航天产品静电防护管理与过程控制

王斌

（北京空间机电研究所，北京 100094）

0 引言

航天产品经济价值高，必须满足高可靠、长寿命的质量（quality，全文同）要求[1]。航天工程是一个庞大的生产体系，各种复杂生产过程如控制不到位，都会对产品质量产生影响。随着航天产品功能性能要求的不断提升，产品复杂度进一步增大，其电子设备日趋小型化、智能化。超大规模集成电路逐步在轨应用，其具有集成度高、运算速度快、输入阻抗高等特点，对静电更加敏感，所以对静电防护也提出了更高的要求。

航天产品静电防护技术和管理两种方法同样重要[2]。管理是静电防护的重要手段，建立标准的静电管理体系是有效的管理方式；技术是产品研制过程静电放电（Electrostatic Discharge，ESD）控制的基础。国外开展静电防护标准研究较早，其源于各国的军标和企业标准[3]。国内电子行业和航天行业也发布了系列静电防护标准，开展了静电防护管理体系建设的实践[4]，文献[5]从环境试验室应用特点切入专题开展了防静电体系建设的研究。本文在航天行业系列静电防护标准基础上进行全要素静电防护管理体系建立，以闭环管理为着力点，采用PDCA循环（Plan，Do，Check and Action，PDCA）的科学程序作为体系有效运行基本方法，持续改进提升静电防护管理体系运行质量。文献[6-8]在航天产品研制过程的静电防护中开展了相关研究，但在静电防护控制的系统性方面尚存在不足。本文阐述了静电防护的主要措施和技术，以理论为指导，从航天产品研制的全过程落实静电防护管理措施，加强各环节 ESD控制，减少和避免产品因静电防护问题导致的元器件失效或系统故障，对有效提高产品质量、避免过程差错、提高生产效率具有重要的意义。

1 静电产生原因及危害

原子中有带有负电荷的电子和带正电荷的质子，通常情况下显现中性，即物体不带电。静电起电的最基本原理是当物体存在接触分离现象时，接触分离表面电荷重新排布发生接触分离起电[9-11]。摩擦、碰撞、剥离、静电感应、电容改变、压电效应、电磁辐射感应都会产生静电，摩擦是静电起电的主要方式。

静电电荷本身不会产生危害，危害主要来自静电放电的过程。通常人体在干燥环境中产生静电可达几千伏到几万伏，人体对静电的感知电压约2 000V～3 000V，而常用器件的静电损伤电压在几百至几千伏（如表1所示）[12]。如不采取有效防护措施，可能在尚未察觉下对静电放电敏感的（Electrostatic Discharge Sensitive，ESDS）器件已造成潜在损伤。

表1 各类器件静电破坏电压Tab.1 Static breakdown voltage of various devices

静电放电对电子产品的损伤具有普遍性和随机性的特点，电子产品全过程任一环节或操作步骤，如果防护措施不当，都有可能造成静电放电损伤。对于静电放电损伤造成的完全性失效表现为开路、短路或参数的漂移等现象，往往较容易发现。最应注意的是静电放电危害的隐蔽性和潜在性，潜在的静电放电损伤可能会延时失效，这种损伤短时不会造成参数漂移，也无法测试和预知，如果带有潜在损伤的航天产品发射入轨，在轨运行时器件失效，则造成的损失更加巨大且无法挽回。因此，对于航天电子产品，静电放电的危害是严重的，策划完整的全过程静电放电防护管理控制体系，制定有效的防护措施尤为关键。

2 航天产品静电防护管理

2.1 管理体系的建立

美国国家标准学会（American National Standards Institute，ANSI）/静电放电协会和国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）分别发布了ANSI/ESD S20.20-2007和IEC61340-5-1-2016国际静电防护体系标准[13]。IEC61340是国际标准，而S20.20是美国国家标准，两者并无本质区别。这两个标准从系统工程的角度出发，对ESD体系的建立、防静电工作区（Electrostatic discharge protected area，EPA）的建立、敏感器件的包装、生产各环节的处理、人员培训和考核、内审制度的建立和检查，以及检测手段等各方面都做了明确的规定，规范了静电防护体系认证。

国际电工委员会的国际标准IEC61340系列标准和美国标准协会ANSI/ESD 系列标准成为当今引领电子行业静电防护的先进标准，在静电防护工业领域发挥着重要作用。我国电子行业标准和航天行业标准也紧跟国际发展潮流[14-16]，中国航天科技集团公司 Q/QJA118-122系列标准，提出了建立静电防护管理体系的要求，这些技术和管理标准更加丰富了静电防护工程学的内涵。北京空间机电研究所航天产品研制过程中，按照航天标准 Q/QJA118-2013《航天电子产品静电防护管理体系要求》[4]建立静电防护管理体系，静电防护管理体系共12个要素，其中总体要求包括2个要素，管理要求包括10个要素，静电防护管理体系框架如图1所示。总体要求包含组织和文件，作为体系运行中组织机构建立和体系文件编制的指导和约束。管理要求包含策划、人员培训、防静电工作区、包装、标志、采购和外包、监视和测量、审核、管理评审、改进。

图1 静电防护管理体系框架图Fig.1 Framework diagram of ESD protection management system

静电防护管理体系是静电防护管理实践经验的总结和防护管理的基本方法，可促进单位质量管理体系的改进与完善，对提高企业管理水平具有重要意义，静电防护管理体系建设流程如图2所示。以闭环管理为着力点，将PDCA循环作为静电防护管理体系运转的基本方法，通过循环改进不断提升体系执行的管理水平。

图2 静电防护管理体系建设流程图Fig.2 Construction flow chart of ESD protection management system

人员是静电防护管理中的最主要静电危险源，EPA区域是从事对ESDS器件生产、集成和测试等活动的主要场所。下文主要说明人员管理和EPA管理。

2.2 人员管理

航天产品研制过程中人体静电是引起静电危害和静电损坏的最主要和最经常的因素。静电防护管理中人员管理控制从培训和认证、抑制起电防护和静电接地防护三个方面开展。

（1）人员培训和认证

对人员进行静电防护培训是静电防护不可缺少的重要组成部分，培训包括初级培训和强化体系建设所需的周期性培训。制定静电防护人员培训管理程序，对上岗培训和周期性培训的方法、内容、培训效果评定方法、培训记录及保存等进行规范。对静电防护人员实行“认证”制度，对完成ESD培训并考核合格的人员发给证件，持证上岗。

（2）抑制起电防护

抑制起电防护目的是抑制人体静电电荷的产生。摩擦是静电起电的主要方式，应从各个角度尽量减少摩擦起电的可能性。因此，从事ESDS电子产品操作人员必需正确穿戴防静电服和防静电帽，必要时穿戴防静电手套、指套。为达到抑制起电的目的，保证电荷泄漏通道的畅通，防静电服作为人员接地系统使用时，一般要求系统接地电阻小于3.5×107Ω。

（3）人员接地防护

人员接地防护目的是及时泄放人体已产生的静电电荷。在处置ESDS电子产品时，通过腕带系统、地板-鞋束系统，使所有操作人员电气连接到接地系统或实现等电位连接。当工作人员在防静电台前或固定工位工作时，应佩戴腕带，通过腕带把工作人员与接地系统连接，一般要求腕带系统接地电阻小于3.5×107Ω。移动工作应实时通过地板-鞋束系统接地，地板-鞋束系统包含地板和鞋束两部分，是一个组合性系统。一般要求地板部分和鞋部分都小于1×109Ω（且小于100V）[17-19]。

2.3 EPA管理

航天产品研制均需在防静电工作区内开展，产品研制现场静电防护管理一般要求如下：

（1）设备设施要求

EPA区域静电防护设备设施包括防静电地垫、防静电地板、防静电桌垫、防静电工作台、防静电椅子、防静电储物柜、防静电推车、防静电手环、腕带、离子风机、离子风枪、离子风棒等。

（2）设备接地要求

EPA内使用交流电工具应采取接地措施，工具的操作面（或与ESDS电子产品接触的表面）对接地点的电阻应小于2Ω，最大不应超过20Ω。EPA内不使用交流电的工具应通过静电工作台面或使用人员接地，接地电阻小于1×109Ω。利用公共电源供电的设备，设备金属壳应通过电源保护地线接地。

EPA内防静电工作台上仪器设备、人员、工具等处于同一电位。所有使用交流电的仪器设备通过插座中的保护地实现接地；不使用交流电的仪器设备通过其表面耗散材料或导电材料与防静电工作台垫相连，台垫与保护地实现接地；防静电地板（或地垫）与保护地实现接地。图3给出了防静电工作台保护地连接示意图[20]，图中L为火线、N为零线、PE为电源保护地；R1、R2、R3为限流电阻，可根据具体使用场合选用。如腕带内已经包含1MΩ的限流电阻，则R2可以不选用。

图3 防静电工作台保护地连接示意Fig.3 Electrostatic protected table and ESD grounding

（3）现场环境管理

温湿度和洁净度对静电产生有着密切的关系，对EPA区域的温湿度和洁净度控制同样是静电放电防护控制的主要工作内容。

通常较低的温度对实验室的静电放电防护更有利。空气湿度增加时，吸附在介质表面的水分子增多，进而导致介质表面导电率提高，从而使静电泄漏能力增强。在不导致实验室设备或器件腐蚀、生锈或影响工作性能等危害的前提下，尽量增大实验室的相对湿度。尘埃、颗粒容易带静电，ESDS产品上吸附大量灰尘容易产生静电积累，进而导致静电放电现象发生，时刻保持实验室清洁干净，尽可能减少尘埃，就可以有效减少附着（吸附）静电带来的危害。一般从事航天产品研制的EPA区域度控制在16～28℃，相对湿度30%～70%，洁净度等级优于10 000级。

3 产品实现过程ESD控制

3.1 ESD控制的措施

静电危害的发生都必须具有三个基本要素[21]，包括静电源、路径和敏感器件，如图4所示。其中路径指静电源和敏感器件之间能量的耦合路径，可以是传导传播的、辐射传播的，也可以是电场力的作用。

图4 静电放电危害产生要素Fig.4 Factors of electrostatic discharge hazard

只有三个要素同时满足才能形成静电危害，抑制住这三个要素中的任何一个要素，静电危害就不能形成。在航天产品研制过程中，主要从控制静电源、切断耦合路径、敏感器件ESD加固三个方面采取控制措施，如图5所示。一般情况下，抑制静电源可采用静电中和防护技术、抑制起电防护技术和静电接地防护技术，切断耦合路径采取静电屏蔽防护技术，ESDS器件加固采取ESD加固设计技术。

图5 静电防护主要措施及技术Fig.5 Main measures and technologies of electrostatic protection

3.2 元器件、电路板ESD控制

作为元器件用户方，产品设计阶段就需要统筹考虑静电防护。尽量选用抗静电能力强的元器件，降低应用风险。在选型要求基础上，可以提请元器件研制方进行ESD设计加固。对于无防护设计的元器件，整机可从设计防护、屏蔽防护、电装防护、环境防护、应用防护几个方面开展静电防护控制。

元器件从生产到使用的整个过程都会产生静电，元器件在电路板集成过程的流转示意如图6所示。各环节开展静电防护控制措施主要如下。

图6 元器件流转示意Fig.6 Schematic of components flow

1）元器件采购环节：元器件需从认定的合格供方单位采购，对于ESDS元器件需有“静电敏感器件”的标志，且器件为防静电包装状态。采购的器件存放在库房EPA工作区的防静电柜/架中。

2）元器件检验：元器件的测试、老化筛选等需在EPA内开展，且EPA内静电防护设施齐全，符合静电防护标准。

3）发放和领用：元器件发放和领用的清点工作必须在 EPA内开展，操作人员有效接地。器件转运过程放置在防静电容器或者防静电包装袋中。

4）电路板焊接：元器件在电路板焊接过程中，在 EPA区域防静电工作台开展，操作人员和烙铁等工具有效接地，并实时采用离子风机/枪中和静电电荷。

5）电路板调试：电路板调试环节在EPA内开展，调试人员有效接地，设计纸质文件需要同电子产品保持30cm以上安全距离。

3.3 产品装配、总装及试验环节ESD控制

相较元器件、电路板研制，航天产品装配、总装及试验（Assembly，Integration and Test，AIT）环节涉及结构、单机、热控产品装配，散线焊接和线缆布线，产品转运等，各环节接触人员多，工作场地变换频繁，对静电防护提出了更高的要求。AIT环节在EPA内开展，操作人员需正确穿戴静电防护服，涉及高空作业需穿戴紧身连体型防护服，工作区域需要有明显的静电防护标志。

（1）总装过程控制

对产品操作的人员进入操作区域前触摸放静电棒释放携带的静电，操作全程均需佩戴静电释放腕带。无源操作设备需为静电耗散材料的静电防护工具，电烙铁等有源操作设备电源地和静电接地分别连接，必要时采用离子风机中和焊接过程可能产生的静电电荷积累。产品防静电接地实际接地电阻小于2Ω[22]，静电地与电源地、卫星地严格分开。

（2）测试过程控制

测试过程操作人员接近产品 1m范围均需佩戴静电释放腕带，测试线缆断开后使用防静电气泡膜包覆线缆自由端。测试纸质文件要保持与产品 30cm以上的安全距离，避免感应电荷的积累。测试计算机屏幕与产品距离必须大于300cm[23]。

（3）转运过程控制

入场进行总装测试的单机产品，在防静电工作区外需放入密闭防静电包装袋或专用包装箱转运。在防静电区域内转运时产品放置在防静电周转车或周转箱内。整星产品在防静电区域内转运过程，产品防静电接地线始终拖垂在地面上，如图7所示。转运中防静电接地线始终与地面接触，通过防静电地板或地面及时泄放滚轮与地面摩擦产生的静电电荷。

图7 EPA区域内产品转运示意Fig.7 Product transfer in EPA

3.4 产品环境试验ESD控制

航天产品环境试验是考核产品性能、使其满足发射和在轨运行环境必不可少的环节。由于试验环境嘈杂，试验设备庞大，因此试验过程静电防护需要高度重视。试验人员正确穿戴防静电服，佩戴静电防护手环等常规要求必须严格遵守。交流电试验设备通过插座中的保护地实现接地，试验台接地线与保护地实现接地，使试验设备、人员、产品等处于同一电位。

如果试验环境没有电源保护地可用、不方便或特殊要求时，可以采用接辅助地的连接方式，如图8所示，其中R1为接地限流电阻，R2为电源地和辅助地间搭接电阻。这时交流电试验设备等采用电源地接地，产品采用辅助地接地。在合适地方使电源地和辅助地连接，并使两者之间小于25Ω，确保两者之间电位差最小。

图8 接辅助地的连接方式Fig.8 The connecting mode of aided ground

4 结束语

静电防护是航天产品质量控制的重要方面，也是一项系统工程。静电防护需要科学管理，更需要全员参与全过程控制。航天产品静电防护管理与过程控制，首先要建立静电防护管理体系，这是静电防护管理的有效手段，同时需建立和健全静电防护管理要素；其次在静电防护管理体系下，开展航天产品研制过程的静电防护控制。随着航天产品研制周期的缩短和技术指标的日益提高，航天产品复杂度也与日俱增，对静电防护的管理和过程控制提出了更高要求，所以对静电防护管理体系的运行需采用如PDCA循环等质量管理方法，通过循环迭代提升管理水平。将静电防护工作有效落实，减少静电损害或潜在静电损伤，对提高产品安全性、可靠性，降低航天产品因静电问题造成的经济损伤具有重要的意义。