淺談ESD 對(duì)汽車制造企業(yè)的影響與防護(hù)措施

曾凱凱， 曹 瑩， 王道旺， 王 偉， 王振旭

（1.一汽-大眾汽車有限公司天津分公司， 天津 300143； 2.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064； 3.一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司， 廣東 佛山 528200；4.天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 天津 300143）

ESD （Electrostatic Discharge， 靜電放電） 指兩種帶有相反極性的電荷中和的過程， 可以通過直接接觸或者靜電場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)。 簡(jiǎn)而言之， 就是在兩個(gè)物體之間對(duì)不同的電勢(shì)進(jìn)行突然性的平衡， 與之相關(guān)的還有ESDS和EPA。 ESDS（Electrostatic Discharge Sensitive Devices， 靜電放電敏感器件） 是指對(duì)于靜電放電敏感的部件， 其包括電氣/電子系統(tǒng)的單個(gè)電子元件、 所有類型的電氣總成和組件。 EPA（ESD Protected Area， 靜電放電保護(hù)區(qū)） 可能是一個(gè)工位、一個(gè)房間或者一整個(gè)建筑。 隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展， 整車電器功能越來越復(fù)雜， 汽車電器元件的種類和數(shù)量都在不斷增加。 這些增加的電器功能給用戶提供了舒適的駕駛環(huán)境， 但同時(shí)也增加了整車電器故障的風(fēng)險(xiǎn)。 據(jù)多家汽車制造主機(jī)廠統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)， 汽車生產(chǎn)制造過程和售后反饋的電器故障中， 因ESD靜電放電造成的電器故障率一直占一定比例， 且近年來有明顯上升的趨勢(shì)， 國際上對(duì)靜電放電造成的損失進(jìn)行研究， 靜電放電造成的損壞占所有電器元件損壞的30%。

1 靜電的產(chǎn)生

一般來說， 物體表面帶電原因有摩擦起電、 傳導(dǎo)起電和感應(yīng)起電3種。

摩擦起電是指兩種材料接觸或者互相摩擦后然后分開，會(huì)發(fā)生載流子轉(zhuǎn)移或偏移的現(xiàn)象。 例如， 在不導(dǎo)電的地板上行走就會(huì)產(chǎn)生電荷， 這一過程叫摩擦起電。 電量大小取決于材料類型、 摩擦力、 分離過程和空氣濕度。 比如， 在汽車生產(chǎn)過程中， 裝配員工在地板上行走， 人體的皮膚，頭發(fā)和衣服能迅速積累和保持很高的電壓， 將使人體帶電。此時(shí)接觸零件， 這些帶電能快速傳給電子元件和總成， 產(chǎn)生靜電放電。

傳導(dǎo)起電是指當(dāng)一個(gè)帶電體與一個(gè)非帶電體接觸時(shí)，電荷將重新分配， 即發(fā)生電荷遷移而使非帶電體帶電。 比如， 雙手觸碰靜電產(chǎn)生器， 電荷傳導(dǎo)到人體， 使每一根頭發(fā)都帶上了同一種電荷， 然后頭發(fā)相互排斥， 如圖1所示。

圖1 雙手觸碰靜電產(chǎn)生器后的現(xiàn)象

感應(yīng)起電是指在靜電場(chǎng)的作用下， 發(fā)生電荷再分布的現(xiàn)象。 比如， 當(dāng)帶正電的物體靠近電中性的金屬體時(shí)， 金屬體靠近物體的一端會(huì)帶上負(fù)電， 遠(yuǎn)離物體的一端會(huì)帶上正電。

靜電放電的產(chǎn)生是通過直接接觸或通過靜電場(chǎng)感應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電荷在不同靜電電勢(shì)的物體之間發(fā)生轉(zhuǎn)移， 以達(dá)到中和。 人的身體上的衣物等相互摩擦產(chǎn)生靜電， 在摩擦物絕緣性能比較好的情況下， 這些電荷無法流失， 就會(huì)聚集起來， 當(dāng)人體與其他物體直接接觸或者在靜電場(chǎng)的作用下電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移， 人們稱這些突然的電流為靜電放電。 國際上研究表明， 靜電放電通常是由于人造成的。

2 ESD靜電放電形式

工作中的ESD靜電放電有兩種常見形式： 一是身體帶電， 即人在地板上行走， 使人體帶電， 皮膚、 頭發(fā)和衣服能積累和保持很高的電壓， 此時(shí)接觸零件， 這些電荷快速傳給電子元件和總成， 產(chǎn)生靜電放電， 身體帶電造成的靜電放電如圖2所示。 二是零件帶電， 即缺少防護(hù)的零部件在靠近帶電材料的時(shí)候， 可能已經(jīng)被感應(yīng)帶電了， 這樣的零部件通過手的觸碰， 將突然放電， 零件帶電造成的靜電放電如圖3所示。

圖2 身體帶電造成的靜電放電

圖3 零件帶電造成的靜電放電

3 汽車生產(chǎn)制造過程中ESD的危害

ESD防護(hù)的必要性有兩點(diǎn)： 一是ESD損壞不易被發(fā)現(xiàn)，二是電子零件發(fā)展趨勢(shì)。

3.1 ESD損壞不易被發(fā)現(xiàn)

ESDS會(huì)由于ESD而被破壞或預(yù)損壞， 受到預(yù)損壞的零件沒有立刻出現(xiàn)故障， 只是性能或可靠性下降， 可能在很久后才表現(xiàn)出故障。 一方面， 缺陷已經(jīng)流出， 造成后續(xù)抱怨； 另一方面， 缺陷分析時(shí)難以確定ESD損傷發(fā)生的時(shí)間。 電器元件內(nèi)部ESD 損壞如圖4所示。

圖4 電器元件內(nèi)部ESD損壞

電器元件從制造出來到裝配在車身過程 中， 眾 多ESD 防 護(hù)環(huán)節(jié)中稍有不慎， 輕則會(huì)造成車輛控制器失靈、 失效， 廢品率提升， 增加汽車制造企業(yè)零件成本；重則用戶在行駛中整車拋錨， 造成交通事故， 從而車輛批量召回， 直接影響企業(yè)聲譽(yù)與口碑。 ESD防護(hù)所涉及到的汽車制造過程鏈如圖5所示。

圖5 ESD防護(hù)所涉及到的汽車制造過程鏈

3.2 電子零件發(fā)展趨勢(shì)

試驗(yàn)表明， 器件越大電容也越大， 可以容納每伏更多的電荷， 所以與比較小的器件相比對(duì)ESD的敏感性更低。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展， 現(xiàn)代汽車中的電氣功能越來越多， 電子零件數(shù)量隨之增加， 電子零件集成度越來越高，尺寸越來越小， 對(duì)ESD防護(hù)能力隨之下降。 除此之外， 現(xiàn)在的零件在無意過程中可以帶很高的電壓， 甚至可以高于10kV。 零件的敏感度在進(jìn)化的過程中會(huì)進(jìn)一步提高， 當(dāng)電壓達(dá)到100V時(shí)已經(jīng)有危險(xiǎn)。

4 汽車制造企業(yè)ESD防護(hù)措施

電器元件從制造出來到裝配在車身上， 中間要經(jīng)歷電器元件包裝、 運(yùn)輸、 電器元件入庫、 電器元件分裝及零件分揀、 供給送線、 裝配、 返修等過程， 繁雜的過程增加了汽車制造企業(yè)ESD防護(hù)的難度。

4.1 ESD防護(hù)的原理

一是防止靜電荷產(chǎn)生， 例如： 將相對(duì)濕度控制到50%~60%， 充電電壓與濕度的關(guān)系如圖6所示。 從圖6中可以看出空氣濕度低于40%及20%時(shí)， 充電電壓迅速增加。 或者相互摩擦的表面采用摩擦起電序列中相近的材料。 二是能以可控的方式耗散已經(jīng)產(chǎn)生的靜電荷。 如果把人體、 零件、 器具通過某些方式接地， 將它們所帶電荷及時(shí)導(dǎo)出到大地中， 也不會(huì)發(fā)生ESD損害。 在此 過程中， 注意電荷不能在絕緣體內(nèi)移動(dòng)， 所以帶電的絕緣體不能通過接地來將電荷導(dǎo)走。 電荷導(dǎo)出不能太快， 否則仍可能會(huì)對(duì)人體或零件造成威脅，接地電阻達(dá)到MΩ級(jí)比較安全。

圖6 充電電壓與濕度的關(guān)系圖

4.2 ESD防護(hù)的具體要求

4.2.1 地面、 鞋和人體系統(tǒng)

防靜電鞋要能保證腳到地面的導(dǎo)電能力， 防靜電鞋接地 電 阻 要 求R≤1×10Ω。 地 面： 混 凝土地面本身是可以導(dǎo)電的， 但一般在上面覆蓋的涂層/地板是絕緣的， 這樣地面就不能導(dǎo)電了， 地面的要求 如 圖7 所 示。 而 防靜電的地面采用導(dǎo)電或耗散的表面材料，并通過導(dǎo)電的粘接劑固定在混凝土地面上， 即地面表面接地了。 人體： 人體本身就是導(dǎo)體， 所以穿著防靜電鞋在防靜電地面上活動(dòng)時(shí)， 即使人體帶有電荷，也可以隨時(shí)導(dǎo)出到大地中。

圖7 地面的要求

4.2.2 防靜電工作臺(tái)

工作臺(tái)可以通過鋪設(shè)接地的防靜電墊子達(dá)到要求。 防靜電墊子由表面的靜電耗散層和底面的導(dǎo)電層構(gòu)成， 底面再通過導(dǎo)線接地。 這樣， 桌面本身的靜電以及放在上面的導(dǎo)體的靜電都可以傳導(dǎo)到大地中， 防靜電工作臺(tái)的具體要求如圖8所示。

圖8 防靜電工作臺(tái)的具體要求

4.2.3 防靜電料架、 轉(zhuǎn)運(yùn)車

很多托盤、 運(yùn)輸小車和貨架都用金屬制作， 金屬本身是導(dǎo)電的， 但如果表面涂漆， 或是使用了絕緣的輪子， 電荷就不能導(dǎo)到大地中了。 在地板接地的前提下， 料架、 轉(zhuǎn)運(yùn)車輪子如果不是導(dǎo)電材料的， 搭鐵線與拖地的鐵鏈也是允許的。

4.2.4 電離

在部分生產(chǎn)步驟中， 例如預(yù)裝、 材料準(zhǔn)備等， 出于流程技術(shù)的原因無法舍棄使用絕緣、 高帶電可能性的材料（裝配工裝、 運(yùn)行材料等）。 絕緣材料帶電即使接地也無法消除。 電荷通過絕緣體無法導(dǎo)出， 將一直保留。 中和絕緣材料電荷的唯一方式是采用電離器， 電離器會(huì)將兩極的帶電粒子 “吹” 到材料上， 同性的電荷會(huì)受到帶電材料的排斥， 帶電粒子被吸引并中和已帶電的表面， 電離過程如圖9所示。

圖9 電離過程

4.2.5 防靜電包裝

采用導(dǎo)電材料和耗散材料制造的防靜電包裝， 包裝或零件所帶的電荷可以通過貨架、 托盤等導(dǎo)出， 防靜電包裝材質(zhì)要求如下所示， 防靜電包裝如圖10所示。

圖10 防靜電包裝

1） 導(dǎo)電材料： 表面或內(nèi)部導(dǎo)電的材料 （表面電阻： 1×10Ω≤R＜1×10Ω）。

2） 絕緣材料： 電荷不能在表面或內(nèi)部移動(dòng) （表面電阻： R≥1×10Ω）。

3） 耗散材料： 導(dǎo)電能力介乎于導(dǎo)電材料與絕緣材料之間， 能快速耗散電荷 （表面電阻：1×10Ω≤R＜1×10Ω）。

4） 防靜電的轉(zhuǎn)運(yùn)包裝： 表面電阻R≤1×10Ω。

5） 抗靜電材料： 不容易產(chǎn)生或積累電荷， 表面電阻可能比耗散材料大， 不能耗散電荷。

6） 接地、 可導(dǎo)電的工作臺(tái)／工作椅／貨架／轉(zhuǎn)運(yùn)料斗／轉(zhuǎn)運(yùn)車： 接地電阻R≤1×10Ω。

4.2.6 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人員操作要求

在汽車制造企業(yè)總裝車間電器元件裝配區(qū)域需要設(shè)置表明存在EPA的警示標(biāo)識(shí)， 使人員在進(jìn)入EPA之前能夠很好地觀察到。 此區(qū)域員工工作時(shí)需穿著防靜電工作服、 手套，防靜電工作服、 手套通常純棉材質(zhì)可以滿足防靜電要求。員工在拿取ESD零件之前， 需要通過手觸摸防靜電料架鐵質(zhì)部分或者車身鐵質(zhì)部分來釋放靜電。

4.2.7 靜電放電保護(hù)區(qū)要求 （EPA）

1） 要區(qū)分靜電放電保護(hù)區(qū)（EPA） 和非保護(hù)區(qū)（UPA）。

2） 靜電放電保護(hù)區(qū)可以由工作場(chǎng)地、 一個(gè)房間或整個(gè)建筑組成。

3） 靜電放電保護(hù)區(qū)邊界必須做標(biāo)記， 僅允許經(jīng)培訓(xùn)和指導(dǎo)的訪問者進(jìn)入。

4） 靜電敏感元件 （ESDS） 僅允許經(jīng)培訓(xùn)人員操作。

5） 靜電敏感元件的包裝規(guī)定在靜電放電保護(hù)區(qū)內(nèi)外必須無條件遵守。

6） 只有過程強(qiáng)制的絕緣體才允許在靜電放電保護(hù)區(qū)場(chǎng)地使用， 并且靜電場(chǎng)不得超過100V/cm。

7） 當(dāng)靜電場(chǎng)超過100V/cm， 絕緣體必須挪出保護(hù)區(qū)，直到測(cè)量值小于100V/cm為止。

8） 當(dāng)表面靜電勢(shì)能高于2000V， 此物體必須挪到離靜電敏感元件30cm以外 （顯示器、 電腦、 絕緣體等）。

5 小結(jié)

電器元件ESD防護(hù)工作貫穿汽車制造企業(yè)生產(chǎn)的諸多過程， ESD防護(hù)工作不僅需要科學(xué)規(guī)范的制度及流程， 而且需要企業(yè)技術(shù)管理人員的重視。 本文所講述的ESD防護(hù)內(nèi)容僅供參考， 汽車制造企業(yè)除了要形成一整套全面系統(tǒng)的ESD防護(hù)措施和要求， 成立由質(zhì)保、 產(chǎn)品、 采購、 規(guī)劃、物流、 車間共同參與的公司級(jí)ESD優(yōu)化小組， 根據(jù)電器元件故障、 索賠信息， 確定零件靜電防護(hù)優(yōu)先級(jí)， 并逐步推動(dòng)實(shí)施， 定期對(duì)供應(yīng)商和整車廠的生產(chǎn)/物流環(huán)節(jié)做ESD專項(xiàng)審核， 不斷優(yōu)化促進(jìn)靜電防護(hù)方面存在問題， 并持之以恒強(qiáng)有力地執(zhí)行下去， 才能有效地減少電器元件因靜電放電造成的損壞率。