PCBA廠商經(jīng)常要做一些工裝夾具以提高生產(chǎn)效率，但制作時(shí)往往過多考慮使用的方便而忽視了靜電防護(hù)問題。工裝夾具的靜電防護(hù)并不僅僅是接地或操作員戴防靜電手帶那么簡(jiǎn)單，它還要涉及部件、材料及安裝方式等多個(gè)方面。本文以自動(dòng)組裝設(shè)備為例進(jìn)行說明，介紹了一些設(shè)備裝配中應(yīng)采取的防靜電措施。
靜電放電(ESD)多年來一直是印制線路板裝配一個(gè)重點(diǎn)研究問題，然而這方面的進(jìn)展目前卻跟不上固體器件和自動(dòng)化PCB裝配設(shè)備發(fā)展的步伐。傳統(tǒng)的ESD控制不是很完善，如今很多PCB裝配設(shè)備每小時(shí)可貼放4,000～20,000個(gè)元件，設(shè)計(jì)時(shí)如果考慮不當(dāng)，自動(dòng)設(shè)備將會(huì)產(chǎn)生大量的靜電而在短時(shí)間內(nèi)對(duì)多個(gè)器件造成損傷。材料、緊固件、安裝方法和可靠接地技術(shù)的選擇對(duì)控制ESD影響非常重要，本文將討論ESD是怎么產(chǎn)生的，它的存在所造成的危害，以及在裝配工藝中減少ESD危害的方法。
什么是ESD？
簡(jiǎn)言之，ESD就是電荷的快速中和，電子工業(yè)每年花在這上面的費(fèi)用有數(shù)十億美元之多。我們知道所有的物質(zhì)都由原子構(gòu)成，原子中有電子和質(zhì)子。當(dāng)物質(zhì)獲得或失去電子時(shí)，它將失去電平衡而變成帶負(fù)電或正電，正電荷或負(fù)電荷在材料表面上積累就會(huì)使物體帶上靜電。電荷積累通常因材料互相接觸分離而產(chǎn)生，也可由摩擦引起，稱為摩擦起電。
有許多因素會(huì)影響電荷的積累，包括接觸壓力、摩擦系數(shù)和分離速度等。靜電電荷會(huì)不斷積累，直到造成電荷產(chǎn)生的作用停止、電荷被泄放或者達(dá)到足夠的強(qiáng)度可以擊穿周圍物質(zhì)為止。電介質(zhì)被擊穿后，靜電電荷會(huì)很快得到平衡，這種電荷的快速中和就稱為靜電放電。由于在很小的電阻上快速泄放電壓，泄放電流會(huì)很大，可能超過20安培，如果這種放電通過集成電路或其他靜電敏感元件進(jìn)行，這么大的電流將對(duì)設(shè)計(jì)為僅導(dǎo)通微安或毫安級(jí)電流的電路造成嚴(yán)重?fù)p害。
有多種模型可以用來表述器件如何受到損害，如人體模型(HBM)、機(jī)器模型(MM)、帶電器件模型(CDM)以及電場(chǎng)對(duì)器件的影響等。對(duì)于PCBA加工設(shè)備而言，主要考慮后三種損壞模型(模式)，我們?cè)谙旅娣謩e進(jìn)行討論。
機(jī)器模型/模式 PCBA加工設(shè)備使用導(dǎo)軌、傳動(dòng)帶、滑道、元件運(yùn)送器和其他裝置來移動(dòng)器件使之按工藝要求的方向運(yùn)動(dòng)，如果設(shè)備設(shè)計(jì)不當(dāng)，傳動(dòng)帶和運(yùn)送系統(tǒng)上可能會(huì)積累大量電荷，這些電荷將在工藝過程中通過器件泄放。設(shè)備部件通過器件放電就稱為機(jī)器模型/模式。
帶電器件模型/模式 如果一個(gè)器件因某種原因累積了電荷并與一個(gè)帶電少的表面相接觸，電荷就會(huì)通過器件上的導(dǎo)電部分泄放。當(dāng)器件向其他材料放電時(shí)，就稱為帶電器件模式，用帶電器件模型表示。
電場(chǎng)影響 電場(chǎng)感應(yīng)會(huì)在IC阻性線路間產(chǎn)生電位差，引起絕緣體介質(zhì)擊穿。造成失效的另一個(gè)原因是器件上的電荷在電場(chǎng)中會(huì)被極化，從而產(chǎn)生電位差并向異性電荷放電，形成雙重放電或中和。在ESD控制中使用了具有不同電阻特性的材料，這些材料用在PCBA裝配設(shè)備中可以獲得理想的效果。描述材料電阻特性通常用表面電阻率或體電阻率。
常見概念及應(yīng)用
表面電阻率 簡(jiǎn)單地說表面電阻率就是同一表面上兩電極之間所測(cè)得的電阻值，將電極形狀和電阻值結(jié)合在一起通過計(jì)算可得到單位面積的電阻值。現(xiàn)在市面上可以買得到讀數(shù)為單位面積電阻值的測(cè)量?jī)x。
體電阻率 體電阻率是通過材料厚度的電阻值，單位是Ω·cm。
導(dǎo)電材料 導(dǎo)電材料指表面電阻率和體電阻率分別小于106Ω和106Ω·cm的材料。
耗散材料 耗散材料指表面電阻率和體電阻率分別小于1012Ω或1012Ω·cm的材料。
防靜電材料 “防靜電”指的是能夠抑制電荷累積，可以在材料制造過程中添加或者局部加入某種物質(zhì)得到這種特性。防靜電材料無需用表面或體電阻率表示。
導(dǎo)電添加劑和薄膜 如果由于成本或者其他設(shè)計(jì)上的原因只能使用塑料材料或復(fù)合材料時(shí)，可以使用添加劑改善靜電特性，將添加劑混入塑料材料中，根據(jù)添加劑和樹脂百分比不同可獲得所需的導(dǎo)電性或耗散性。
在樹脂中加入纖維可以使之獲得導(dǎo)電性或耗散性并增強(qiáng)強(qiáng)度，這種纖維可能本身就有導(dǎo)電性或者采用了表面電鍍工藝。雖然添加纖維可得到這些好處，但它也改變了收縮率和韌性。填充劑可以提供導(dǎo)電性和耗散性，增加強(qiáng)度，但常常會(huì)降低基體樹脂的硬度。
傳送帶 傳送帶用來輸送元件、PCB和其他器件，材料一般為塑料、纖維制品或橡膠。如果傳送帶要接收從機(jī)器其他部分傳來的器件，那么它應(yīng)該采用耗散性材料。當(dāng)傳動(dòng)帶表面電阻率為1～106Ω時(shí)，它會(huì)使帶電器件放電速度太快，對(duì)器件造成損害；當(dāng)表面電阻在106～109Ω時(shí)，只要傳送帶通過轉(zhuǎn)輪滑輪和機(jī)架良好接地，傳送帶上就不會(huì)帶電。
另一個(gè)要考慮的問題是傳送帶速度。如果傳送帶運(yùn)動(dòng)速度太快，器件放到傳送帶上時(shí)就可能會(huì)滑動(dòng)(或者器件保持不動(dòng)而傳送帶繼續(xù)在動(dòng))，這時(shí)就會(huì)形成摩擦生電，傳送帶如果接地能使電荷耗散掉，但是器件或PC板仍帶有電荷而會(huì)造成危害。
導(dǎo)向裝置和導(dǎo)軌 導(dǎo)向裝置和導(dǎo)軌用來提供通道或者使器件放于一個(gè)固定的位置或保持一定的方向性，采用的材料應(yīng)能使電荷耗散掉并且防止器件摩擦生電。表面電阻率為106Ω的材料具有良好耗散性而且不會(huì)損傷器件，如果送入的器件處于無靜電狀態(tài)，也可以使用導(dǎo)電性材料(表面電阻率低于106Ω)。
其它考慮因素
不要使用經(jīng)過陽極氧化處理的鋁，因?yàn)殛枠O氧化層是絕緣的，會(huì)使器件摩擦起電的情況變得非常嚴(yán)重，非電解鎳、氮化鈦或者鍍鋅件都能防止器件摩擦起電。導(dǎo)向裝置和導(dǎo)軌應(yīng)使IC保持一定的方向，舉例來說，假如IC引線向上放在傳送帶上，此時(shí)它會(huì)積累一些電荷，如果在下一道工序中再將它反過來，位置的變動(dòng)將改變器件的電容量，要是電荷量足夠大，電容變化就會(huì)引起器件放電。
用塑料和其他合成物做成的托盤表面電阻率應(yīng)小于109Ω或體電阻率小于109Ω·cm，這樣產(chǎn)生的電荷將會(huì)耗散掉，只要平臺(tái)或壓板部件接地良好就能防止電荷積聚。如果帶電器件落到導(dǎo)電的表面、在其上滑動(dòng)或是就放在上面，帶電器件都會(huì)向該表面泄放電荷，這也是帶電器件失效模式的一種情況。
當(dāng)機(jī)器蓋板比較接近線路板或元件時(shí)(小于60cm)，也應(yīng)使用耗散性材料。如果是塑料透明蓋板，則使用耗散性透明材料，如果是噴漆蓋板則應(yīng)用導(dǎo)電或耗散性油漆，防止因摩擦生電而形成強(qiáng)電場(chǎng)。
器件夾和吸嘴應(yīng)用耗散材料制造(表面電阻率在106～109Ω之間)并且接地良好，否則會(huì)形成帶電器件模式或機(jī)器失效模式。
在有些要求電壓電平低于50V的場(chǎng)合，組件所用材料的表面電阻率應(yīng)小于106Ω，大于103Ω，但是進(jìn)入生產(chǎn)線的器件不能帶有很高的電荷，否則會(huì)受到損害。
黑色氧化和陽極氧化之類的覆層會(huì)使金屬表面成為絕緣體，而鍍鋅層和非電解鉻酸鎳則使表面電阻率呈現(xiàn)很好的導(dǎo)電性，并且還有抗腐蝕和裝飾性作用。
在運(yùn)送ESD敏感器件時(shí)，自然狀態(tài)下的酚醛、迭爾林(黑色或白色)、尼龍、Ultem和UHMW材料不能用作通路、導(dǎo)軌或者傳動(dòng)帶軌道。表2簡(jiǎn)單列出了一些與器件很接近時(shí)不能使用的高電阻率覆層和可以使用的低電阻率覆層。
設(shè)備接地
累積的電荷必須通過接地使之泄放掉。導(dǎo)體在隔離狀況下會(huì)累積電荷，導(dǎo)電的傳動(dòng)帶如果沒有良好的接地通路使電荷耗散，電荷也會(huì)累積起來，此外如果鉸鏈接地不好使用耗散材料的塑料蓋板也會(huì)積累電荷。
導(dǎo)電或耗散材料制作的傳動(dòng)帶可以通過直接接地的滾輪、惰輪和導(dǎo)向器接地。要著重說明的是，對(duì)于表面電阻率低而體電阻率高的傳送帶，它的兩個(gè)表面都需要接地；而如果傳送帶體電阻率很低就只需一個(gè)表面接地，此時(shí)它的兩個(gè)表面都能夠向地泄放電荷。
機(jī)械組件的配接面應(yīng)該本身就能導(dǎo)電或者有電鍍層，如果設(shè)計(jì)不允許用導(dǎo)電覆層，則配接雙方都應(yīng)該安裝編織的接地帶。在將選配件等組件安裝到機(jī)器主體上時(shí)，接地對(duì)于整個(gè)機(jī)器保持等電勢(shì)至關(guān)重要，如果機(jī)器主機(jī)架不能使用機(jī)械連接接地，可以使用編織接地帶。
安全地線不能用來替代接地帶，編織接地帶具有更大的表面積，允許較大的電荷耗散，并且編織形狀還能減弱電場(chǎng)。
滾珠導(dǎo)軌和一些滾珠軸承可能會(huì)起到隔離的作用，因而需要用接地帶提供接地連接。另外鉸鏈會(huì)因受到腐蝕而變成隔離體，或者成為對(duì)地通路上的一個(gè)大電阻，因此用鉸鏈連接在機(jī)架上的耗散材料蓋板也需要用編織接地帶繞過鉸鏈接地。
安裝方式
如果把軸承壓入一個(gè)經(jīng)陽極氧化處理的孔中，接地不會(huì)很好，孔的表面應(yīng)是裸金屬或者是碎的陽極氧化覆層。干凈的滾柱軸承或橫向滾柱滑道在較少負(fù)載情況下，即使使用輕潤(rùn)滑劑也能提供良好接地。接近器件通路的噴漆或陽極氧化面板應(yīng)使用星形內(nèi)齒墊圈和鍍鋅螺釘，以提供面板間的導(dǎo)通性。
塑料蓋板裝在機(jī)架上時(shí)一般兩者之間都有橡膠襯墊，裝上時(shí)襯墊會(huì)受到一點(diǎn)壓縮。如果使用耗散材料塑料蓋板，則需要將其與機(jī)架連通，可以使用耗散橡膠襯墊或鍍鋅螺釘、接地條、銅夾等將塑料面板與機(jī)架相連。
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