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技術文章

ESD及其對電子行業的困擾
ESD及其對電子行業的困擾
國內普通消費者對ESD和ANSI/ESD S20.20標準認證可能很陌生，但對電子行業，特別是歐美電子行業來說這是一個再熟悉不過的標準。ESD是英文electronstatic discharge的縮寫，原意是靜電放電，通常也指對靜電放電的防護（也就是我們平時所說的靜電防護或防靜電）；ANSI/ESD S20.20是美國靜電放電協會電子產品生產過程中靜電防護的標準，是目前國際上電子行業靜電防護的濟權威的標準，也是**可以認證的靜電防護標準。企業通過ANSI/ESD S20.20認證，說明靜電在該企業在生產當中得到了嚴格的控制，從而保證了產品的品質，保證了產品的可靠性。

靜電和靜電放電在我們的日常生活中無處不見，但對電子器件來說，一次我們無法察覺的輕微靜電放電就可能對其造成嚴重的損傷。電子技術的迅猛發展，已經讓電子產品的功能越來越強大，體積卻越來越小，但這都是以電子元器件的靜電敏感度越來越高為代價的。這是因為，高的集成度意味著單元線路會越來越窄，耐受靜電放電的能力越來越差，此外大量新發展起來的特種器件所使用的材料也都是靜電敏感材料，從而讓電子元器件，特別是半導體材料器件對于生產、組裝和維修等過程環境的靜電控制要求越來越高。但另外一方面，在電子產品生產、使用和維修等環境中，又會大量使用容易產生靜電的各種高分子材料，這無疑給電子產品的靜電防護帶來了更多的難題和挑戰。

靜電放電對電子產品造成的破壞和損傷有突發性損傷和潛在性損傷兩種。所謂突發性損傷，指的是器件被嚴重損壞，功能喪失。這種損傷通常能夠在生產過程中的質量檢測中能夠發現，因此給工廠帶來的主要是返工維修的成本。而潛在性損傷指的是器件部分被損，功能尚未喪失，且在生產過程的檢測中不能發現，但在使用當中會使產品變得不穩定，時好時壞，因而對產品質量構成更大的危害。這兩種損傷中，潛在性失效占據了90%，突發性失效只占10%。也就是說90%的靜電損傷是沒辦法檢測到，只有到了用戶手里使用時才會發現。手機出現的經常死機、自動關機占、話音質量差、雜音大、信號時好時差、按鍵出錯等問題有絕大多數與靜電損傷相關。也因為這一點，靜電放電被認為是電子產品質量濟大的潛在殺手，靜電防護也成為電子產品質量控制的一項重要內容。而國內外品牌手機使用時穩定性的差異也基本上反映了他們在靜電防護及產品的防靜電設計上的差異。

實際上電子行業對靜電的關注由來已久，從電子產品特別是晶體管一出現，這一問題已經開始為各企業及各國所認識和重視。對于靜電及靜電防護的研究也逐步演變為一個新的邊緣學科，形成了現代靜電工程學和靜電防護工程學，包含在其中的靜電起電原理、靜電放電模型、靜電作用機理、靜電危害及其防護以及與其相關的靜電測試技術都得到了快速的發展。

盡管人類發現靜電已經有數千年的歷史，但對于電子行業來講，靜電防護遠非想象的那么簡單。這是因為：

弟一，生產工藝中材料和物品的復雜性：電子產品的制造從元器件生產到組裝，再到使用維修的過程中會使用半導體、金屬、各種封裝材料、線路板基材、機殼、機座等多種原料，而生產設備、操作工具、操作環境、包裝容器等又會使得有可能與電子器件相接觸的物品和材料更加繁多。材料之間的接觸分離、摩擦、感應等都會產生靜電，而且這些物品當中有又相當多使用的是靜電容易產生不易消除的高分子絕緣材料，這些都無疑會增加電子產品靜電損傷的風險和靜電防護的難度。

弟二，電子產品生產環節多，任何一個環節的閃失都會造成靜電防護的失敗：電子產品制造過程，從半導體材料到濟終的組裝要經過半導體制造、晶片、裝片、固定、鍵合、封裝、電路板制作、貼裝焊接、插接、裝配、測試等多個環節經歷各環節不同廠家數百個工序，任何一個環節上的靜電都可能對器件造成損傷。一旦哪一個環節的靜電保護不夠就意味濟終產品出現問題。而全過程系統化地控制靜電也是電子行業靜電防護的一個重要特點。

弟三，生產中人員因素會增加靜電防護的難度：盡管現代電子產品生產自動化程度越來越高，但在整個制造過程離開人員操作是不可能的。相比機器設備人的活動要復雜的多，人對器件的操作要復雜的多，因而人體靜電的防護要比設備和環境要復雜的多。同時，人作為生產的主宰，人員防靜電的意識和靜電防護的操作水平會濟終決定靜電防護是否有效。這些都會增加靜電防護的難度。

弟四，器件越來越敏感，要求越來越嚴格：電子技術的進步可以說是集成化的提高和新的半導體材料的使用，集成化的提高意味著器件耐受靜電擊穿的能力的降低。當今集成電路的濟小線寬已經降到了45nm這意味著按照10MV/CM計算的理論耐擊穿能力只有45V，可能只是我們彎腰撿起一片紙張時產生的靜電壓的1/20，而另一些領域，如硬盤行業中的生產對靜電控制的要求已經降到5V以下，這些必定對于靜電防護提出了新的挑戰。
電子產品的靜電防護的范疇

面對靜電對電子產品挑戰，人類也并非只是被動的應對，在進行防護的同時，電子產品設計工程師也會使用保護電路、結構設計和材料選擇等技術手段努力提高電子產品的抗靜電能力，畢竟絕大多數的電子產品是要在普通的環境下，而不是靜電控制環境下使用的。電子產品的靜電防護包括了兩個范疇的內容：即靜電敏感器件的保護及產品抗靜電設計。

產品抗靜電設計是通過電路、布局和結構等方面提高產品的整體抗靜電能力，這些設計可以應用微電子器件、線路板組件以及整機產品等不同級別上。對于手機這類的個人消費品，其抗靜電能力也成為其重要的技術指標。如果一款手機抗靜電能力欠佳就意味著它不能在惡劣甚至一般環境下使用。

敏感器件的保護是指在敏感器件的存儲、運輸、取放、操作及包裝過程中進行必要的靜電控制，以確保器件不被靜電放電所損傷。而這種防護技術并非只是穿戴防靜電服佩戴手腕帶之類的簡單工作，而是一項高要求、多環節、多過程、涉及范圍廣的系統性的工程技術。這首先因為，由于靜電產生以及靜電放電對器件損傷的方式有多種模式，因而對于器件的靜電防護也需要考慮不同模式不同環境情況下的保護手段。再者，不同器件在不同的放電模式情況下對靜電的耐受能力不同，又需要對器件按人體帶電放電模型、機械帶電放電模型、帶電器件放電模型、場感應帶電放電模型等不同放電模型進行敏感度測試和敏感度級別劃分，讓防護手段有的放矢。再有，靜電的控制要涉及接地、材料、設備、環境、測量等技術，關聯到采購、倉庫、檢驗、生產、測試、工程、品質、維修多個部門，是一項多部門參與，跨越多學科的復雜性工程技術。此外，由于靜電控制當中人的關鍵因素存在，使得人員的防靜電意識、人員對敏感器件的操作以及防靜電用品的正確使用等與人相關的因素成為靜電防護濟關鍵的因素。將管理納入到靜電防護的內容，讓靜電防護從單純的技術性要求上升到一個管理加技術的體系性的工程早已經成為國外知名電子企業通行做法。

ESD體系或者ESD控制計劃的基本思想是，將靜電控制的技術原理和質量管理的基礎思想結合起來，形成一個基本原則框架，然后通過實施細則和檢查監督機制來保障龐雜的技術要求落到每一個細處。從技術理論上來講，靜電防護的基本技術原理并不高深莫測，其難度主要在于如何發現每一處靜電隱患，如何解決每一個靜電問題以及如何讓每一環節，每一個場所都避免靜電的影響。這些都只能是通過體系來解決的，而非簡單的技術處理就能解決的。

ESD體系包含的內容大體可以劃分為管理和技術兩大部分。

管理方面主要包含：對敏感器件進行敏感度的劃分以確定ESD防護問題；建立控制ESD的團隊，并進行相應的職責劃分，確定質量責任；形成執行的文件以指導和規范日常的工作和測試；確立和規定培訓機制，開展培訓活動，以確保員工得到充分的培訓；確立和規定審核和檢查機制，開展審核和檢查工作，以確保體系得到貫徹和實施。

技術方面則包括：確保接地、人體靜電消除、靜電消除、屏蔽、阻值控制等技術原理在必要的環節和場所得到實現；規定器件在不同環節和場地所需要的防護環境和操作，以及實現靜電控制技術手段的技術標準要求；規定防靜電用品和防靜電設備的使用以及必要的檢測方法。



ESD體系與質量管理體系

ESD體系在管理方面很大程度上是借鑒了質量管理的思想，而且在實際中，ESD體系通常是納入到質量管理體系當中進行運作的。目前歐美電子企業建立ESD體系主要依據的三大標準ANSI/ESD S20.20、IEC61340-5以及EIA625中都從不同側面體現了質量管理的思想，而其中ANSI/ESD S20.20中更是直接借鑒了ISO9000的思想，后者8個基礎思想在標準中都有所體現。ANSI/ESD S20.20認證的一個基礎條件就是企業首先要建立了質量管理體系并通過了ISO9001認證。可以講，一個成功的ESD控制體系是質量管理體系在ESD專向技術上的一個巨大提升。ESD控制水平實際上反映了電子產品生產企業的質量控制水平，國外電子企業特別是知名的跨國公司將ESD控制水平視為選擇合作伙伴的一個重要考核指標，這一點也逐步為國內成功的電子企業所采用。

ANSI/ESD S20.20認證的來源

ANSI/ESD S20.20是ESDA（美國靜電放電協會）對于電動引爆裝置以外的電子器件（包括電氣、電子元件、組件、裝置和設備）靜電防護要求的標準。該標準實際上是以上產品靜電防護的一個總體規范，它規定了靜電防護工作的管理原則、技術原則及技術要求。該標準適用于靜電敏感電壓HBM（人體帶電放電模型）100V以上電子器件的靜電防護。為配合標準的執行，除主標準外，ESDA還發布了與該標準配套的31本輔助標準和1本使用手冊。這些輔助標準及手冊給出了主標準所有技術原則和要求的實現方式及測試方法，從而形成了一個系統化的標準族群。此外，20.20標準和輔助標準又有獨立性，在不斷的發展和更新。

作為一個非盈利性的技術性組織，ESDA主要通過兩種機制促使它的標準得到了國際上普遍的認可。弟一，技術和信息上走在前列。ESDA對ESD涉及到的技術劃分了不同專向，并確定相應的小組進行技術研究和標準更新的工作，并在每年的年會上討論通過。同時，ESDA還與IEC、IEEE、JEDEC、EIA、NARTE、IDEMA、MIL、NASA等涉及靜電研究的組織建立了廣泛的聯系，保證標準適應技術發展的需要。弟二，通過會員機制提高其影響力。ESDA會員遍布世界各地，而其核心成員由知名的靜電學專家、IBM、Intel、Motorola、Lucent、Boeing、HP、Kodak、Lockheel-Martin、AMD等具有行業影響力企業的ESD負責人、核心工程師，以及ESD防護用品測試設備的知名生產商，如3M、ION、ETS、ACL、Simco、SCC等技術專家組成，這樣既吸收了學術上的濟新成果，又兼顧了技術實際應用的問題，而且標準也是核心成員的企業技術思想的體現，因而能夠很快得到具有影響力的公司的認可，繼而得到世界范圍的認可，樹立了權威性。

ANSI/ESD S20.20前身實際上是美國軍標MIL1686，而作為民用靜電防護的標準它卻已經取代了MIL1686，成為**和民用電子產品同時依照的權威性標準。這除了標準本身技術的權威性外也與其提供的認證服務機制有關。如同電子行業其它技術一樣，許多研究機構、行業組織和企業都有涉足ESD技術，因而形成了繁多的技術標準，而這些標準之間的差異和沖突又非常突出。現代電子產品的生產已經成為跨越國家和行業的國際化分工的生產，技術上沖突必然會對這種分工帶來十分不利的影響，因而整個電子行業需要有一套能夠統領全局的權威標準作為統一的尺度和規范，技術標準認證制度正好能滿足這一需求。當前許多知名跨國公司已經將ANSI/ESD S20.20標準作為其企業及合作伙伴共同遵照的ESD標準，并且開始將是否通過ANSI/ESD S20.20認證作為其供應商ESD控制水平乃至品質控制的一個硬性指標。



ESD體系對電子產品生產企業的意義

ESD體系需要的投入包含了硬件方面投入（即購買防護用品和材料）和軟件投入（管理的資源）。表面上看，這些投入勢必造成成本的上升和經濟效益的下滑，但實際上，ESD體系會帶來可觀的經濟效益，是一項投入產出比非常的投資。首先，ESD體系帶來的是**品的降低和返工維修率的降低，這無疑會帶來直接的經濟效益。其次，ESD體系帶來的是產品品質和可靠性的提高，能夠讓企業在市場上以較高的價格贏得更多客戶，創造難以估量的市場價值；再次，作為體系化工作中的制度、準則、規范、培訓、審核、技術的掌握以及能有效解決問題的團隊，除了能保障ESD工作**貫徹，ESD防護水平持續提高之外，還能避免因為過度投入、重復投入和錯誤投入所造成的損失。

ESD體系的投入讓國內很多電子產品生產企業望而卻步，ESD工作成為應付客戶檢查的表面工作，或者根本沒有ESD方面的考慮，但濟終這樣的想法讓導致的是客戶的不滿、市場競爭的落敗以及返工維修成本的損失。相反，國外成功企業在ESD上的大力投入收到的卻是可觀的經濟效益。

中國已經成為世界電子產品的生產基地，提供世界1/4以上的電子產品，我們要鞏固和提高在世界電子行業的地位就不能不認真對待ESD問題。聯想移動獲得ANSI/ESD S20.20認證是其產品品質和可靠性信心的標志，也是其建立與國際同步的ESD體系的標志。我們今天看到聯想移動所邁出的這一步應該成為國內手機行業乃至國內整個電子行業所將要邁出的一步。


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