國內外電子工業防靜電標準綜述與發展

本文簡要介紹了國內外有關電子工業防靜電標準制定的情況、特點和動態，并就此提出了進一步加強電子工業防靜電標準化工作的思路。
一、關于電子產品靜電防護 
    由于物體間的接觸分離（如摩擦、剝離、撕裂和搬運中的碰撞等）或電場感應，都會因物體之間或物體內部帶電粒子的擴散、轉移或遷移而形成物體表面電荷的積聚，即呈現帶電現象。這種現象的存在，有可能導致物體表面電荷對空氣中帶異性電荷的微粒子塵埃的吸引，造成電子敏感元器件絕緣性能的降低、結構腐蝕或破壞。當外界條件適宜時，這種積聚電荷還會產生靜電放電，使元器件局部破損或擊穿，嚴重時，還會引起火災、爆炸等。曾報道某廠在修理程控交換機上的半導體集成電路時因靜電引起爆炸事故的文章。應當指出，靜電引起電子元器件局部結構破損和性能降低，是對元器件使用壽命的一種潛在威脅，它可能比爆炸和燃燒造成的危害更有過之。因為它難于檢查，故造成事故的隨機性更大，并且易于與其他失效原因混淆而被掩蓋。
    當前，電子產品技術的發展一方面隨著高分子材料的廣泛使用，致使產品靜電現象的產生變得日益嚴重；另一方面，電子元器件日趨微小型化，使得靜電的危險性越來越大。現國外微電路的制造已普通采用了0.8～1.0μm技術，國內也已達到2～3μm水平，這種微細加工技術和產品細微結構，使其對靜電的敏感性越來越高，并且已達到不可忽視的程度。
    電子產品的靜電防護工作，具有下述明顯特點：
    1．超細、超薄的加工工藝和產品細微結構，使其對于靜電放電的敏感性明顯高于其他行業和產品，即便20V以下的靜電放電電壓也可能造成電子元器件的損害或破壞。
    2．對靜電敏感的產品，如半導體分立器件、集成電路、厚薄膜電路及電阻器、電容器、壓電晶體等，尤其是前三種電子敏感器件，它們可謂是電子設備的“心臟”。有鑒于此，對靜電危害的防護問題，幾乎涉及電子產品的各個技術領域，特別是那些要求體積小、工作頻率高、安裝密度大的電子設備更是如此。
    3．靜電防護工作是一項系統工程，它涉及敏感電子產品的制造、裝配、處理、檢查、試驗、維修、包裝、運輸、貯存、使用等各個環節，而且是一種串聯模式，任一環節上的失誤，都將導致整個防護工作的失敗；同時，它又與敏感產品所處的環境(接觸的物品、空氣氣氛、濕度、地面、工作臺、椅、加工設備、工具等)和操作人員著裝（包括穿戴的服裝、帽子、鞋抹、手套、腕帶等）有直接關系，任一方面的疏漏或失誤，都將導致靜電防護工作的失敗。
    針對上述電子產品靜電防護工作的特點能制定出與之相適應的一系列標準。比較好的選擇是采用綜合標準化方法，從靜電防護的系統要求著眼，考慮相關標準的制訂與協調工作，只有這樣，才能把各環節的方方面面的防靜電工作，全盤納入標準的規范之下成為一種有序狀態。
    美國對軍（用）電子產品的生產，自七十年代起就開始實施靜電防護控制，大致經過10年后，才正式頒發相應的標準。國際電工委員會（IEC）自八十年代初以來，陸續頒發防靜電標準。相比之下，國內防靜電標準的制訂與發布還僅僅是開始，雖具備了一定的工作基礎和條件，但與相關標準的齊套和實施尚有不小的差距。
二、IEC關于防靜電標準制訂簡況 
在IEC組織中，至少有五個技術委員會（或分技術委員會）是與防靜電技術工作有關的并制訂了部分防靜電標準或標準草案。現將這五個技術委員會標準制訂簡況介紹如下：
1． IEC／TC65工業過程測量和控制技術委員會。 
該技術委員會（TC）于1984年制訂發布了IEC801—2《工業過程測量和控制裝置的電磁兼容性  弟2部分：靜電放電要求》（已同名等效轉化為我國標準GB／T13926.2—92），1991年4月該標準進行了全套修訂，現行有效版本為弟2版。該標準規定了工業過程測量和控制裝置對因操作者觸摸這類裝置而產生靜電放電或與裝置附近的物體間產生的靜電放電的敏感性試驗的嚴酷等級和試驗方法，以此評價工業過程和測量裝置對靜電放電的敏感性。該標準弟l版中將試驗嚴酷等級劃分為1、2、3、4共四個等級，對應的試驗電壓分別為2、4、8、15kV；而弟2版則修改為五個嚴酷度等級，并按放電方式分別給出二個系列試驗電壓值，其中接觸放電的電壓相應為2、4、6、8、XkV。空間放電的電壓系列為2、4、8、15和XkV。這里的X為一開放等級，由供需雙方協商確定后寫入產品規范。IEC801—2標準還對試驗所用的靜電放電發生器（包括構成及特性）、試驗裝置配置、試驗程序和判據等做了規定（有若干部分作了修改）。此標準有較強的可實施性。中電總公司于1992年11月發布了行業軍標SJ—20154—92《信息技術設備靜電放電敏感度試驗》，系參照IEC801—2（1991年修訂版的草案）和歐洲計算機制造商協會標準ECMA TR—40《信息技術設備靜電敏感度試驗》制訂的，標準中除嚴酷度等級和對水平擂臺板間接放電次數不同外，其他技術內容與IEC801—2（弟2版）大體一致，但不等效。
2．IEC／TC77／SCB電氣設備（包括網絡）之間的電磁兼容性技術委員會／工業和其他非公用系統及其設備分技術委員會。 
按照IEC導則107《起草電磁兼容性標準出版物的指南》規定，TC77的主要任務是制訂關于發射、抗擾度及試驗方法等有廣泛使用意義的通用性基礎文件。為了提高效率，TC77不介入其他TC已成功地開展工作，或由其他TC專門負責的課題，但由這些TC制訂的文件均以適當的方式匯入TC77的工作領域中來。 
    鑒于此，由TC65制訂的IEC801—2標準將由TC77的B分技術委員會，即SC77B統一接管、組織修訂并將其轉換為新的標準IEC—2000—4—2《電磁兼容性  弟4部分：試驗和測量程序  弟2節：靜電放電和抗抗度試驗》。此標準雖早已給定編號，但目前仍為秘書處文件《77B（sec．）89》，尚在修訂之中。一旦修訂完成，IEC801—2將被廢止，由IEC1000—4—2所替代。
3．CISPR／SCG國際無線電干擾特別委員會／信息技術設備干擾特性分技術委員會。
該SC于1992年12月以CISPR／G(C．O)20號文件形式提出標準草案IEC24—2《信息技術設備(ITE)抗擾度  弟2部分：靜電放電要求》，送各國家委員會征求意見。該標準適用于信息技術設備，包括模擬傳輸、終端設備和數字設備，旨在為評估信息設技術備在受到靜電放電影響時的工作能力。建立此標準是為模擬因操作人員直接接觸設備或因靜電場感應引起與鄰近物體（或設備）之間的靜電放電。標準規定，一臺受試設備至少設6個試驗點，這意味著要經受200次放電（正負極各100次）。其中1個點要受到50次非直接接觸放電，其余3個點各經受50次（合計150次）直接接觸放電。當然，不管是前者還是后者都屬于接觸放電。對有些不可能進行接觸放電的設備。應對用戶使用時可能觸到的部位選用空間放電。該標準給出的試驗電平為：接觸放電3kV，空間放電8kV。
    此標準草案與IEC801—2基本思路相同，但在具體要求方面存在許多細節性差異（這點很重要）。在該標準的前言中說，它是在基礎標準IEC1000—4—2（目前是IEC801—2）的基礎上起草的，考慮了二者的差別，標準中給出的極限值試驗電壓是經過仔細斟酌后選出來的，并且與IEC801—2的X級相符。應當說，該標準是針對信息技術設備制訂的，對這些設備中的不同類別，規定了不同的試驗細節，所以其可實施性很強，一旦表決通過，將正式發布，并引導各國會執行。通常，國際標準的出臺周期都很長，平均90個月左右，加上本標準草案中還有某些問題尚待解決，例如對于地面設備進行非直接接觸放電試驗時垂直擂臺板的使用尚在考慮之中，另外，本標準需引用的IEc1000—4—2也尚未出臺，故預計本標準的發布尚需時日。
4．IEC／TCl5／SC15D絕緣材料技術委員會／靜電學分技術委員會。
顧名思義，該分技術委員會是專門從事絕緣材料靜電學研究的委員會。它是在1986年成立的TCl5／WG2“工業靜電學問題研究工作組”的基礎上，于1990年成立的，主席為Dr．K．Davis（英國人），秘書處設在法國，秘書由Mr．c．Mengug擔任。該SC的任務是：
    (1) 鑒別并說明靜電現象在電氣工業和非電氣工業中的利與弊，提供有關的術語，分類、方法和手段的指南，以增加工業效益相減少危害；
    (2) 規定試驗方法和相關要求，用以評定材料表面靜電荷的產生、存留和耗散，并與ISE／ISO中有關的技術委員會密切協作，提供關于產品的指南；
    (3) 根據與IEC／TC31爆炸性環境用電氣設備技術委員會協議的課題，確定在危害環境下靜電放電的后果； 
    (4) 提供模擬靜電現象和靜電放電方法的指南，不包括對靜電放電的電氣設備的功能抗擾度的試驗方法。 
    由于SCl5D成立不久，至今尚未制訂出正式標準。下列標準目前正在積極制訂中：
    1) 秘書處文件15D（sec．）3《利用直接測量靜電荷耗散率的方法測試絕緣和靜電耗散材料及其表面》。1994年3月，又發出15D（sec．）31號文件，決定調整WGl（弟1工作組），并在15D（sec．）3號文件基礎上起草標準《測定材料與表面耗散靜電荷能力的試驗方法》。
    2) 秘書處文件15D（sec．）4《摩擦靜電效應的評定》。1994年3月，又發出15D（sec．）32號文件，決定調整WG2，并在15D（sec．）4號文件基礎上起草標準《摩擦靜電特性的評定》。
    3) 秘書處文件15D（sec．）3《裝配地板和地板覆蓋層的靜電效應特性化的試驗方法》。1994年3月，又發出15D（sec．）33號文件，決定調整WG3，并在15D（sec．）13號文件基礎上起草該標準。
    4) 1994年3月，發出15D（sec．）34號文件，決定調整WG4，并在在15D（sec．）22號文件研究題目的新工作項目的建議范圍內，起草標準《用于控制靜電的材料的電阻率測量》。
    5) 1994年3月，發出15D（sec．）35號文件，組建WG5，決定在歐洲標準EN100 015及其修訂本和47（德國）794號建議（靜電敏感器件規范——機械模型試驗方法）和47（sec．）1330（敏感電子器件的防護）委員會草案基礎上，與TC47協作起草標準《抗靜電電子器件防護的通用要求》。
    現在，SCl5D的工作進展很快，活動也頻繁，例如1993年6月在德國法蘭克福召開工作會議，1994年7月又在倫敦舉行工作會議，而且議程充實，除考慮5個工作組和3個特別工作組（分別為電子學ESD模型、易燃性模型和離子發生器）的專題報告外，還要討論修改其重大決策部分和與其他委員會協作等事宜。遺憾的是，目前國內與SCl5D對口的歸口單位尚未確定，故對其工作文件缺乏有組織的研究。
    由TC15制訂的IEC1087(1991)  《評定帶電表面放電的導則》，由SCl5A制訂的IEC-93(1980)《固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻率的試驗方法》（已等效采用為GB1410—89）對材料靜電性能測試也具有指導意義。
5．IEC／TC47半導體器件技術委員會。
從靜電防護角度來說，該TC所負責的技術領域內產品的一部分——靜電敏感半導體分立器件和集成電路——屬于靜電防護的重點對象。因此，該TC早就對防護靜電標準予以關注。1982年，發布了IECl47—OF正式標準，是對IECl47-0《半導體器件基本額定值和特性及測試方法的基本原理  弟0部分：總則和術語》（1966）的弟6次補充，規定了防靜電要求和符號標記。
1983年，TC47對其已發布的標準重新作了整頓修訂，IEC147-0及其歷次補充后由統一的版本IEC741-1《半導體器件——分立器件和集成電路  弟1部分：總則》所代替。可惜的是，此份基礎性的標準發布已10年有余，終因國內各有關方面協調工作銜接欠妥，至今尚未轉化為國內標準。
近些年來，TC67相繼有的靜電標準文件出臺，現介紹2份主要標準：
1) 47(c．o)1246號文件《靜電敏感器件  對短時電壓脈沖敏感的電子器件的試驗方法》，于1992年4月被各國家委員會表決通過后，已于1993年10月作為IEC747—1(1983)的弟2次補充標準正式出版成為其弟9章弟3條。
此試驗方法適用于MOS器件和微波半導體器件，旨在確定器件的內防護適應性，以利于指導設計。為了模擬器件因日常操作引起的靜電放電危害，標準中給出了兩個試驗電壓，高壓為2000V，目的是確定器件是否達到需要特殊的操作預防措施并使用規定的標記和符號的程度，低壓為500V，目的是確定器件內部防護能否滿意地經受住即或采取特殊的操作預防措施后仍存在的靜電放電水平。當然，允許具體型號的器件使用不同于上述規定的試驗電壓電平。試驗原理電路見圖1。
    上述電路與整機靜電放電試驗電路原理相同，但電路元件數值不同。增加了開關S2，其作用是確保被試器件在裝卸時的可靠。
2) TC47(c．o)1330《靜電敏感器件的防護》，于1993年6月出臺，送各國家委員會進行評論。
本標準旨在幫助敏感器件的使用者掌握靜電防護的要領，包括操作、標識、責任、培訓和檢查等各個方面，以建立可靠的靜電防護控制系統；同時，它還提供設計、材料選擇、工作區、各種器具、地面、服裝等工作或性能方面的要求及包裝、檢查、試驗等的程序和方法。
    這份標準，內容較充實，系統性強，涉及到敏感器件靜電防護問題的方方面面，尤其對靜電防護區的工作要求規定嚴密而細致，并附有示意圖，這對需要建立靜電防護場所的局部環境很有現實指導意義。
    當然，按照IEC文件的形成過程，它還處在CD文件（ 委員會草案） 階段，正式發布還需時日，但并不因此而降低其指導意義，對它的及時轉化很有必要，否則等到正式標準出臺后再行轉化采用，可能影響工作。
三、MIL防靜電標準制訂簡況 
    本文部分已經提到，美國軍（用）電子產品防靜電控制工作始于七十年代初期，積數年經驗后于1980年發布丁DoD—STD—1686《電氣和電子零件、組件與設備（電氣觸發引爆裝置除外）的靜電放電防護控制大綱》，1988年修訂為MIL—STD—1686A（已等效轉化為我國軍（用）標準，GJB1649-93，1992年又修訂為1686B）。該標準涉及對易遭靜電損害的電氣電子零件在設計、試驗、檢查、維修、制造、加工、裝配、安裝、包裝、貯存等各個環節在制訂和實施靜電放電控制的的要求，及對執行這些要求的情況進行檢查和評審。本標準適用于靜電敏感電壓小于16000V的三類電子產品； I類為0～1999V；Ⅱ類為2000～3999V；Ⅲ類為4000～15999V。在標準附錄中給出了通過試驗確定產品敏感類別的準則和程序。
    為了實施此項控制大綱標準，國防部于此標準發布的同時，即1980年5月2日又配套發布了DoD—HDBK—263《電氣和電子零件、組件與設備（電氣觸發引爆裝置除外）的靜電放電防護控制手冊》（尚未轉化為我國標準），它為制訂、實施和監督靜電放電控制計劃提供指南，重點包括鑒別電氣和電子零件、組件與設備上靜電放電的起因及后果；靜電放電的控制的預防措施對靜電放電防護材料和設備的選擇與應用考慮；靜電放電防護工作區相接地工作臺的設計與構造；靜電敏感產品的操作、處理、包裝和標志；人員培訓計劃的制定；靜電放電防護工作區及接地工作臺的鑒定等。該手冊標準于1991年2月進行了修訂，現行有效版本為MIL—HDDK—263A。
    手冊的特點是指南性質，所提供的數據、資料詳細，可操作性強。例如該標準對于靜電起因、摩擦起電系列、靜電敏感產品的失效類型和失效機理與特征等，都有詳細的描述；在靜電放電試驗方面，它認為操作者的人體本身是損壞敏感產品的主要靜電放電源，故而提出了人體放電模型的概念，建立了人體放電模擬電路，并依據大量試驗統計數據，確定模擬電路中使用的模擬人體電容為100pF，模擬人體電阻為1500Ω，并對此給予了必要的理論論證，認為這是一個合理的、標準化的試驗電路。
    總之，MIL—HDBK—263A提供了實施MIL—STD—1686A所必需的各種信息與數據。
    隨著高分子材料的發展，新型包裝材料的應用和經驗的積累，以及產品的微小型化趨勢，包裝對靜電敏感產品的影響愈加顯著。美國國防部于1990年5月發布了MIL－HDBK—773《靜電放電防護包裝》軍標手冊。該項標準是產品在包裝、運輸、貯存和裝配加工過程中，從產品傳遞的角度來考慮靜電敏感產品的防護問題。事實上，它也是與MIL—STD—1686A配套使用的一項標準，只不過側重在為包裝運輸方面提供所必需的資料和數據。同時它還為有關防靜電包裝材料的使用提供了具體的指南，因而可操作性極強。
    除上述三項標準外，在MIL標準體系內還有許多材料方面的規范和測試方法標準，在此不再一一贅述。
四、國內防靜電標準制訂簡況 
    近幾年來，電子產品防靜電標準工作已有一定的進展。航天系統、電子產品工藝標委會、無線電干擾標委會都相繼組織人員制定標準。現已發布的標準有：GB12059-89《電子工業用合成纖維防靜電網性能及試驗方法》、GB／T13926.2—92《工業過程測量和控制裝置的電磁兼容性  靜電放電要求》，SJ20154-92《信息技術設備靜電放電敏感度試驗》、QJ1875—90《靜電測試方法》、QJ1693—89《電子元器件防靜電要求》、QJ1950-90《防靜電操作系統技術要求》等。正在制訂的標準備電子元器件制造防靜電技術要求、電子設備制造防靜電技術要求、新型防靜電裝飾板、集成電路防靜電保護劑規范、柔軟性防靜電可熱封阻隔材料等。從總體上看，這些標準項目尚缺乏統一的規劃與安排，因而系統性不強。
五、關于電子產品防靜電標準化工作發展的思塔 
    本文部分已經談到，系統性是電子產品靜電防護工作的一大特點，鑒于此，靜電防護工作應從系統的總體入手，研究其標準綜合體的組成和各項標準適用范圍的界面及其內在聯系。采用先進的標準化工作的組織方式，也就是用綜合標準化方法來處理防靜電標準化問題，是當前首要解決的問題。這不妨從以下幾方面開拓思路：
    1．消化吸收國際和國外標準。 
國內防靜電標準化工作的開展還遠遠趕不上工業發達國家，許多問題尚未被認識，所以，消化吸收國際和國外先進標準是提高我國標準水平的捷徑。凡國內適用的標準應予以安排轉化，轉化本身是一個深入分析、對照和研究的過程，對于國外同樣標準中不一致的條款，如關于“抗靜電材料”的定義，IEC801-2規定為表面電阻率為105～1011歐姆每方；DoD—HDBK－263的規定是把材料分為“靜電耗散材料”（表面電阻率為105～109。歐姆每方）和“抗靜電材料”(表面電阻率為109～1014歐姆每方)；IEC／TC47(c．o)1330則規定“抗靜電材料”屬于不能按電阻率分類的材料，只能定性為“當相對摩擦或從相同的或其他類似的材料分離時，呈現少電荷生成特性的材料”，我們應當通過分析研究選用，而不宜盲目套用。其他類似問題亦如是。
    2．實施一體兩類的標準制式。 
電子產品防靜電標準化工作應作為一個完整的體系去對待，綜合地考慮各方面、各環節的標準化需求，在考慮其標準綜合體選擇、配置標準時，凡可軍民共用的標準，例如術語標準和一些材料方面的標準，只制定一種標準，或民標或軍標，以減少重復。另外，鑒于關貿總協定復關在即，民標要靠向IEC，以利產品出口。這樣，從標準結構安排、防靜電警告符號、技術內容、技術水平等都力求與IEC保持一致。然而，MIL標準的權威性已為各國公認，并且事實上已是國際間軍貿或軍（工）技術協作合同的依據，所以軍標從結構設置到警告符號同樣需要與MIL標準一致。于是，出現了兩類不同的標準合編，形成了一體兩類的標準制式。至于防靜電標準，IEC標準是所有的內容歸于一個標準之中；而MIL標準則是將要求性規定與資料性手冊分開，按兩個標準的形式出現。因而為了與國際和國外先進標準相對接，一體兩類制式標準是必要的。