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電子工業中的靜電控制/靜電消除

 
靜電控制
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隨著納米技術的日益發展,集成電路的集成密度越來越高,相應的耐靜電擊穿電壓(Vesd)也越來越低,另一方面,一些表面電阻率很高的高分子材料如塑料、橡膠制品的廣泛應用以及現代生產過程的破壞性,僅美國電子工業一年因ESD造成的損失就達幾百億美元。、ESD electrostatic discharge是電子工業中普遍存在的"硬病毒",在某個內外因條件具備的時刻便會發作,可以遵循以下四項原則,建立起有效的靜電控制程序。
把靜電控制體現到設計中
要做到更為有效的ESD控制,首先在器件和產品的設計中,應充分體現靜電防護的思想,在器件內部設置靜電防護元件(ESD Protection Device),盡量使用對靜電不敏感的器件以及對所使用的靜電放電敏感(ESDS,ESD-sensitive)器件提供適當的輸入保護,使其更合理地避免ESD的傷害。
MOS工藝是集成電路制造的主導技術,以金屬-氧化物-半導體場效應管為基本構造元件。由于MOS器件中場效應管理的柵、源極之間是一層亞微米級的絕緣棚氧化層,故其輸入阻抗通常大于1000M,并且具有5pF左右的輸入電容,極易受到靜電的損害。因此,在MOS器件的輸入級中均設置了電阻-二極管防護網絡,串聯電阻能夠限制尖峰電流,二極管則能限制瞬間的尖峰電壓。器件內常見的防護元件還有:電容、雙極晶體管、可控硅整流器(SCR,見圖1)等,ESD發生時,它們在受保護器件之前迅速作出反應,將ESD的能量吸收、釋放,使被保護器件所受沖擊大為降低。正常情況下,防護元件在其一次崩潰(First Breakdown)區內工作,不會受到ESD損傷,一旦外加電壓或電流過量(Overstress),進入二次崩潰(Secondary Breakdown)區的防護元件將受到不可逆轉的損害,失去對器件的保護作用。
目前許多廠家已經研制出具有內部保護電路的器件,一系列相應的測試標準也頌布執行,如MAXIM公司研制的模擬開關MAX4551,具有15kV的ESD保護功能,它們必須在正常工作、停機模式和斷電狀態下,依據IEC1340-3-1人體模型、IEC1000-4-2空氣間隙放電、IEC 1000-4-4快速瞬變(FTB)放電等標準,接受多項模似ESD測試,確保符合IEC1000-4-2Level4要求。
此外,生產環境的防靜電設計也是ESD控制的關鍵所在,設計的依據是電子器件絕緣膜靜電擊穿電壓(Vesd)、整機中敏感器件的Vesd以及生產設備的耐靜電性能。制造必須定義和堅持一個特殊的ESD控制級別,該級別由生產過程中最為敏感的元件所決定,生產環境必須保障該級別的安全性。當不知道最敏感元件的級別時,制造商應該執行EIA-625標準,它將ESD保護的工作區域定義為"安全區",不包含可能產生高于200V的放電源。國際上已有多篇論文提出以二次崩潰電流做為靜電敏感級別的判定依據,能夠精確測量二次崩潰電流的傳輸線觸波發生器(TLPG)也已成為ESD防護研發中的重要工具。
堅持預防為主,消除產生靜電的過程,在生產和儲運過程中盡可能地減少產生靜電的工序和材料,可以在很大程度上消除靜電的產生與積累。為抑制靜電的產生和積累,EPA區域內應盡量避免使用表面電阻率高的普通塑料、聚乙烯、苯乙烯制品,如化纖地毯、尼龍服、布質儀器罩等,這些物品一經磨擦就會產生靜電且不易釋放;要盡可能地減少塵埃,塵埃粒子通常附著電荷;操作者應杜絕用手、服裝觸及電路板和各種IC引腳;清洗印刷電路板(PCB)時,只使用ESD認可的自然毛刷和溶劑;在所有操作和檢查中盡可能地減少印刷電路裝置(PCA,printed circuit assembly)的移動,可能的話減少操作次數;器件應存儲在完全閉合的屏蔽容器內,或者引腳朝下放在耗散性接地墊子上;PCB或器件上跟蹤工作過程(WIP,work in process)的標簽也應使用靜電耗散性標簽。
敏感器件的物流也是一個不容疏忽的環節。在這個過程中,元器件不可以避免地要與外包裝相磨擦產生靜電,而且暴露在外界電場中(如經過高壓設備附近)的敏感器件也極易受到破壞、很可能在我們還沒有意識到的狀況下,敏感器件已經受損、因此儲運時應采用耗散性或防靜電屏蔽包裝,不能用易產生靜電的尼龍及普通塑料制品,且只在準備使用時才將ESD器件從包裝中取出來。
安全地泄放或中和靜電
同樣,無論措施多少嚴密,完全消除靜電幾乎是不可能的,所以我們的第三條原則是,安全地泄放或中和靜電,其中接地是最基本最有效的方法。接地為靜電沖擊提供良好的泄放通道,使帶電體上積聚的靜電荷得以順利泄出,迅速導入大地,避免了對敏感元件的放電。接地效果的好壞直接影響到整個靜電防護的效果,如果接地效果差,將導致整個防靜電體系失效,產品將處于在一個充滿靜電的險境,只有從測試放電點到最終接地匯接點中的任何一個環節都保持通暢,才能確保靜電安全泄放。IEC1340-5-1對接地電阻作了規定,國內航天工業標準QJ1950-90也有類似規定,綜合考慮,電子工業中生產和使用場所的接地電阻應在10以下,接地導線必須連接牢固,并有足夠的機械強度,否則在松斷部位可能會產生火花,固定設備接地導線應是1.25mm以上的多股可撓的編織電線,地線提供給防靜電腕帶、地板和工作臺表面。
普通塑料等絕緣體上的靜電荷,不能用接地的方法來消除,但可以利用極性相反的電荷來中和。目前常采用的是(SVCOR),利用高壓發生裝置產生的地電流高電壓作用下,形成一個穩定的高強電場,電離空氣形成離子體。由氣流帶出達到物體表面,達到中和靜電的目的,電離器件上有專門的清結器,可以清除電離針上的積灰,保持電離器件的正常工作。
思沃離子風靜電消除設備有專用的離子平衡電路,可以達到離子的自動平衡。消除靜電的功能,可以解決因靜電作用引起的生產問題,如解決靜電引起的吸塵問題,塑料制品加工時的粘合問題,靜電排訴引起的小零件跳躍問題。
并在尖端附近形成很強的電場,使空氣電暈放電,產生正、負離子,異性離子在電場作用下向帶電體運動,因以可以連續地中和可能發生在絕緣體表面的任何電荷積累。
適度控制環境溫濕度,也可以有效遏制靜電的殺傷力。溫度與溫度對ESD都有影響,在同一個大氣環境中,溫度較低區域會比溫度較高的區域相對濕度更大,而濕度增加則便非導體材料的表面電導率增加,空氣導電性能增強,物體上積蓄的靜電荷可以更快地泄漏,可見環境溫度越低,濕度越大,對靜電的防護就越有利。因此在工藝條件許可時,可以使用空調加濕、風扇噴霧器噴射水霧、地面灑水等方法提高空氣的相對濕度,降低靜電的危害。當然,通常應將溫度控制在18-28度范圍,濕度控制于40-65%RH范圍內。
實時檢測生產進程與環境
生產過程中關注的靜電參數有電場強度、靜電電位、電荷量和電阻率。電荷量是靜電最本質的物理量,但現場測量不方便,通常代以測量物體表面的靜電電位,測量時常采用非接觸式靜電電壓表,不與被測物體接觸,因而對被測物體的靜電影響很小。物體的防靜電性能可通過檢測其表面電阻率或體電阻率來鑒定,而電場強度靜征了工作環境中靜電積聚的能量,對EPA的確定至關重要。常用的檢測儀器有場強計、手/腳腕帶檢測儀,表面阻抗測試儀、靜電電壓表、電荷量表等,綜合監測設備可對區域中的靜電狀況全面監測,任一參數超標即自動報警。
檢測是ESD控制的必要手段,應在生產的各個環節中實時進行。操作員每次進入EPA之前需測試手/腳腕帶、防靜電鞋、防靜電工作服的性能;必須有專人負責EPA的檢測與維護,定期檢查各種ESD設備、用具、接地裝置是否滿足防靜電的要求;管理人員應定期檢查各個工位的防靜電情況,發現不符合要求時,要實時整改;檢測結果要整理歸檔并作為質量管理體系認證的一部分加以核查。
總結
以上四條原則是建立控制程序的基礎,一個有效的ESD控制體系,光有防靜電硬件系統是遠遠不夠的,還得有一套行之有效并得到貫徹實施的培訓、管理制度和操作程序。美國學者DennisPolinski認為,一個有效的ESD控制程序應包括以下元素:設立一個ESD防護統籌人或小組、明確來自ESD的損失、評估你的實施過程與需要、確認ESD敏感項目、需求最高管理層的支持、建立和實施規程與規定、人員培訓和回顧、審查、分析、報告、提供反饋與改進。
靜電防護是一項系統工程,必須貫徹整體防護思想,綜合運用均壓、接地、泄流、屏蔽和箝位等技術,構成一個完整的防護體系,才能取得明顯的效果。

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