铁路电子产品生产过程中的静电防护问题研究

蔡华斌，张 翔

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

静电是对观测者处于相对静止的电荷，可由物质的接触分离、静电感应、介质极化和带电微粒的附着等物理过程而产生［1］。不同物质间的接触、分离或相互摩擦，都可产生静电。如在生产过程中的挤压、切割、搬运、搅拌和过滤以及生产过程中操作人员的活动如起立、行走等，都会产生静电。可见，静电伴随着生产的全过程。我们的身上和周围就带有很高的静电电压，这些静电一般对人体危害不大，但对于一些静电敏感元器件，却直接可以使器件性能降低、甚至损坏，严重影响到了电子产品的质量、寿命、可靠性和使用的经济性。这样静电防护就变得非常重要了。

中国铁道科学研究院机车车辆研究所永丰科技创新基地承担着动车组牵引变流器、辅助变流器、TCU、CCU等电气电子产品的组装生产和测试任务，既有强电和弱电结合工作的电气产品的组装测试，也有纯弱电工作的电子产品的组装测试，需要进行元器件和板卡的检验、插装、调试、试验、包装、储存、发送、检修等工序过程，由于生产过程中的接触、分离、感应，都可能使操作人员、生产工具及包装材料等产生静电，可能对产品造成静电放电危害。结合铁路电子产品生产过程中的静电防护经验，介绍了在运输、组装、测试、包装、仓储等环节可能产生的静电及其危害，提出了从配备人体静电防护用品、提供静电防护设施与装备、控制环境温湿度、制定静电管理制度4个方面来落实静电防护措施的方法。

1 电子产品生产过程中产生静电的因素

1.1 传送与运输过程中产生的静电

在生产的整个环节中，每一个环节都可能遭遇静电放电的危害，其中静电敏感器件在传送和运输过程中受到的静电放电危害尤其应引起注意。在实际生产过程中，可能涉及到生产工序的转换，在由一个工序转换到另一个工序的过程中，如果是在不同的区域之间转换，中途即使是经过很短的非静电保护区，被传输的静电敏感器件必须做好相应的防护，这是生产过程中很容易忽视的一点，另外，运输过程中必须采用防静电包装，且防静电包装必须完好，防止运输过程中所经受的振动、包装材料之间的摩擦以及包装材料和元器件之间的摩擦产生静电以及整个包装暴露在外电场（如经过高压设备附近等）的情况下可能造成的感应静电。

1.2 组装与测试过程中产生的静电

在组装操作过程中，操作人员需要对元器件进行插拔、组装操作，由于接触和分离、感应等作用，都可能使操作人员、工作台面、元器件等产生静电，随时可能对产品造成静电放电危害。

在测试过程中，操作员需要进行测试准备及操作，人体和衣服都有可能与被测产品及元器件接触，由于人是生产活动的主体，由人体产生的静电，往往是静电放电事故的主要原因。人体静电的危害，首先是对人体的电击，人体对静电导体放电或者带电物体通过人体放电时，静电放电电位在2kV时，手指外侧即有感觉，并伴随发出微弱的放电声，静电电击不是电流持续的流过人体，其放电能量是有限的，一般无害于健康，但是试验过程中突发的电击感觉和担忧可能引起恐慌反应而造成事故。

1.3 包装与仓储过程中产生的静电

包装过程中的操作人员与元器件、包装材料的接触和分离也会产生静电，在仓储过程中操作人员对元器件的搬运、存储、摆放、堆码等操作也会产生静电。对仓储而言，许多商品及包装物都具备了产生静电的条件，同时在仓储作业中离不开堆码、搬运等操作，因此不同物品之间、物品与操作员之间都可能因摩擦而产生静电。

2 静电放电的特点与危害

2.1 静电放电的特点

静电放电产生短暂的瞬间放电电流和相应的强电磁场，可引起运行电子设备的误动作，甚至内部元器件的损坏，导致设备功能丧失。人体所带静电电压与电击程度的关系如表1所示，当人体静电电压不超过1.0 kV时，静电放电时人完全无感觉，但是却能使电子设备中的元器件受到损伤，如MOSFET器件的耐静电电压为100～200V，完全有可能在人没有任何察觉的情况下导致器件损坏。所以，静电放电对电子器件和设备的损伤，是在人们不知不觉的过程中发生的，隐蔽性是电子产品静电放电的最重要特点。静电对器件的损坏分显性和隐性两种，显性损坏就是器件功能全部丧失，有些器件受静电损伤后，虽然其电参数仍能符合要求，但静电放电已导致器件性能劣化，虽然只表现出特性稍有下降，如不进行全面测试就很难发现，这种就是隐性损坏。隐性损坏器件本身已留有隐患，在过压、高温等特定条件下，会导致器件失效，而且难以判断这是在何时何地何种情况下遭受静电放电造成的。

表1 人体所带静电电压与电击程度的关系

2.2 静电放电的危害

静电对电子产品的破坏主要表现在以下4个方面：①静电吸附灰尘，降低元器件绝缘阻抗，导致元器件的使用寿命缩短。②静电放电感应出过高电压导致器件绝缘击穿，使元器件受损或者完全丧失功能。③静电放电电流产生的热量导致设备的热损坏。④静电放电产生辐射很大、频谱极宽的电磁场使元器件受电磁干扰而损坏。其中绝缘击穿和热损坏可能在同一个器件上发生，例如绝缘击穿可能激发大的电流，这又进一步导致元器件热损坏。由静电放电产生的元器件击穿损坏是电子行业中最严重的静电危害。

3 电气与电子产品生产过程中的静电防护

3.1 静电防护的基本原则与方法

静电防护应以防止和抑制静电荷的产生、积聚，并迅速安全、有效地消除已产生的静电荷为基本原则。静电防护的方法主要是接地、静电泄放、屏蔽、中和、增湿等，通过人体静电防护用品的使用，如配备防静电服和鞋，防静电设施和装备的使用，如铺设防静电地板、使用防静电周转车、包装箱等，可使人体形成完整的静电泄放通道，避免静电聚集，通过对环境温度湿度的控制可有效减少产生的静电荷，制定静电管理制度来确保静电防护用品、设施、装备达到技术指标要求，因此，静电防护应从配备人体静电防护用品、提供防静电设施和装备、控制环境的温湿度、制定静电管理制度4个方面来同时采取措施。

3.2 配备人体静电防护用品

人体静电防护系统主要由防静电工作服、防静电工作鞋、防静电手腕带、工作帽、手套等组成，使用中必须确保手腕带与静电接地系统有效连接，与静电防护设施和装备一起，使人体产生的静电荷具有完整的消除通道。

3.3 提供静电防护设施和装备

3.3.1 防静电地板

一般防静电地板（地坪）宜采用静电耗散材料制作，地板内应设置接地网络并接地良好。对于接触静电敏感度在－100～100V之间的静电放电敏感器件的EPA区域，地板应使用导静电材料，使用导静电材料（包括金属材料）时，环境电气设备设计和设置必须符合人身安全的有关规定。

铺设防静电地板，与防静电服、鞋等人体静电防护用品配合使用，使人体已经产生的静电通过防静电地板迅速释放，防止静电聚集，防静电地板是消除静电的重要基础设施，不仅可以为人体释放静电，同时，也为其他设备、器件上静电的释放提供了通路。

3.3.2 防静电工作台、周转车、座椅

防静电工作台的台面需要使用导静电或静电耗散材料制成，并采取软接地，EPA区域内不宜将防静电地板表面作为防静电工作台接地连接线。周转车和座椅的支脚或脚轮用静电耗散（导静电）材料制作，座椅表面用静电耗散材料制作并与脚轮构成电气连接。

3.3.3 静电接地系统

防静电接地应和保护接地、交流工作接地、直流工作接地、屏蔽接地、EPA内的所有金属导体共用一个接地体，EPA内不允许存在对接地系统绝缘的孤立导体，EPA内每个防静电装备的接地线应该独立与接地系统连接，不允许多个防静电装备串联接地。

静电接地的目的是加快静电泄漏和导流，使带电物体的静电荷得以顺利释放，以避免静电积聚。静电接地有直接接地和间接接地之分，前者是采用金属导体接地，用来释放金属导体上的静电荷；后者是采用静电耗散材料接地，是通过非金属导电材料或防静电材料使物体接地的一种方式。防静电接地系统应该具有足够的机械强度和可靠性，防静电接地地线最小截面积不小于2mm2，接地母线最小截面积不小于10mm2，防静电工具、装置等接地端子可以使用电气连接可靠、易于拆装的夹式连接器。

3.3.4 防静电包装

用适当的防静电屏蔽包装方法和材料来处理静电敏感器件的包装和运输，有效屏蔽电荷侵入产品和减少产品在包装箱中移动而产生静电荷。

直接或者间接接触静电放电敏感器件的操作均应该在EPA区域内进行，在EPA之外，静电放电敏感器件必须进行防静电包装予以保护，不允许暴露在防静电包装之外。

3.3.5 电离系统

当依靠接地措施无法消除EPA内绝缘体、设备、工具和各种操作产生的静电时，可使用电离系统（离子静电消除器等）提供静电中和来消除静电，或者采取静电屏蔽、隔离措施。

3.4 控制环境的温湿度

在有限的生产区域中，对于含有相同水分的空气，热空气能吸收更多的湿气，这样它的相对湿度就更低 ，即在同一个大环境中，温度较高的区域会比温度低的区域相对湿度小，空气更干燥，更容易产生静电，因此在控制湿度的同时也要控制环境温度，在实际生产过程中，环境温度、湿度对静电的影响非常明显，一般EPA内应该设置温度调节装置，维持室温在16～28℃，使温度变化率小于5℃／h，EPA内应装湿度调节装置，控制室内相对湿度在45%～75%的范围内。

3.5 EPA内的防静电用品、设施、装备的技术指标

为了达到静电防护的目的，根据GJB 3007A－2009防静电工作区技术要求，EPA区域内的相关防静电用品、设施、装备必须执行表2的技术指标。

表2 EPA区域内的技术指标

3.6 制定静电防护管理制度

总体来说，落实好静电防护措施，必须制定静电防护管理制度，并严格按照表2落实EPA区域内防静电用品、设施、装备的技术指标要求。

（1）根据生产实际，制定企业的静电防护制度，从人体防静电用品、防静电设施与装备、环境温度湿度控制方面进行落实，严格执行静电防护技术标准，并做好防静电检测和记录。

（2）定期对防静电用品、设施和装备的性能进行检查。

（3）建立防静电知识培训制度，应将防静电知识、措施作为岗前培训的重要内容，培养员工自觉遵守和执行防静电制度和规定的素质。

4 结束语

静电防护工作是一项需要长期坚持的系统工程，涉及到运输、检验、库存、组装、试验、包装、返修等各环节，任何环节的失误或疏漏，都可能导致静电防护工作的失败，但只要充分认识到静电防护的必要性，深入分析静电和静电放电产生的机理，并采取正确地防护措施，制定切实可行的静电防护管理制度，各方积极参与，把静电控制看成是质量保证体系的重要组成部分，掌握正确的防静电管理知识，才能将静电放电带来的危害减小到最低限度。贯彻整体静电防护思想，切实加强静电防护管理对于提高铁路电气、电子产品品质与质量具有重要意义。

［1］GB／T 15463－2008，静电安全术语［S］.

［2］吴宗汉.基础静电学［M］.北京：北京大学出版社，2010.

［3］刘尚合.静电放电及危害防护［M］.北京：北京邮电大学出版社，2004.

［4］SJ／T 10533－1994，电子设备制造与防静电要求［S］.

［5］GJB 3007A－2009，防静电工作区技术要求［S］.