电子工业中的静电控制程序
2013-09-14
致电子产业中静电危害越发突出的原因,提出并详细论述了建立有效的静电控制程序应该遵循的四项原则。关键词ESD控制 EPA 设计 消除 泄放 中和 检测 
         
         静电是我们身边的不速之客,静电放电(ESD, electrostatic discharge) 已经成为电子工业的隐形杀手。一方面随着纳米技术的日益发展,集成电路的集成密度越来越高,相应的耐静电击穿电压(Vesd)也越来越低,另一方面,一些表面电阻率很高的高分子材料如塑料、橡胶制品的广泛应用以及现代生产过程的高速化, 使静电能积累到很高的程度,具备了可怕的破坏性,仅美国电子工业每年因ESD造成的损失就达几百亿美元。ESD是电子工业中普遍存在的" 硬病毒",在某个内外因条件具备的时刻便会发作,针对这把高悬的达摩克利斯之剑,可以遵循以下四项原则,建立起有效的静电控制程序。 
         
         把静电控制体现到设计中 
         
         要做到更为有效的ESD控制,首先在器件和产品的设计中,应充分体现静电防护的思想,在器件内部设置静电防护元件(ESD Protection Device),尽量使用对静电不敏感的器件以及对所使用的静电放电敏感(ESDS, ESD-sensitive)器件提供适当的输入保护,使其更合理地避免ESD的伤害。
        
         MOS工艺是集成电路制造的主导技术, 以金属-氧化物-半导体场效应管为基本构造元件。由于MOS器件中场效应管的栅、源极之间是一层亚微米级的绝缘栅氧化层,故其输入阻抗通常大于1000M ,并且具有5pF左右的输入电容,极易受到静电的损害。因此,在MOS器件的输入级中均设置了电阻-二极管防护网络,串联电阻能够限制尖峰电流, 二极管则能限制瞬间的尖峰电压。器件内常见的防护元件还有:电容、双极晶体管、可控硅整流器(SCR,见图1)等, ESD发生时,它们在受保护器件之前迅速作出反应,将ESD的能量吸收、释放,使被保护器件所受冲击大为降低。正常情况下,防护元件在其一次崩溃(First Breakdown)区内工作,不会受到ESD损伤,一旦外加电压或电流过量(Overstress),进入二次崩溃(Secondary Breakdown)区的防护元件将受到不可逆转的损害,失去对器件的保护作用。
        
         目前许多厂家已经研制出具有内部保护电路的器件,一系列相应的测试标准也已颁布执行,如MAXIM公司研制的模拟开关MAX4551,具有 15kV的ESD保护功能,它们必须在正常工作、停机模式和断电状态下,依据IEC1340-3-1人体模型(见图2)、IEC 1000-4-2空气间隙放电、IEC 1000-4-4快速瞬变(FTB)放电等标准,接受多项模拟ESD测试,确保符合IEC1000-4-2 Level 4 的要求。
        
         整机产品设计时,可在ESDS器件最易受损的管脚处(例如Vcc和I/O管脚),根据被保护电路的电特性、可用的电路板空间决定加入抑制电路或隔离电路。以应用很广的瞬态电压抑制器(TVS)为例,当受到外界瞬态高能量冲击时,TVS以皮秒级的速度,将其瞬态电压保护二极管两极间的高阻抗变成低阻抗,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值,被保护器件可免受ESD的损伤。TVS具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低(<1 A)、箝位电压易控制、体积小等优点,可有效地抑制共模、差模干扰,是电子设备ESD保护的首选器件。
        
         此外,生产环境的防静电设计也是ESD控制的关键所在,设计的依据是电子器件绝缘膜耐静电击穿电压(Vesd)、整机中敏感器件的Vesd以及生产设备的耐静电性能。制造商必须定义和坚持一个特殊的ESD控制级别,该级别由生产过程中最为敏感的元件所决定,生产环境必须保障该级别的安全性。当不知道最敏感元件的级别时,制造商应该执行EIA-625 标准,它将ESD保护的工作区域定义为"安全区",不包含可能产生高于200V的放电源。国际上已有多篇论文提出以二次崩溃电流做为静电敏感级别的判定依据,能够精确测量二次崩溃电流的传输线触波发生器(TLPG)也已成为ESD防护研发中的重要工具。 
         
         坚持预防为主,消除产生静电的过程 
         
         显然,设计不是完整的答案。逃避ESDS元件和产品是不现实的,但是在生产和储运过程中尽可能地减少产生静电的工序和材料,可以在很大程度上消除静电的产生与积累。
        
         电子产品的生产,视静电如虎。由于静电破坏于无形,故消除ESD危害要以预防为主,防患于未然。作业区中必须设置静电保护区域(EPA, electrostatic protected area),IEC1340-5-1(1995)《电子器件防护规范一般要求》中,对EPA给出了一个形象的配置实例图(见图3),该模型一直被众多的电子产品制造厂家所采用。它的核心是等电位搭接,即将图中标注的所有人员、材料、工作面连接在一起并电气连接到公共地,防止不同物体之间产生电位差,因为ESD不会发生在保持相同电势或零电势的材料之间,所以EPA环境中的ESDS器件或电路板,都可以免受ESD损害。
        
         为抑制静电的产生和积累,EPA区域内应尽量避免使用表面电阻率高的普通塑料、聚乙烯、苯乙烯制品,如化纤地毯、尼龙服、布质仪器罩等,这些物品一经磨擦就会产生静电且不易释放;要尽可能地减少尘埃,尘埃粒子通常附着电荷;操作者应杜绝用手、服装触及电路板和各种IC引脚;清洗印刷电路板(PCB)时,只使用ESD认可的自然毛刷和溶剂;在所有操作和检查中尽可能地减少印刷电路装置(PCA, printed circuit assembly)的移动,可能的话减少操作次数;器件应存储在完全闭合的屏蔽容器内,或者引脚朝下放在耗散性接地垫子上;PCB或器件上跟踪工作过程(WIP, work in process)的标签也应使用静电耗散性标签。
        
         敏感器件的物流也是一个不容疏忽的环节。在这个过程中,元器件不可避免地要与外包装相摩擦产生静电,而且暴露在外界电场中(如经过高压设备附近)的敏感器件也极易受到破坏,很可能在我们还没有意识到的状况下,敏感器件已经受损,因此储运时应采用耗散性或防静电屏蔽包装,不能用易产生静电的尼龙及普通塑料制品,且只在准备使用时才将ESD器件从包装中取出来。静电耗散材料 ( dissipative materials )提供了静电的缓慢泄放通道,可以防止快速放电,常用于运输双列直插式封装的器件;防静电包装由导电的特殊塑料制成,当器件在内部移动时,不会产生静电,可以防止元件引脚间出现较高的电势差,适合运输带引脚的器件;而屏蔽,是指用金属物将敏感器件紧密包围起来,形成"法拉第笼"(faraday cage),这样既能抑制静电的产生,又可防止外界电场对敏感器件放电,典型应用如金属化装运袋,它的内层是聚酯薄膜(Mylar),然后喷涂连续的铝层,这种包装适用于任何距离的装运,但封口处必须完全闭合。
        
         安全地泄放或中和静电 
         
         同样,无论措施多么严密,完全消除静电几乎是不可能的,所以我们的第三条原则是,安全地泄放或中和静电,其中接地是最基本最有效的方法。接地为静电冲击提供良好的泄放通道,使带电体上积聚的静电荷得以顺利泄出,迅速导入大地,避免了对敏感元件的放电。接地效果的好坏直接影响到整个静电防护的效果,如果接地效果差,将导致整个防静电体系失效,产品将处于在一个充满静电的险境,只有从测试放电点到最终接地汇接点中的任何一个环节都保持通畅,才能确保静电安全泄放。IEC1340-5-1对接地电阻作了规定,国内航天工业标准QJ1950-90也有类似规定,综合考虑,电子工业中生产和使用场所的接地电阻应在10 以下,接地导线必须连接牢固,并有足够的机械强度,否则在松断部位可能会产生火花,固定设备接地导线应是1.25mm2以上的多股可挠的编织电线,地线提供给防静电腕带、地板和工作台表面。
        
         作为ESD过程中最活跃的因素,进入EPA环境的操作者必须身穿防静电服,佩带腕带,工作台上必须铺有防静电台垫。防静电腕带也许称为"放"静电腕带更为贴切,腕带和工作台垫提供了静电到达大地的清晰路径,使其佩带者接近零伏电荷。对于活动频繁的人员,应通过防静电鞋、袜,脚跟和脚趾带箍与静电耗散性地板相通,释放静电荷。如果仅从"放"静电的角度考虑,人体的对地电阻越小越好,但考虑到安全因素,人体必须具有一定的对地电阻,万一金属设备或装置与工频电源短接,该电阻能够限制流过操作者身体的电流,因此通常腕带、脚趾带箍与接地导线的连接处均要串入一只不低于1M 的电阻。
        
         普通塑料等绝缘体上的静电荷,不能用接地的方法来消除,但可以利用极性相反的电荷来中和。目前常采用的感应式离子发生器(ionizer),当其尖端接近带电体时,在尖端上能感应出与带电体上静电极性相反的电荷,并在尖端附近形成很强的电场,当场强超过25~30KV/cm时,空气电晕放电,产生正、负离子,异性离子在电场作用下向带电体运动,因此可以连续地中和可能发生在绝缘体表面的任何电荷积累。
        
         适度控制环境温湿度,也可以有效遏制静电的杀伤力。湿度与温度对ESD都有影响,在同一个大气环境中,温度较低的区域会比温度较高的区域相对湿度更大,而湿度增加则使非导体材料的表面电导率增加,空气导电性能增强,物体上积蓄的静电荷可以更快地泄漏,可见环境温度越低,湿度越大,对静电的防护就越有利。因此在工艺条件许可时,可以使用空调加湿、风扇喷雾器喷射水雾、地面洒水等方法提高空气的相对湿度,降低静电的危害。当然,湿度过大将导致产品发生极间短路、漏电等故障,通常应将温度控制在18~28℃范围,湿度控制于40~65%RH范围内。 
         
         实时检测生产进程与环境 
         
         最后,不要猜测何时何地会产生ESD危害,检测一下就知道。检测可以帮助我们分析ESD可能发生的区域和危害程度;研究相应的防患措施;评估静电安全措施实施的效果。通过不断的检测,可以确认和量化那些真正需要ESD保护的区域(EPA),将人力和物力集中到那里,同时确认哪些是静电安全区域,节省不必要的开支;确保所有进入EPA环境中的人和物品的静电安全性;保障ESD设备正常、有效的运作。
        
         生产过程中关注的静电参数有电场强度、静电电位、电荷量和电阻率。电荷量是静电最本质的物理量,但现场测量不方便,通常代以测量物体表面的静电电位,测量时常采用非接触式静电电压表,不与被测物体接触,因而对被测物体的静电影响很小。物体的防静电性能可通过检测其表面电阻率或体电阻率来鉴定,而电场强度表征了工作环境中静电积聚的能量,对EPA的确定至关重要。常用的检测仪器有场强计、手/脚腕带检测仪、表面阻抗测试仪、静电电压表、电荷量表等,最新的综合监测设备可对区域中的静电状况全面监测,任一参数超标即自动报警。
        
         检测是ESD控制的必要手段,应在生产的各个环节中实时进行。操作员每次进入EPA之前需测试手/脚腕带、防静电鞋、防静电工作服的性能;必须有专人负责EPA的检测与维护,定期检查各种ESD设备、用具、接地装置是否满足防静电的要求;管理人员应定期检查各个工位的防静电情况,发现不符合要求时,要实时整改;检测结果要整理归档并作为质量管理体系认证的一部分加以核查。
        
         以上四条原则是建立ESD控制程序的基础,一个有效的ESD控制体系,光有防静电硬件系统是远远不够的,还得有一套行之有效并得到贯彻实施的培训、管理制度和操作程序。美国学者 Dennis Polinski 认为,一个有效的ESD控制程序应包括以下元素:设立一个ESD防护统筹人或小组、明确来自ESD的损失、评估你的实施过程与需要、确认ESD敏感项目、需求最高管理层的支持、建立和实施规程与规定、人员培训和回顾、审查、分析、报告、提供反馈与改进。
        
         静电防护是一项系统工程,必须贯彻整体防护思想,综合运用均压、接地、泄流、屏蔽和箝位等技术,构成一个完整的防护体系,才能取得明显的效果。

 
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