性已为各国公认,并且事实上已是国际间军贸或军工技术协作合同的依据,所以军标从结构设置到警告符号同样需要与MIL标准一致。于是,出现了两类不同的标准合编,形成了一体两类的标准制式。至于防静电标准,IEC标准是所有的内容归于一个标准之中;而MIL标准则是将要求性规定与资料性手册分开,按两个标准的形式出现。因而为了与国际和国外先进标准相对接,一体两类制式标准是必要的。



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