浅谈ESD 对汽车制造企业的影响与防护措施

曾凯凯， 曹 莹， 王道旺， 王 伟， 王振旭

（1.一汽-大众汽车有限公司天津分公司， 天津 300143； 2.长安大学汽车学院，陕西 西安 710064； 3.一汽-大众汽车有限公司佛山分公司， 广东 佛山 528200；4.天津机电职业技术学院， 天津 300143）

ESD （Electrostatic Discharge， 静电放电） 指两种带有相反极性的电荷中和的过程， 可以通过直接接触或者静电场来实现。 简而言之， 就是在两个物体之间对不同的电势进行突然性的平衡， 与之相关的还有ESDS和EPA。 ESDS（Electrostatic Discharge Sensitive Devices， 静电放电敏感器件） 是指对于静电放电敏感的部件， 其包括电气/电子系统的单个电子元件、 所有类型的电气总成和组件。 EPA（ESD Protected Area， 静电放电保护区） 可能是一个工位、一个房间或者一整个建筑。 随着汽车电子技术的发展， 整车电器功能越来越复杂， 汽车电器元件的种类和数量都在不断增加。 这些增加的电器功能给用户提供了舒适的驾驶环境， 但同时也增加了整车电器故障的风险。 据多家汽车制造主机厂统计发现， 汽车生产制造过程和售后反馈的电器故障中， 因ESD静电放电造成的电器故障率一直占一定比例， 且近年来有明显上升的趋势， 国际上对静电放电造成的损失进行研究， 静电放电造成的损坏占所有电器元件损坏的30%。

1 静电的产生

一般来说， 物体表面带电原因有摩擦起电、 传导起电和感应起电3种。

摩擦起电是指两种材料接触或者互相摩擦后然后分开，会发生载流子转移或偏移的现象。 例如， 在不导电的地板上行走就会产生电荷， 这一过程叫摩擦起电。 电量大小取决于材料类型、 摩擦力、 分离过程和空气湿度。 比如， 在汽车生产过程中， 装配员工在地板上行走， 人体的皮肤，头发和衣服能迅速积累和保持很高的电压， 将使人体带电。此时接触零件， 这些带电能快速传给电子元件和总成， 产生静电放电。

传导起电是指当一个带电体与一个非带电体接触时，电荷将重新分配， 即发生电荷迁移而使非带电体带电。 比如， 双手触碰静电产生器， 电荷传导到人体， 使每一根头发都带上了同一种电荷， 然后头发相互排斥， 如图1所示。

图1 双手触碰静电产生器后的现象

感应起电是指在静电场的作用下， 发生电荷再分布的现象。 比如， 当带正电的物体靠近电中性的金属体时， 金属体靠近物体的一端会带上负电， 远离物体的一端会带上正电。

静电放电的产生是通过直接接触或通过静电场感应会导致电荷在不同静电电势的物体之间发生转移， 以达到中和。 人的身体上的衣物等相互摩擦产生静电， 在摩擦物绝缘性能比较好的情况下， 这些电荷无法流失， 就会聚集起来， 当人体与其他物体直接接触或者在静电场的作用下电荷发生转移， 人们称这些突然的电流为静电放电。 国际上研究表明， 静电放电通常是由于人造成的。

2 ESD静电放电形式

工作中的ESD静电放电有两种常见形式： 一是身体带电， 即人在地板上行走， 使人体带电， 皮肤、 头发和衣服能积累和保持很高的电压， 此时接触零件， 这些电荷快速传给电子元件和总成， 产生静电放电， 身体带电造成的静电放电如图2所示。 二是零件带电， 即缺少防护的零部件在靠近带电材料的时候， 可能已经被感应带电了， 这样的零部件通过手的触碰， 将突然放电， 零件带电造成的静电放电如图3所示。

图2 身体带电造成的静电放电

图3 零件带电造成的静电放电

3 汽车生产制造过程中ESD的危害

ESD防护的必要性有两点： 一是ESD损坏不易被发现，二是电子零件发展趋势。

3.1 ESD损坏不易被发现

ESDS会由于ESD而被破坏或预损坏， 受到预损坏的零件没有立刻出现故障， 只是性能或可靠性下降， 可能在很久后才表现出故障。 一方面， 缺陷已经流出， 造成后续抱怨； 另一方面， 缺陷分析时难以确定ESD损伤发生的时间。 电器元件内部ESD 损坏如图4所示。

图4 电器元件内部ESD损坏

电器元件从制造出来到装配在车身过程 中， 众 多ESD 防 护环节中稍有不慎， 轻则会造成车辆控制器失灵、 失效， 废品率提升， 增加汽车制造企业零件成本；重则用户在行驶中整车抛锚， 造成交通事故， 从而车辆批量召回， 直接影响企业声誉与口碑。 ESD防护所涉及到的汽车制造过程链如图5所示。

图5 ESD防护所涉及到的汽车制造过程链

3.2 电子零件发展趋势

试验表明， 器件越大电容也越大， 可以容纳每伏更多的电荷， 所以与比较小的器件相比对ESD的敏感性更低。随着汽车电子技术的发展， 现代汽车中的电气功能越来越多， 电子零件数量随之增加， 电子零件集成度越来越高，尺寸越来越小， 对ESD防护能力随之下降。 除此之外， 现在的零件在无意过程中可以带很高的电压， 甚至可以高于10kV。 零件的敏感度在进化的过程中会进一步提高， 当电压达到100V时已经有危险。

4 汽车制造企业ESD防护措施

电器元件从制造出来到装配在车身上， 中间要经历电器元件包装、 运输、 电器元件入库、 电器元件分装及零件分拣、 供给送线、 装配、 返修等过程， 繁杂的过程增加了汽车制造企业ESD防护的难度。

4.1 ESD防护的原理

一是防止静电荷产生， 例如： 将相对湿度控制到50%~60%， 充电电压与湿度的关系如图6所示。 从图6中可以看出空气湿度低于40%及20%时， 充电电压迅速增加。 或者相互摩擦的表面采用摩擦起电序列中相近的材料。 二是能以可控的方式耗散已经产生的静电荷。 如果把人体、 零件、 器具通过某些方式接地， 将它们所带电荷及时导出到大地中， 也不会发生ESD损害。 在此 过程中， 注意电荷不能在绝缘体内移动， 所以带电的绝缘体不能通过接地来将电荷导走。 电荷导出不能太快， 否则仍可能会对人体或零件造成威胁，接地电阻达到MΩ级比较安全。

图6 充电电压与湿度的关系图

4.2 ESD防护的具体要求

4.2.1 地面、 鞋和人体系统

防静电鞋要能保证脚到地面的导电能力， 防静电鞋接地 电 阻 要 求R≤1×10Ω。 地 面： 混 凝土地面本身是可以导电的， 但一般在上面覆盖的涂层/地板是绝缘的， 这样地面就不能导电了， 地面的要求 如 图7 所 示。 而 防静电的地面采用导电或耗散的表面材料，并通过导电的粘接剂固定在混凝土地面上， 即地面表面接地了。 人体： 人体本身就是导体， 所以穿着防静电鞋在防静电地面上活动时， 即使人体带有电荷，也可以随时导出到大地中。

图7 地面的要求

4.2.2 防静电工作台

工作台可以通过铺设接地的防静电垫子达到要求。 防静电垫子由表面的静电耗散层和底面的导电层构成， 底面再通过导线接地。 这样， 桌面本身的静电以及放在上面的导体的静电都可以传导到大地中， 防静电工作台的具体要求如图8所示。

图8 防静电工作台的具体要求

4.2.3 防静电料架、 转运车

很多托盘、 运输小车和货架都用金属制作， 金属本身是导电的， 但如果表面涂漆， 或是使用了绝缘的轮子， 电荷就不能导到大地中了。 在地板接地的前提下， 料架、 转运车轮子如果不是导电材料的， 搭铁线与拖地的铁链也是允许的。

4.2.4 电离

在部分生产步骤中， 例如预装、 材料准备等， 出于流程技术的原因无法舍弃使用绝缘、 高带电可能性的材料（装配工装、 运行材料等）。 绝缘材料带电即使接地也无法消除。 电荷通过绝缘体无法导出， 将一直保留。 中和绝缘材料电荷的唯一方式是采用电离器， 电离器会将两极的带电粒子 “吹” 到材料上， 同性的电荷会受到带电材料的排斥， 带电粒子被吸引并中和已带电的表面， 电离过程如图9所示。

图9 电离过程

4.2.5 防静电包装

采用导电材料和耗散材料制造的防静电包装， 包装或零件所带的电荷可以通过货架、 托盘等导出， 防静电包装材质要求如下所示， 防静电包装如图10所示。

图10 防静电包装

1） 导电材料： 表面或内部导电的材料 （表面电阻： 1×10Ω≤R＜1×10Ω）。

2） 绝缘材料： 电荷不能在表面或内部移动 （表面电阻： R≥1×10Ω）。

3） 耗散材料： 导电能力介乎于导电材料与绝缘材料之间， 能快速耗散电荷 （表面电阻：1×10Ω≤R＜1×10Ω）。

4） 防静电的转运包装： 表面电阻R≤1×10Ω。

5） 抗静电材料： 不容易产生或积累电荷， 表面电阻可能比耗散材料大， 不能耗散电荷。

6） 接地、 可导电的工作台／工作椅／货架／转运料斗／转运车： 接地电阻R≤1×10Ω。

4.2.6 生产现场人员操作要求

在汽车制造企业总装车间电器元件装配区域需要设置表明存在EPA的警示标识， 使人员在进入EPA之前能够很好地观察到。 此区域员工工作时需穿着防静电工作服、 手套，防静电工作服、 手套通常纯棉材质可以满足防静电要求。员工在拿取ESD零件之前， 需要通过手触摸防静电料架铁质部分或者车身铁质部分来释放静电。

4.2.7 静电放电保护区要求 （EPA）

1） 要区分静电放电保护区（EPA） 和非保护区（UPA）。

2） 静电放电保护区可以由工作场地、 一个房间或整个建筑组成。

3） 静电放电保护区边界必须做标记， 仅允许经培训和指导的访问者进入。

4） 静电敏感元件 （ESDS） 仅允许经培训人员操作。

5） 静电敏感元件的包装规定在静电放电保护区内外必须无条件遵守。

6） 只有过程强制的绝缘体才允许在静电放电保护区场地使用， 并且静电场不得超过100V/cm。

7） 当静电场超过100V/cm， 绝缘体必须挪出保护区，直到测量值小于100V/cm为止。

8） 当表面静电势能高于2000V， 此物体必须挪到离静电敏感元件30cm以外 （显示器、 电脑、 绝缘体等）。

5 小结

电器元件ESD防护工作贯穿汽车制造企业生产的诸多过程， ESD防护工作不仅需要科学规范的制度及流程， 而且需要企业技术管理人员的重视。 本文所讲述的ESD防护内容仅供参考， 汽车制造企业除了要形成一整套全面系统的ESD防护措施和要求， 成立由质保、 产品、 采购、 规划、物流、 车间共同参与的公司级ESD优化小组， 根据电器元件故障、 索赔信息， 确定零件静电防护优先级， 并逐步推动实施， 定期对供应商和整车厂的生产/物流环节做ESD专项审核， 不断优化促进静电防护方面存在问题， 并持之以恒强有力地执行下去， 才能有效地减少电器元件因静电放电造成的损坏率。