電子制造過程中的靜電及靜電防護(hù)

電子制造過程中的靜電及靜電防護(hù)ESD〔ElectrostaticDischarge〕即靜電釋放：兩個帶不同靜電電平的物體，通過直接接觸或靜電電場的作用會使兩物體的靜電電荷發(fā)生位移，當(dāng)靜電電場達(dá)到一定能量，之間的介質(zhì)被擊穿而產(chǎn)生放電，這就是ESD的全過程。例如，在干燥的秋冬季節(jié)，推開門，開關(guān)抽屜，整理書籍，甚至按下計算機(jī)開關(guān)都有靜電累積和釋放的現(xiàn)象，可以說，我們就生活在一個靜電的世界。由于生活中靜電無處不在，所以，ESD也常常發(fā)生，大到電閃雷鳴，小到脫毛衣時迸出火花，都屬于此列。我們可以按以下描述簡單判斷ESD的強(qiáng)弱，當(dāng)放電電壓低于3KV時，ESD過程就會發(fā)生，但我們不會感覺到，電壓大于3KV時，人體有稍微麻麻的感覺，當(dāng)電壓大于6KV時，我們會聽到“劈啪〞的放電聲，而當(dāng)電壓大于8KV時，同時還會伴隨快速的電弧火花出現(xiàn)了。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子、通信、航天、航空等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅速崛起，尤其是電子儀器儀表和設(shè)備等電子產(chǎn)品日趨小型化、多功能及智能化。高發(fā)度集成電路已成為電子工業(yè)對上述要求中不可缺少的器件。這種器件具有線間距短、線細(xì)、集成度高、運算速度快、低功率和輸入阻抗高的特點，因而導(dǎo)致這類器件對靜電越來越敏感。靜電放電是導(dǎo)致元器件擊穿危害和對電子設(shè)備的運行產(chǎn)生干擾的主要原因。在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)中，從元器件的預(yù)處理、安裝、焊接、清洗、至單板測試、總測、直到包裝、儲存、發(fā)送等工序，都可能產(chǎn)生對器件的靜電放電擊穿危害。因此，靜電防護(hù)顯得越來越重要。靜電作為一種自然現(xiàn)象，不讓它產(chǎn)生幾乎是不可能的，但是，把它的存在控制在危險的水平之下，使其造成的損失盡可能減小，則是可以做得到的。有效地進(jìn)行靜電防護(hù)與控制，依賴于對靜電現(xiàn)象的熟悉和對其發(fā)生、存在、消除的控制；依賴于掌握和了解靜電與環(huán)境條件的關(guān)聯(lián)性和靜電發(fā)生的規(guī)律。

在電子組裝工業(yè)中，產(chǎn)生靜電的主要途徑為：摩擦、感應(yīng)和傳導(dǎo)。在日常生活中，任何兩個不同材質(zhì)的物體接觸后再分開，即可產(chǎn)生靜電，而產(chǎn)生靜電的最一般方法，就是摩擦生電。材料的絕緣性越好，越容易產(chǎn)生摩擦生電。另外，任何兩種不同物質(zhì)的物體接觸后再分開，也能產(chǎn)生靜電。針對導(dǎo)電材料而言，因電子能在它的表面自由流動，如將其置于一電場中，由于同性相斥，異性相吸，正負(fù)電子就會轉(zhuǎn)移。針對導(dǎo)電材料而言，因電子能在它的表面自由流動，如與帶電物體接觸，將發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。

靜電對電子產(chǎn)品的危害有多種形式，并具有自身的特點。靜電的基本物理特性為：吸引或排斥，與大地有電位差，會產(chǎn)生放電電流。這三種特性對電子元器件的三種影響如下：1〕靜電吸附灰塵，降低元器件絕緣電阻〔縮短壽命〕。2〕靜電釋放〔ESD〕破壞，造成電子組件不能工作。表1列出了一些常見電子元器件所能承受靜電破壞的靜電電壓，從表中可以看出大部分器件的靜電破壞電壓都在幾百至幾千伏，而在干燥的環(huán)境中，人類活動所產(chǎn)生的靜電可達(dá)幾千伏到幾萬伏。圖2是一個CMOS器件和一個雙極型器件在受到ESD損傷后芯片內(nèi)部的相貌圖片。3〕靜電放電產(chǎn)生的電磁場幅度很大〔達(dá)幾百伏/米〕頻譜極寬〔從幾十兆到幾千兆〕，對電子產(chǎn)品造成干擾甚至損壞〔電磁干擾〕這三種形式對元器件造成的損傷，既可能是永久性的〔如功能喪失，不能恢復(fù)〕，也可能是暫時性的〔如靜電放電產(chǎn)生的干擾使功能暫時喪失〕；既可能是突發(fā)失效，也可能是潛在失效。其中靜電釋放(ESD)事件是造成元器件損傷最常見和最主要的原因。相關(guān)于其它應(yīng)力，靜電對電子產(chǎn)品危害存在以下一些特點：1〕隱蔽性。人體不能直接感知靜電除非發(fā)生靜電放電，但是發(fā)生靜電放電人體也不一定能有電擊的感覺，這是因為人體感知的靜電放電電壓為2－3KV，所以，靜電具有隱蔽性。2〕潛在性。即器件在受到ESD應(yīng)力后并不馬上失效，而會在使用過程中逐漸退化或突然失效。這時的器件是“帶傷工作〞。這是人們對靜電危害熟悉不夠的一個主要原因。實際上，靜電放電對元器件損傷的潛在性和累積效應(yīng)會嚴(yán)重地影響元器件的使用可靠性。由于潛在損傷的器件無法鑒別和剔除，一旦在上機(jī)應(yīng)用時失效，造成的損失就更大。而避免或減少這種損失的最好辦法就是采用靜電防護(hù)措施，使元器件避免靜電放電的危害。3〕隨機(jī)性。電子組件在什么狀況下會遭受靜電破壞呢？可以這么說，從一個組件產(chǎn)生以后，一直到它損壞以前，所有的過程都受到靜電的威脅，而這些靜電的產(chǎn)生也具有隨機(jī)性，其損壞也具有隨機(jī)性。4〕復(fù)雜性。靜電放電損傷的失效分析工作，因電子產(chǎn)品的精、細(xì)、微小的結(jié)構(gòu)特點而費時、費事、費錢，要求較高的技術(shù)并往往需要使用一些高精密儀器。即使如此，有些靜電損傷現(xiàn)象也難以與其它原因造成的損傷加以區(qū)別，使人誤把靜電損傷失效當(dāng)作其它失效。這在對靜電放電危害未充分熟悉之前，常常歸因于早期失效或狀況不明的失效，從而不自覺地掩蓋了失效的真正原因。所以，靜電對電子器件損傷的分析具有復(fù)雜性。元器件從生產(chǎn)到使用的整個過程中都可能遭受靜電損傷，依各階段的生產(chǎn)可分為：1〕元器件制造過程；2〕印刷電路板生產(chǎn)過程3〕設(shè)備制造過程；4〕設(shè)備使用過程；5〕設(shè)備修理過程。

在整個過程中，每一個階段中的每一個小步驟，組件都可能遭受靜電的影響，而實際上，最主要而又容易疏忽的一點卻是元器件的傳送與運輸?shù)倪^程。在整個過程中，不但包裝因移動容易產(chǎn)生靜電外，而且整個包裝容易暴露在外界電場(如經(jīng)過高壓設(shè)備四周，工人移動頻繁、車輛迅速移動等)而受到破壞，所以，傳送與運輸過程需要特別注意以減少損失，避免無謂之糾紛。因此，從元器件的制造、使用到修理的任一環(huán)節(jié)都有可能發(fā)生靜電危害。靜電防護(hù)的基本原則是：a.抑制靜電荷的積聚；b.迅速、安全、有效地消除已經(jīng)產(chǎn)生的靜電荷。具體措施如下：接地就是直接將靜電通過一條線的連接泄放到大地，這是防靜電措施中最直接最有效的方法，關(guān)于導(dǎo)體通常用接地的方法，如有繩防靜電手腕帶、地板及工作臺面接地等。通常采納以下方法實施接地：1〕人體通過手腕帶接地。2〕人體通過防靜電鞋〔或鞋帶〕和防靜電地板接地。3〕工作臺面接地。4〕測試儀器、工具夾、烙鐵接地。5〕防靜電地板、地〔臺〕墊接地。6〕防靜電周轉(zhuǎn)車、箱、架接地。7〕防靜電椅接地。

靜電敏感組件在儲存或運輸過程中會暴露于有靜電的區(qū)域中，用靜電屏蔽的方法可削弱外界靜電對電子組件的影響，最常用的方法是用靜電屏蔽袋和防靜電周轉(zhuǎn)箱作為保護(hù)。另外，防靜電衣對人體的衣服具有一定的屏蔽作用。絕緣體往往易產(chǎn)生靜電，對絕緣體靜電的消除，用接地方法是無效的，通常采納的方法是離子中和〔部分采納屏蔽〕，即在工作環(huán)境中用離子風(fēng)機(jī)等，提供一等電位的工作區(qū)域。因此，在防靜電材料和防靜電設(shè)施中，均是按這三種方式派生出來的產(chǎn)品，可分為防靜電儀表，接地系統(tǒng)類防靜電產(chǎn)品，屏蔽類防靜電包裝，運輸及儲存防靜電材料，中和類靜電消除設(shè)備，以及其它防靜電用品。1〕手腕帶/腳腕帶/防靜電鞋綜合檢測儀用途：檢測手腕帶，腳筋帶，防靜電鞋是否符合要求。2〕測試腳帶及防靜電鞋時，需增加一塊金屬板及儀表連接的導(dǎo)線。3〕除靜電離子風(fēng)機(jī)檢測儀用途：定期對離子風(fēng)機(jī)平衡度和衰減時間進(jìn)行檢測及校驗以保證離子風(fēng)機(jī)工作在安全的指標(biāo)范圍。4〕靜電場測試儀用途：測量靜電場以反映靜電的存在，以電壓形式讀數(shù)，用來測試環(huán)境的靜電強(qiáng)度。一般受環(huán)境和靜電瞬間特性影響，很難真實反映實際狀況。5〕靜電屏蔽袋測試儀用途：檢測靜電屏蔽袋的屏蔽效果。6〕表面電阻測量儀用途：測量材料表面電阻，體積電阻。

1〕防靜電手腕帶：廣泛用于各種操作工位，手腕帶種類很多，建議一般采納配有1兆奧姆電阻的手腕帶，線長應(yīng)留有一定余量。2〕防靜電腳腕帶/防靜電鞋：廠房使用防靜電地面后，應(yīng)配備防靜電鞋，建議車間以穿防靜電鞋為主，可降低灰塵的引入。操作人員再結(jié)合配帶防靜電腳腕帶效果將會更佳。3〕防靜電臺墊：用于各工作臺表面的鋪設(shè)，每個臺墊串上1兆歐電阻后與防靜電地可靠連接。防靜電臺墊主要是防靜電復(fù)合膠板，主要用于墊桌面、流水線工作臺面、貨架及制做地墊等。材料面層分為草綠色，導(dǎo)電物質(zhì)是抗靜電劑；底層為黑色，導(dǎo)電物質(zhì)是碳黑。4〕防靜電地板：防靜電地板也有多種，按時效性分，有永久性的和臨時性的；按材料分有導(dǎo)電橡膠、PVC、導(dǎo)電陶瓷等；按鋪設(shè)方式分，有地面直接鋪設(shè)的和架空的活動地板?？梢罁?jù)實際需要和成本決定。如需要在地面走多種電纜、管道的環(huán)境如計算機(jī)房選擇架空鋪設(shè)的活動地板比較好。圖5是一些防靜電地板。1〕防靜電周轉(zhuǎn)箱、防靜電組件盒：用于車間單板和部件的周轉(zhuǎn)，運輸及儲存。2〕防靜電包裝袋：用于單板和部件的包裝、運輸和儲存，具有一定的防潮效果。3〕防靜電膠帶：用于各種包裝箱等。4〕防靜電IC包裝管及IC托盤：用于生產(chǎn)車間IC元器件的儲存、搬運。禁止在使用前，露天存放IC；或拆開包裝運輸。5〕防靜電貨架、手推車及工作臺：防靜電貨架、手推車廣泛用于電子裝配車間的單板、部件的周轉(zhuǎn)，搬運等。防靜電貨架及工作臺要有防靜電接地，手推車應(yīng)有金屬鏈與大地接觸。

6〕防靜電工作服工作鞋：在具有靜電敏感元器件，具有一定潔凈度要求的加工車間，一般應(yīng)嚴(yán)格要求員工穿戴防靜電工作服工作鞋。防靜電服裝是用不同色的防靜電布制成。布料紗線含一定比例的導(dǎo)電紗，導(dǎo)電紗又是由一定比例的不銹鋼纖維或其它導(dǎo)電纖維與一般纖維混紡而成。通過導(dǎo)電纖維的電暈放電和泄漏作用消除服裝上的靜電。由于不銹鋼纖維屬金屬類纖維，所以，由它織成的防靜電布料的導(dǎo)電性能穩(wěn)定，不隨服裝的洗滌次數(shù)而變化。7〕防靜電手指套：如操作員工需常常手拿靜電敏感元器件時，要戴防靜電手指套。離子風(fēng)機(jī)、風(fēng)槍、風(fēng)嘴、風(fēng)簾、離子棒等。靜電就象細(xì)菌一樣，雖然是看不見，摸不，但是它隨時隨地存在。在日常生活中，如走動，翻書，甚至空氣流動等都會產(chǎn)生靜電。靜電開始產(chǎn)生時，靜電量隨時間的延續(xù)而增加，但積到一定程度時，靜電量不會無限增加而趨于某一穩(wěn)定值。當(dāng)電子組件表面積聚的靜電達(dá)到穩(wěn)定值時，它的性能會受到很大的影響。下面介紹電子制造過程中的靜電防護(hù)的一般工藝規(guī)程要求：1〕生產(chǎn)區(qū)域長期處于恒溫、恒濕的穩(wěn)定環(huán)境，一般溫度控制在25℃，濕度控制在65%，并天天有專人進(jìn)行測試，并做有效記錄。2〕張貼醒目的靜電敏感器件標(biāo)志，圖7是各種防靜電標(biāo)志。其中〔a〕是防靜電工作區(qū)的標(biāo)志，〔b〕和〔c〕是防靜電容器、組件架、運輸車等器材上的標(biāo)記；〔d〕是經(jīng)防靜電處理的物品和場所的標(biāo)記。

3〕車間內(nèi)的各類機(jī)器〔絲網(wǎng)印刷機(jī)、貼片機(jī)、測試臺〕應(yīng)具有優(yōu)良的接地。4〕操在接觸電子產(chǎn)品時必須戴防靜電手腕帶，并要求戴腕帶的操作人員天天上、下午上班前各測試一次，以保證腕帶與人體的優(yōu)良接觸，腕帶電阻1M奧姆；5〕在貼裝過程中，需要手拿電路板時，規(guī)定只能拿電路板邊緣無電子元器件處，而不能直接接觸電子元器件引腳。6〕ESD敏感型器件必須用靜電屏蔽；7〕準(zhǔn)備開封、測試靜電敏感器件時必須在防靜電工作臺上進(jìn)行，有條件的可配用離子風(fēng)機(jī)清除空氣中的不平等電荷；8〕組裝所用的焊接設(shè)備及成形工裝設(shè)備都必須接地，焊接工具使用內(nèi)熱式烙鐵，接地要優(yōu)良，接地電阻要偏?。?〕測試產(chǎn)品時，在電源接通的狀況下，不能隨意插拔器件，必須在關(guān)掉電源的狀況下插拔；10〕凡ESD敏感型器件不應(yīng)過早地拿出原封裝，要正確按操作規(guī)范，盡量不要觸摸ESD敏感型器件管腿；11〕用波峰焊接時，焊料和傳遞系統(tǒng)必須接地；12〕在ESD敏感型測試儀器生產(chǎn)在線，應(yīng)嚴(yán)格使用靜電電位測試儀，監(jiān)視靜電電位的變化狀況，以便及時采用靜電消除措施；13〕防靜電安全工作臺：a.靜電安全工作臺是防靜電工作區(qū)的基本組成部分，它由工作臺、防靜電臺墊、腕帶接頭和接地線等組成；b.防靜電臺墊上應(yīng)不少于兩個腕帶接頭，一個供操作人員使用，另一個供技術(shù)人員，檢驗人員或其它人員使用；c.必要時，靜電安全工作臺上應(yīng)配備離子風(fēng)機(jī)；d.靜電安全工作臺上不同意堆放塑料盒〔片〕、橡皮、紙板、玻璃等易產(chǎn)生靜電的雜物，圖紙數(shù)據(jù)等應(yīng)裝入防靜電文件袋內(nèi)；

14〕防靜電容器在電子設(shè)備研制生產(chǎn)過程中，一切貯存、周轉(zhuǎn)ESD敏感型器件的容器〔元器件袋、轉(zhuǎn)運箱、印制板架、元器件存放盒等〕應(yīng)具備靜電防護(hù)性能。不同意使用金屬和一般塑料容器。必要時，存放部件用的周轉(zhuǎn)箱應(yīng)接地；15〕靜電消除器消除絕緣材料表面的靜電荷應(yīng)使用離子風(fēng)靜電消除器；16〕防靜電工作服：a.進(jìn)入防靜電工作區(qū)或接觸ESD敏感型器件的人員應(yīng)穿防靜電工作服，防靜電工作服面料應(yīng)符合GB12021規(guī)定；b.在相對濕度大于50%的環(huán)境中，防靜電工作服同意選用純棉制品；17〕防靜電工作鞋進(jìn)入防靜電工作區(qū)或接觸ESD敏感型器件的人員應(yīng)穿防靜電工作鞋，防靜電工作鞋應(yīng)符合GB4385的有關(guān)規(guī)定。一般狀況下，同意穿一般鞋，但應(yīng)同時使用導(dǎo)電