鐵路電子產品生產過程中的靜電防護問題研究

蔡華斌，張 翔

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

靜電是對觀測者處于相對靜止的電荷，可由物質的接觸分離、靜電感應、介質極化和帶電微粒的附著等物理過程而產生［1］。不同物質間的接觸、分離或相互摩擦，都可產生靜電。如在生產過程中的擠壓、切割、搬運、攪拌和過濾以及生產過程中操作人員的活動如起立、行走等，都會產生靜電。可見，靜電伴隨著生產的全過程。我們的身上和周圍就帶有很高的靜電電壓，這些靜電一般對人體危害不大，但對于一些靜電敏感元器件，卻直接可以使器件性能降低、甚至損壞，嚴重影響到了電子產品的質量、壽命、可靠性和使用的經濟性。這樣靜電防護就變得非常重要了。

中國鐵道科學研究院機車車輛研究所永豐科技創新基地承擔著動車組牽引變流器、輔助變流器、TCU、CCU等電氣電子產品的組裝生產和測試任務，既有強電和弱電結合工作的電氣產品的組裝測試，也有純弱電工作的電子產品的組裝測試，需要進行元器件和板卡的檢驗、插裝、調試、試驗、包裝、儲存、發送、檢修等工序過程，由于生產過程中的接觸、分離、感應，都可能使操作人員、生產工具及包裝材料等產生靜電，可能對產品造成靜電放電危害。結合鐵路電子產品生產過程中的靜電防護經驗，介紹了在運輸、組裝、測試、包裝、倉儲等環節可能產生的靜電及其危害，提出了從配備人體靜電防護用品、提供靜電防護設施與裝備、控制環境溫濕度、制定靜電管理制度4個方面來落實靜電防護措施的方法。

1 電子產品生產過程中產生靜電的因素

1.1 傳送與運輸過程中產生的靜電

在生產的整個環節中，每一個環節都可能遭遇靜電放電的危害，其中靜電敏感器件在傳送和運輸過程中受到的靜電放電危害尤其應引起注意。在實際生產過程中，可能涉及到生產工序的轉換，在由一個工序轉換到另一個工序的過程中，如果是在不同的區域之間轉換，中途即使是經過很短的非靜電保護區，被傳輸的靜電敏感器件必須做好相應的防護，這是生產過程中很容易忽視的一點，另外，運輸過程中必須采用防靜電包裝，且防靜電包裝必須完好，防止運輸過程中所經受的振動、包裝材料之間的摩擦以及包裝材料和元器件之間的摩擦產生靜電以及整個包裝暴露在外電場（如經過高壓設備附近等）的情況下可能造成的感應靜電。

1.2 組裝與測試過程中產生的靜電

在組裝操作過程中，操作人員需要對元器件進行插拔、組裝操作，由于接觸和分離、感應等作用，都可能使操作人員、工作臺面、元器件等產生靜電，隨時可能對產品造成靜電放電危害。

在測試過程中，操作員需要進行測試準備及操作，人體和衣服都有可能與被測產品及元器件接觸，由于人是生產活動的主體，由人體產生的靜電，往往是靜電放電事故的主要原因。人體靜電的危害，首先是對人體的電擊，人體對靜電導體放電或者帶電物體通過人體放電時，靜電放電電位在2kV時，手指外側即有感覺，并伴隨發出微弱的放電聲，靜電電擊不是電流持續的流過人體，其放電能量是有限的，一般無害于健康，但是試驗過程中突發的電擊感覺和擔憂可能引起恐慌反應而造成事故。

1.3 包裝與倉儲過程中產生的靜電

包裝過程中的操作人員與元器件、包裝材料的接觸和分離也會產生靜電，在倉儲過程中操作人員對元器件的搬運、存儲、擺放、堆碼等操作也會產生靜電。對倉儲而言，許多商品及包裝物都具備了產生靜電的條件，同時在倉儲作業中離不開堆碼、搬運等操作，因此不同物品之間、物品與操作員之間都可能因摩擦而產生靜電。

2 靜電放電的特點與危害

2.1 靜電放電的特點

靜電放電產生短暫的瞬間放電電流和相應的強電磁場，可引起運行電子設備的誤動作，甚至內部元器件的損壞，導致設備功能喪失。人體所帶靜電電壓與電擊程度的關系如表1所示，當人體靜電電壓不超過1.0 kV時，靜電放電時人完全無感覺，但是卻能使電子設備中的元器件受到損傷，如MOSFET器件的耐靜電電壓為100～200V，完全有可能在人沒有任何察覺的情況下導致器件損壞。所以，靜電放電對電子器件和設備的損傷，是在人們不知不覺的過程中發生的，隱蔽性是電子產品靜電放電的最重要特點。靜電對器件的損壞分顯性和隱性兩種，顯性損壞就是器件功能全部喪失，有些器件受靜電損傷后，雖然其電參數仍能符合要求，但靜電放電已導致器件性能劣化，雖然只表現出特性稍有下降，如不進行全面測試就很難發現，這種就是隱性損壞。隱性損壞器件本身已留有隱患，在過壓、高溫等特定條件下，會導致器件失效，而且難以判斷這是在何時何地何種情況下遭受靜電放電造成的。

表1 人體所帶靜電電壓與電擊程度的關系

2.2 靜電放電的危害

靜電對電子產品的破壞主要表現在以下4個方面：①靜電吸附灰塵，降低元器件絕緣阻抗，導致元器件的使用壽命縮短。②靜電放電感應出過高電壓導致器件絕緣擊穿，使元器件受損或者完全喪失功能。③靜電放電電流產生的熱量導致設備的熱損壞。④靜電放電產生輻射很大、頻譜極寬的電磁場使元器件受電磁干擾而損壞。其中絕緣擊穿和熱損壞可能在同一個器件上發生，例如絕緣擊穿可能激發大的電流，這又進一步導致元器件熱損壞。由靜電放電產生的元器件擊穿損壞是電子行業中最嚴重的靜電危害。

3 電氣與電子產品生產過程中的靜電防護

3.1 靜電防護的基本原則與方法

靜電防護應以防止和抑制靜電荷的產生、積聚，并迅速安全、有效地消除已產生的靜電荷為基本原則。靜電防護的方法主要是接地、靜電泄放、屏蔽、中和、增濕等，通過人體靜電防護用品的使用，如配備防靜電服和鞋，防靜電設施和裝備的使用，如鋪設防靜電地板、使用防靜電周轉車、包裝箱等，可使人體形成完整的靜電泄放通道，避免靜電聚集，通過對環境溫度濕度的控制可有效減少產生的靜電荷，制定靜電管理制度來確保靜電防護用品、設施、裝備達到技術指標要求，因此，靜電防護應從配備人體靜電防護用品、提供防靜電設施和裝備、控制環境的溫濕度、制定靜電管理制度4個方面來同時采取措施。

3.2 配備人體靜電防護用品

人體靜電防護系統主要由防靜電工作服、防靜電工作鞋、防靜電手腕帶、工作帽、手套等組成，使用中必須確保手腕帶與靜電接地系統有效連接，與靜電防護設施和裝備一起，使人體產生的靜電荷具有完整的消除通道。

3.3 提供靜電防護設施和裝備

3.3.1 防靜電地板

一般防靜電地板（地坪）宜采用靜電耗散材料制作，地板內應設置接地網絡并接地良好。對于接觸靜電敏感度在－100～100V之間的靜電放電敏感器件的EPA區域，地板應使用導靜電材料，使用導靜電材料（包括金屬材料）時，環境電氣設備設計和設置必須符合人身安全的有關規定。

鋪設防靜電地板，與防靜電服、鞋等人體靜電防護用品配合使用，使人體已經產生的靜電通過防靜電地板迅速釋放，防止靜電聚集，防靜電地板是消除靜電的重要基礎設施，不僅可以為人體釋放靜電，同時，也為其他設備、器件上靜電的釋放提供了通路。

3.3.2 防靜電工作臺、周轉車、座椅

防靜電工作臺的臺面需要使用導靜電或靜電耗散材料制成，并采取軟接地，EPA區域內不宜將防靜電地板表面作為防靜電工作臺接地連接線。周轉車和座椅的支腳或腳輪用靜電耗散（導靜電）材料制作，座椅表面用靜電耗散材料制作并與腳輪構成電氣連接。

3.3.3 靜電接地系統

防靜電接地應和保護接地、交流工作接地、直流工作接地、屏蔽接地、EPA內的所有金屬導體共用一個接地體，EPA內不允許存在對接地系統絕緣的孤立導體，EPA內每個防靜電裝備的接地線應該獨立與接地系統連接，不允許多個防靜電裝備串聯接地。

靜電接地的目的是加快靜電泄漏和導流，使帶電物體的靜電荷得以順利釋放，以避免靜電積聚。靜電接地有直接接地和間接接地之分，前者是采用金屬導體接地，用來釋放金屬導體上的靜電荷；后者是采用靜電耗散材料接地，是通過非金屬導電材料或防靜電材料使物體接地的一種方式。防靜電接地系統應該具有足夠的機械強度和可靠性，防靜電接地地線最小截面積不小于2mm2，接地母線最小截面積不小于10mm2，防靜電工具、裝置等接地端子可以使用電氣連接可靠、易于拆裝的夾式連接器。

3.3.4 防靜電包裝

用適當的防靜電屏蔽包裝方法和材料來處理靜電敏感器件的包裝和運輸，有效屏蔽電荷侵入產品和減少產品在包裝箱中移動而產生靜電荷。

直接或者間接接觸靜電放電敏感器件的操作均應該在EPA區域內進行，在EPA之外，靜電放電敏感器件必須進行防靜電包裝予以保護，不允許暴露在防靜電包裝之外。

3.3.5 電離系統

當依靠接地措施無法消除EPA內絕緣體、設備、工具和各種操作產生的靜電時，可使用電離系統（離子靜電消除器等）提供靜電中和來消除靜電，或者采取靜電屏蔽、隔離措施。

3.4 控制環境的溫濕度

在有限的生產區域中，對于含有相同水分的空氣，熱空氣能吸收更多的濕氣，這樣它的相對濕度就更低 ，即在同一個大環境中，溫度較高的區域會比溫度低的區域相對濕度小，空氣更干燥，更容易產生靜電，因此在控制濕度的同時也要控制環境溫度，在實際生產過程中，環境溫度、濕度對靜電的影響非常明顯，一般EPA內應該設置溫度調節裝置，維持室溫在16～28℃，使溫度變化率小于5℃／h，EPA內應裝濕度調節裝置，控制室內相對濕度在45%～75%的范圍內。

3.5 EPA內的防靜電用品、設施、裝備的技術指標

為了達到靜電防護的目的，根據GJB 3007A－2009防靜電工作區技術要求，EPA區域內的相關防靜電用品、設施、裝備必須執行表2的技術指標。

表2 EPA區域內的技術指標

3.6 制定靜電防護管理制度

總體來說，落實好靜電防護措施，必須制定靜電防護管理制度，并嚴格按照表2落實EPA區域內防靜電用品、設施、裝備的技術指標要求。

（1）根據生產實際，制定企業的靜電防護制度，從人體防靜電用品、防靜電設施與裝備、環境溫度濕度控制方面進行落實，嚴格執行靜電防護技術標準，并做好防靜電檢測和記錄。

（2）定期對防靜電用品、設施和裝備的性能進行檢查。

（3）建立防靜電知識培訓制度，應將防靜電知識、措施作為崗前培訓的重要內容，培養員工自覺遵守和執行防靜電制度和規定的素質。

4 結束語

靜電防護工作是一項需要長期堅持的系統工程，涉及到運輸、檢驗、庫存、組裝、試驗、包裝、返修等各環節，任何環節的失誤或疏漏，都可能導致靜電防護工作的失敗，但只要充分認識到靜電防護的必要性，深入分析靜電和靜電放電產生的機理，并采取正確地防護措施，制定切實可行的靜電防護管理制度，各方積極參與，把靜電控制看成是質量保證體系的重要組成部分，掌握正確的防靜電管理知識，才能將靜電放電帶來的危害減小到最低限度。貫徹整體靜電防護思想，切實加強靜電防護管理對于提高鐵路電氣、電子產品品質與質量具有重要意義。

［1］GB／T 15463－2008，靜電安全術語［S］.

［2］吳宗漢.基礎靜電學［M］.北京：北京大學出版社，2010.

［3］劉尚合.靜電放電及危害防護［M］.北京：北京郵電大學出版社，2004.

［4］SJ／T 10533－1994，電子設備制造與防靜電要求［S］.

［5］GJB 3007A－2009，防靜電工作區技術要求［S］.