王斌

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

0 引言

航天產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，必須滿足高可靠、長壽命的質(zhì)量（quality，全文同）要求[1]。航天工程是一個(gè)龐大的生產(chǎn)體系，各種復(fù)雜生產(chǎn)過程如控制不到位，都會(huì)對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響。隨著航天產(chǎn)品功能性能要求的不斷提升，產(chǎn)品復(fù)雜度進(jìn)一步增大，其電子設(shè)備日趨小型化、智能化。超大規(guī)模集成電路逐步在軌應(yīng)用，其具有集成度高、運(yùn)算速度快、輸入阻抗高等特點(diǎn)，對靜電更加敏感，所以對靜電防護(hù)也提出了更高的要求。

航天產(chǎn)品靜電防護(hù)技術(shù)和管理兩種方法同樣重要[2]。管理是靜電防護(hù)的重要手段，建立標(biāo)準(zhǔn)的靜電管理體系是有效的管理方式；技術(shù)是產(chǎn)品研制過程靜電放電（Electrostatic Discharge，ESD）控制的基礎(chǔ)。國外開展靜電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)研究較早，其源于各國的軍標(biāo)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3]。國內(nèi)電子行業(yè)和航天行業(yè)也發(fā)布了系列靜電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，開展了靜電防護(hù)管理體系建設(shè)的實(shí)踐[4]，文獻(xiàn)[5]從環(huán)境試驗(yàn)室應(yīng)用特點(diǎn)切入專題開展了防靜電體系建設(shè)的研究。本文在航天行業(yè)系列靜電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)行全要素靜電防護(hù)管理體系建立，以閉環(huán)管理為著力點(diǎn)，采用PDCA循環(huán)（Plan，Do，Check and Action，PDCA）的科學(xué)程序作為體系有效運(yùn)行基本方法，持續(xù)改進(jìn)提升靜電防護(hù)管理體系運(yùn)行質(zhì)量。文獻(xiàn)[6-8]在航天產(chǎn)品研制過程的靜電防護(hù)中開展了相關(guān)研究，但在靜電防護(hù)控制的系統(tǒng)性方面尚存在不足。本文闡述了靜電防護(hù)的主要措施和技術(shù)，以理論為指導(dǎo)，從航天產(chǎn)品研制的全過程落實(shí)靜電防護(hù)管理措施，加強(qiáng)各環(huán)節(jié) ESD控制，減少和避免產(chǎn)品因靜電防護(hù)問題導(dǎo)致的元器件失效或系統(tǒng)故障，對有效提高產(chǎn)品質(zhì)量、避免過程差錯(cuò)、提高生產(chǎn)效率具有重要的意義。

1 靜電產(chǎn)生原因及危害

原子中有帶有負(fù)電荷的電子和帶正電荷的質(zhì)子，通常情況下顯現(xiàn)中性，即物體不帶電。靜電起電的最基本原理是當(dāng)物體存在接觸分離現(xiàn)象時(shí)，接觸分離表面電荷重新排布發(fā)生接觸分離起電[9-11]。摩擦、碰撞、剝離、靜電感應(yīng)、電容改變、壓電效應(yīng)、電磁輻射感應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生靜電，摩擦是靜電起電的主要方式。

靜電電荷本身不會(huì)產(chǎn)生危害，危害主要來自靜電放電的過程。通常人體在干燥環(huán)境中產(chǎn)生靜電可達(dá)幾千伏到幾萬伏，人體對靜電的感知電壓約2 000V～3 000V，而常用器件的靜電損傷電壓在幾百至幾千伏（如表1所示）[12]。如不采取有效防護(hù)措施，可能在尚未察覺下對靜電放電敏感的（Electrostatic Discharge Sensitive，ESDS）器件已造成潛在損傷。

表1 各類器件靜電破壞電壓Tab.1 Static breakdown voltage of various devices

靜電放電對電子產(chǎn)品的損傷具有普遍性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，電子產(chǎn)品全過程任一環(huán)節(jié)或操作步驟，如果防護(hù)措施不當(dāng)，都有可能造成靜電放電損傷。對于靜電放電損傷造成的完全性失效表現(xiàn)為開路、短路或參數(shù)的漂移等現(xiàn)象，往往較容易發(fā)現(xiàn)。最應(yīng)注意的是靜電放電危害的隱蔽性和潛在性，潛在的靜電放電損傷可能會(huì)延時(shí)失效，這種損傷短時(shí)不會(huì)造成參數(shù)漂移，也無法測試和預(yù)知，如果帶有潛在損傷的航天產(chǎn)品發(fā)射入軌，在軌運(yùn)行時(shí)器件失效，則造成的損失更加巨大且無法挽回。因此，對于航天電子產(chǎn)品，靜電放電的危害是嚴(yán)重的，策劃完整的全過程靜電放電防護(hù)管理控制體系，制定有效的防護(hù)措施尤為關(guān)鍵。

2 航天產(chǎn)品靜電防護(hù)管理

2.1 管理體系的建立

美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（American National Standards Institute，ANSI）/靜電放電協(xié)會(huì)和國際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission，IEC）分別發(fā)布了ANSI/ESD S20.20-2007和IEC61340-5-1-2016國際靜電防護(hù)體系標(biāo)準(zhǔn)[13]。IEC61340是國際標(biāo)準(zhǔn)，而S20.20是美國國家標(biāo)準(zhǔn)，兩者并無本質(zhì)區(qū)別。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，對ESD體系的建立、防靜電工作區(qū)（Electrostatic discharge protected area，EPA）的建立、敏感器件的包裝、生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的處理、人員培訓(xùn)和考核、內(nèi)審制度的建立和檢查，以及檢測手段等各方面都做了明確的規(guī)定，規(guī)范了靜電防護(hù)體系認(rèn)證。

國際電工委員會(huì)的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61340系列標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)ANSI/ESD 系列標(biāo)準(zhǔn)成為當(dāng)今引領(lǐng)電子行業(yè)靜電防護(hù)的先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，在靜電防護(hù)工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。我國電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也緊跟國際發(fā)展潮流[14-16]，中國航天科技集團(tuán)公司 Q/QJA118-122系列標(biāo)準(zhǔn)，提出了建立靜電防護(hù)管理體系的要求，這些技術(shù)和管理標(biāo)準(zhǔn)更加豐富了靜電防護(hù)工程學(xué)的內(nèi)涵。北京空間機(jī)電研究所航天產(chǎn)品研制過程中，按照航天標(biāo)準(zhǔn) Q/QJA118-2013《航天電子產(chǎn)品靜電防護(hù)管理體系要求》[4]建立靜電防護(hù)管理體系，靜電防護(hù)管理體系共12個(gè)要素，其中總體要求包括2個(gè)要素，管理要求包括10個(gè)要素，靜電防護(hù)管理體系框架如圖1所示?？傮w要求包含組織和文件，作為體系運(yùn)行中組織機(jī)構(gòu)建立和體系文件編制的指導(dǎo)和約束。管理要求包含策劃、人員培訓(xùn)、防靜電工作區(qū)、包裝、標(biāo)志、采購和外包、監(jiān)視和測量、審核、管理評審、改進(jìn)。

圖1 靜電防護(hù)管理體系框架圖Fig.1 Framework diagram of ESD protection management system

靜電防護(hù)管理體系是靜電防護(hù)管理實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和防護(hù)管理的基本方法，可促進(jìn)單位質(zhì)量管理體系的改進(jìn)與完善，對提高企業(yè)管理水平具有重要意義，靜電防護(hù)管理體系建設(shè)流程如圖2所示。以閉環(huán)管理為著力點(diǎn)，將PDCA循環(huán)作為靜電防護(hù)管理體系運(yùn)轉(zhuǎn)的基本方法，通過循環(huán)改進(jìn)不斷提升體系執(zhí)行的管理水平。

圖2 靜電防護(hù)管理體系建設(shè)流程圖Fig.2 Construction flow chart of ESD protection management system

人員是靜電防護(hù)管理中的最主要靜電危險(xiǎn)源，EPA區(qū)域是從事對ESDS器件生產(chǎn)、集成和測試等活動(dòng)的主要場所。下文主要說明人員管理和EPA管理。

2.2 人員管理

航天產(chǎn)品研制過程中人體靜電是引起靜電危害和靜電損壞的最主要和最經(jīng)常的因素。靜電防護(hù)管理中人員管理控制從培訓(xùn)和認(rèn)證、抑制起電防護(hù)和靜電接地防護(hù)三個(gè)方面開展。

（1）人員培訓(xùn)和認(rèn)證

對人員進(jìn)行靜電防護(hù)培訓(xùn)是靜電防護(hù)不可缺少的重要組成部分，培訓(xùn)包括初級培訓(xùn)和強(qiáng)化體系建設(shè)所需的周期性培訓(xùn)。制定靜電防護(hù)人員培訓(xùn)管理程序，對上崗培訓(xùn)和周期性培訓(xùn)的方法、內(nèi)容、培訓(xùn)效果評定方法、培訓(xùn)記錄及保存等進(jìn)行規(guī)范。對靜電防護(hù)人員實(shí)行“認(rèn)證”制度，對完成ESD培訓(xùn)并考核合格的人員發(fā)給證件，持證上崗。

（2）抑制起電防護(hù)

抑制起電防護(hù)目的是抑制人體靜電電荷的產(chǎn)生。摩擦是靜電起電的主要方式，應(yīng)從各個(gè)角度盡量減少摩擦起電的可能性。因此，從事ESDS電子產(chǎn)品操作人員必需正確穿戴防靜電服和防靜電帽，必要時(shí)穿戴防靜電手套、指套。為達(dá)到抑制起電的目的，保證電荷泄漏通道的暢通，防靜電服作為人員接地系統(tǒng)使用時(shí)，一般要求系統(tǒng)接地電阻小于3.5×107Ω。

（3）人員接地防護(hù)

人員接地防護(hù)目的是及時(shí)泄放人體已產(chǎn)生的靜電電荷。在處置ESDS電子產(chǎn)品時(shí)，通過腕帶系統(tǒng)、地板-鞋束系統(tǒng)，使所有操作人員電氣連接到接地系統(tǒng)或?qū)崿F(xiàn)等電位連接。當(dāng)工作人員在防靜電臺(tái)前或固定工位工作時(shí)，應(yīng)佩戴腕帶，通過腕帶把工作人員與接地系統(tǒng)連接，一般要求腕帶系統(tǒng)接地電阻小于3.5×107Ω。移動(dòng)工作應(yīng)實(shí)時(shí)通過地板-鞋束系統(tǒng)接地，地板-鞋束系統(tǒng)包含地板和鞋束兩部分，是一個(gè)組合性系統(tǒng)。一般要求地板部分和鞋部分都小于1×109Ω（且小于100V）[17-19]。

2.3 EPA管理

航天產(chǎn)品研制均需在防靜電工作區(qū)內(nèi)開展，產(chǎn)品研制現(xiàn)場靜電防護(hù)管理一般要求如下：

（1）設(shè)備設(shè)施要求

EPA區(qū)域靜電防護(hù)設(shè)備設(shè)施包括防靜電地墊、防靜電地板、防靜電桌墊、防靜電工作臺(tái)、防靜電椅子、防靜電儲(chǔ)物柜、防靜電推車、防靜電手環(huán)、腕帶、離子風(fēng)機(jī)、離子風(fēng)槍、離子風(fēng)棒等。

（2）設(shè)備接地要求

EPA內(nèi)使用交流電工具應(yīng)采取接地措施，工具的操作面（或與ESDS電子產(chǎn)品接觸的表面）對接地點(diǎn)的電阻應(yīng)小于2Ω，最大不應(yīng)超過20Ω。EPA內(nèi)不使用交流電的工具應(yīng)通過靜電工作臺(tái)面或使用人員接地，接地電阻小于1×109Ω。利用公共電源供電的設(shè)備，設(shè)備金屬殼應(yīng)通過電源保護(hù)地線接地。

EPA內(nèi)防靜電工作臺(tái)上儀器設(shè)備、人員、工具等處于同一電位。所有使用交流電的儀器設(shè)備通過插座中的保護(hù)地實(shí)現(xiàn)接地；不使用交流電的儀器設(shè)備通過其表面耗散材料或?qū)щ姴牧吓c防靜電工作臺(tái)墊相連，臺(tái)墊與保護(hù)地實(shí)現(xiàn)接地；防靜電地板（或地墊）與保護(hù)地實(shí)現(xiàn)接地。圖3給出了防靜電工作臺(tái)保護(hù)地連接示意圖[20]，圖中L為火線、N為零線、PE為電源保護(hù)地；R1、R2、R3為限流電阻，可根據(jù)具體使用場合選用。如腕帶內(nèi)已經(jīng)包含1MΩ的限流電阻，則R2可以不選用。

圖3 防靜電工作臺(tái)保護(hù)地連接示意Fig.3 Electrostatic protected table and ESD grounding

（3）現(xiàn)場環(huán)境管理

溫濕度和潔凈度對靜電產(chǎn)生有著密切的關(guān)系，對EPA區(qū)域的溫濕度和潔凈度控制同樣是靜電放電防護(hù)控制的主要工作內(nèi)容。

通常較低的溫度對實(shí)驗(yàn)室的靜電放電防護(hù)更有利?？諝鉂穸仍黾訒r(shí)，吸附在介質(zhì)表面的水分子增多，進(jìn)而導(dǎo)致介質(zhì)表面導(dǎo)電率提高，從而使靜電泄漏能力增強(qiáng)。在不導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室設(shè)備或器件腐蝕、生銹或影響工作性能等危害的前提下，盡量增大實(shí)驗(yàn)室的相對濕度。塵埃、顆粒容易帶靜電，ESDS產(chǎn)品上吸附大量灰塵容易產(chǎn)生靜電積累，進(jìn)而導(dǎo)致靜電放電現(xiàn)象發(fā)生，時(shí)刻保持實(shí)驗(yàn)室清潔干凈，盡可能減少塵埃，就可以有效減少附著（吸附）靜電帶來的危害。一般從事航天產(chǎn)品研制的EPA區(qū)域度控制在16～28℃，相對濕度30%～70%，潔凈度等級優(yōu)于10 000級。

3 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過程ESD控制

3.1 ESD控制的措施

靜電危害的發(fā)生都必須具有三個(gè)基本要素[21]，包括靜電源、路徑和敏感器件，如圖4所示。其中路徑指靜電源和敏感器件之間能量的耦合路徑，可以是傳導(dǎo)傳播的、輻射傳播的，也可以是電場力的作用。

圖4 靜電放電危害產(chǎn)生要素Fig.4 Factors of electrostatic discharge hazard

只有三個(gè)要素同時(shí)滿足才能形成靜電危害，抑制住這三個(gè)要素中的任何一個(gè)要素，靜電危害就不能形成。在航天產(chǎn)品研制過程中，主要從控制靜電源、切斷耦合路徑、敏感器件ESD加固三個(gè)方面采取控制措施，如圖5所示。一般情況下，抑制靜電源可采用靜電中和防護(hù)技術(shù)、抑制起電防護(hù)技術(shù)和靜電接地防護(hù)技術(shù)，切斷耦合路徑采取靜電屏蔽防護(hù)技術(shù)，ESDS器件加固采取ESD加固設(shè)計(jì)技術(shù)。

圖5 靜電防護(hù)主要措施及技術(shù)Fig.5 Main measures and technologies of electrostatic protection

3.2 元器件、電路板ESD控制

作為元器件用戶方，產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就需要統(tǒng)籌考慮靜電防護(hù)。盡量選用抗靜電能力強(qiáng)的元器件，降低應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。在選型要求基礎(chǔ)上，可以提請?jiān)骷兄品竭M(jìn)行ESD設(shè)計(jì)加固。對于無防護(hù)設(shè)計(jì)的元器件，整機(jī)可從設(shè)計(jì)防護(hù)、屏蔽防護(hù)、電裝防護(hù)、環(huán)境防護(hù)、應(yīng)用防護(hù)幾個(gè)方面開展靜電防護(hù)控制。

元器件從生產(chǎn)到使用的整個(gè)過程都會(huì)產(chǎn)生靜電，元器件在電路板集成過程的流轉(zhuǎn)示意如圖6所示。各環(huán)節(jié)開展靜電防護(hù)控制措施主要如下。

圖6 元器件流轉(zhuǎn)示意Fig.6 Schematic of components flow

1）元器件采購環(huán)節(jié)：元器件需從認(rèn)定的合格供方單位采購，對于ESDS元器件需有“靜電敏感器件”的標(biāo)志，且器件為防靜電包裝狀態(tài)。采購的器件存放在庫房EPA工作區(qū)的防靜電柜/架中。

2）元器件檢驗(yàn)：元器件的測試、老化篩選等需在EPA內(nèi)開展，且EPA內(nèi)靜電防護(hù)設(shè)施齊全，符合靜電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

3）發(fā)放和領(lǐng)用：元器件發(fā)放和領(lǐng)用的清點(diǎn)工作必須在 EPA內(nèi)開展，操作人員有效接地。器件轉(zhuǎn)運(yùn)過程放置在防靜電容器或者防靜電包裝袋中。

4）電路板焊接：元器件在電路板焊接過程中，在 EPA區(qū)域防靜電工作臺(tái)開展，操作人員和烙鐵等工具有效接地，并實(shí)時(shí)采用離子風(fēng)機(jī)/槍中和靜電電荷。

5）電路板調(diào)試：電路板調(diào)試環(huán)節(jié)在EPA內(nèi)開展，調(diào)試人員有效接地，設(shè)計(jì)紙質(zhì)文件需要同電子產(chǎn)品保持30cm以上安全距離。

3.3 產(chǎn)品裝配、總裝及試驗(yàn)環(huán)節(jié)ESD控制

相較元器件、電路板研制，航天產(chǎn)品裝配、總裝及試驗(yàn)（Assembly，Integration and Test，AIT）環(huán)節(jié)涉及結(jié)構(gòu)、單機(jī)、熱控產(chǎn)品裝配，散線焊接和線纜布線，產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)等，各環(huán)節(jié)接觸人員多，工作場地變換頻繁，對靜電防護(hù)提出了更高的要求。AIT環(huán)節(jié)在EPA內(nèi)開展，操作人員需正確穿戴靜電防護(hù)服，涉及高空作業(yè)需穿戴緊身連體型防護(hù)服，工作區(qū)域需要有明顯的靜電防護(hù)標(biāo)志。

（1）總裝過程控制

對產(chǎn)品操作的人員進(jìn)入操作區(qū)域前觸摸放靜電棒釋放攜帶的靜電，操作全程均需佩戴靜電釋放腕帶。無源操作設(shè)備需為靜電耗散材料的靜電防護(hù)工具，電烙鐵等有源操作設(shè)備電源地和靜電接地分別連接，必要時(shí)采用離子風(fēng)機(jī)中和焊接過程可能產(chǎn)生的靜電電荷積累。產(chǎn)品防靜電接地實(shí)際接地電阻小于2Ω[22]，靜電地與電源地、衛(wèi)星地嚴(yán)格分開。

（2）測試過程控制

測試過程操作人員接近產(chǎn)品 1m范圍均需佩戴靜電釋放腕帶，測試線纜斷開后使用防靜電氣泡膜包覆線纜自由端。測試紙質(zhì)文件要保持與產(chǎn)品 30cm以上的安全距離，避免感應(yīng)電荷的積累。測試計(jì)算機(jī)屏幕與產(chǎn)品距離必須大于300cm[23]。

（3）轉(zhuǎn)運(yùn)過程控制

入場進(jìn)行總裝測試的單機(jī)產(chǎn)品，在防靜電工作區(qū)外需放入密閉防靜電包裝袋或?qū)Ｓ冒b箱轉(zhuǎn)運(yùn)。在防靜電區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)產(chǎn)品放置在防靜電周轉(zhuǎn)車或周轉(zhuǎn)箱內(nèi)。整星產(chǎn)品在防靜電區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)過程，產(chǎn)品防靜電接地線始終拖垂在地面上，如圖7所示。轉(zhuǎn)運(yùn)中防靜電接地線始終與地面接觸，通過防靜電地板或地面及時(shí)泄放滾輪與地面摩擦產(chǎn)生的靜電電荷。

圖7 EPA區(qū)域內(nèi)產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)示意Fig.7 Product transfer in EPA

3.4 產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)ESD控制

航天產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)是考核產(chǎn)品性能、使其滿足發(fā)射和在軌運(yùn)行環(huán)境必不可少的環(huán)節(jié)。由于試驗(yàn)環(huán)境嘈雜，試驗(yàn)設(shè)備龐大，因此試驗(yàn)過程靜電防護(hù)需要高度重視。試驗(yàn)人員正確穿戴防靜電服，佩戴靜電防護(hù)手環(huán)等常規(guī)要求必須嚴(yán)格遵守。交流電試驗(yàn)設(shè)備通過插座中的保護(hù)地實(shí)現(xiàn)接地，試驗(yàn)臺(tái)接地線與保護(hù)地實(shí)現(xiàn)接地，使試驗(yàn)設(shè)備、人員、產(chǎn)品等處于同一電位。

如果試驗(yàn)環(huán)境沒有電源保護(hù)地可用、不方便或特殊要求時(shí)，可以采用接輔助地的連接方式，如圖8所示，其中R1為接地限流電阻，R2為電源地和輔助地間搭接電阻。這時(shí)交流電試驗(yàn)設(shè)備等采用電源地接地，產(chǎn)品采用輔助地接地。在合適地方使電源地和輔助地連接，并使兩者之間小于25Ω，確保兩者之間電位差最小。

圖8 接輔助地的連接方式Fig.8 The connecting mode of aided ground

4 結(jié)束語

靜電防護(hù)是航天產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要方面，也是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。靜電防護(hù)需要科學(xué)管理，更需要全員參與全過程控制。航天產(chǎn)品靜電防護(hù)管理與過程控制，首先要建立靜電防護(hù)管理體系，這是靜電防護(hù)管理的有效手段，同時(shí)需建立和健全靜電防護(hù)管理要素；其次在靜電防護(hù)管理體系下，開展航天產(chǎn)品研制過程的靜電防護(hù)控制。隨著航天產(chǎn)品研制周期的縮短和技術(shù)指標(biāo)的日益提高，航天產(chǎn)品復(fù)雜度也與日俱增，對靜電防護(hù)的管理和過程控制提出了更高要求，所以對靜電防護(hù)管理體系的運(yùn)行需采用如PDCA循環(huán)等質(zhì)量管理方法，通過循環(huán)迭代提升管理水平。將靜電防護(hù)工作有效落實(shí)，減少靜電損害或潛在靜電損傷，對提高產(chǎn)品安全性、可靠性，降低航天產(chǎn)品因靜電問題造成的經(jīng)濟(jì)損傷具有重要的意義。