淺談電子制造過程中的靜電及靜電防護(hù)

引言

　　ESD(ElectrostaticDischarge)即靜電釋放：兩個帶不同靜電平的物體，通過直接接觸或靜電場的作用會使兩物體的靜電電荷發(fā)生位移，當(dāng)靜電場達(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。由于生活中靜電無處不在，所以ESD也經(jīng)常發(fā)生。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過程會發(fā)生但我們不會感覺到，電壓大于3 kV時，人體有輕微麻麻的感覺，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8 kV時，同時還會伴隨快速的電弧火花出現(xiàn)。

　　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。高密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(yùn)算速度快、低功率和輸入阻抗高的特點(diǎn)，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(yùn)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)象的認(rèn)識和對其發(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。 2靜電的產(chǎn)生

　　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)。

2.1摩擦

　　在日常生活中，任何兩個不同材質(zhì)的物體接觸后再分離，即可產(chǎn)生靜電，而產(chǎn)生靜電的濟(jì)普通方法，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)的物體接觸后再分離，也能產(chǎn)生靜電。



2.2感應(yīng)

　　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。

2.3傳導(dǎo)

　　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。

3 靜電對電子產(chǎn)品的危害

　　靜電對電子產(chǎn)品的危害有多種形式，并具有自身的特點(diǎn)。

3.1．靜電危害的形式

　　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。這三種特性能對電子元器件產(chǎn)生三種影響：

　　(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，造成電子元件不能工作。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)部的相貌像；

　　(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3種形式對元器件造成的損傷，既可能是長久性的(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濟(jì)常見和濟(jì)主要的原因。

3.2靜電危害的特點(diǎn)

　　相對于其它應(yīng)力，靜電對電子產(chǎn)品危害存在以下一些特點(diǎn)：

　　(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?yàn)槿梭w感知的靜電放電電壓為2～3 kV，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認(rèn)識不夠的一個主要原因。實(shí)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濟(jì)好辦法就是采取靜電防護(hù)措施，使元器件避免靜電放電的危害。

　　(3)隨機(jī)性。電子元件什么情況下會遭受靜電破壞呢?可以這么說，從一個元件產(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(diǎn)而費(fèi)時、費(fèi)事、費(fèi)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)象也難以與其他原因造成的損傷加以區(qū)別，使人誤把靜電損傷失效當(dāng)作其他失效。這在對靜電放電危害未充分認(rèn)識之前，常常歸因于早期失效或情況不明的失效，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。

3.3可能產(chǎn)生靜電危害的制造過程

　　元器件從生產(chǎn)到使用的整體過程中都可能遭受靜電損傷，依各階段的可分為：(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)備維修過程。

　　在整個過程中，每一個階段中的每一個小步驟，元件都可能遭受靜電的影響，而實(shí)際上，濟(jì)主要而又容易疏忽的一點(diǎn)卻是在元器件的傳送與運(yùn)輸?shù)倪^程。在這整個過程中，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)備附近，工人移動頻繁、車輛迅速移動等)而受到破壞，所以傳送與運(yùn)輸過程需要特別注意以減少損失，避免無謂之糾紛。

　　所以，從元器件的制造、使用到維修的任一環(huán)節(jié)都有可能發(fā)生靜電危害。

4靜電防護(hù)

　　靜電防護(hù)的基本原則是：(1)抑制靜電荷的積聚；(2)迅速、可靠、有效地消除已經(jīng)產(chǎn)生的靜電荷。

4.1接地

　　接地就是直接將靜電通過一條導(dǎo)線的連接泄放到大地，這是防靜電措施中濟(jì)直接濟(jì)有效的方法，對于導(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。

　　接地通過以下方法實(shí)施：

　　(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。

4.2靜電屏蔽

　　靜電敏感元件在儲存或運(yùn)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元件的影響，濟(jì)通常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。

4.3離子中和

　　絕緣體往往是易產(chǎn)生靜電，對絕緣體靜電的消除，用接地方法是無效的，通常采用的方法是離子中和(部分采用屏蔽)，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。

5 靜電防護(hù)材料與靜電防護(hù)設(shè)施

　　因此在防靜電材料和防靜電設(shè)施中，均是按這3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(yùn)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。

5.1防靜電儀表

　　(1)手腕帶／腳腕帶／防靜電鞋綜合檢測儀用途：檢測手腕帶，腳腕帶，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(yàn)以確保離子風(fēng)機(jī)工作在可靠的指標(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)境影響和靜電瞬間特性，很難真實(shí)反映實(shí)際情況；

　　(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。

5.2接地類防靜電產(chǎn)品

　　(1)防靜電手腕帶：廣泛用于各種操作工位，手腕帶種類很多，建議一般采用配有1兆歐姆電阻的手腕帶，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，主要用于捕墊桌面、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，有長久性和臨時性；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?？筛鶕?jù)實(shí)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。

5.3屏蔽類防靜電包裝運(yùn)輸及儲存材料

　　(1)防靜電周轉(zhuǎn)箱、防靜電元件盒：用于車間單板和部件的周轉(zhuǎn)，運(yùn)輸及儲存；

　　(2)防靜電包裝袋：用于單板和部件的包裝、運(yùn)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包裝管管及IC托盤：用于生產(chǎn)車間IC元器件的儲存、搬運(yùn)。禁止在使用前，露天存放IC；或拆開包裝運(yùn)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(yùn)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問，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)電纖維與普通纖維混紡而成。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：如操作員工需經(jīng)常手拿靜電敏感元器件時，要戴防靜電手指套。

5.4中和類設(shè)備

　　離子風(fēng)機(jī)、風(fēng)槍、風(fēng)嘴、風(fēng)簾、離子棒等。

6 防靜電的一般工藝規(guī)程要求

　　靜電就象**一樣，雖然是看不見，摸不著，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，靜電量隨著時間的延續(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)電子元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稗中靜電防護(hù)的一般工藝規(guī)程要求：

　　(1)生產(chǎn)區(qū)域長期處丁恒溫、恒濕的穩(wěn)定環(huán)境，一般溫度控制在25℃，濕度控制在65％，并每天有專人進(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、元件架、運(yùn)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)具有良好的接地；

　　(4)操作者在接觸電子產(chǎn)品時必須戴防靜電手腕帶，并要求戴腕帶的操作人員每天上、下午上班前各測試一次，以保證腕帶與人體的良好接觸，腕帶電阻1MΩ；

　　(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)**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，接地要良好，接地電阻要偏??；

　　(9)產(chǎn)品測試時，在電源接通的情況下，不能隨意插拔器件，必須在關(guān)掉電源的情況下插拔；

　　(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，盡量不能觸摸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)線上，應(yīng)嚴(yán)格使用靜電電位測試儀，監(jiān)視靜電電位的變化情況，以便及時采取靜電消除措施；

　　(13)防靜電可靠工作臺：

　　a、靜電可靠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(yàn)人員或其它人員使用；

　　c、必要時，靜電可靠工作臺上應(yīng)配備離子風(fēng)機(jī)；

　　d、靜電可靠工作臺上不允許堆放塑料盒(片)、橡皮、紙板、玻璃等易產(chǎn)生靜電的雜物，圖紙資料等應(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(yùn)箱、印制板架、元器件存放盒等)應(yīng)具備靜電防護(hù)性能。不允許使用金屬和普通塑料容器。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GB12014規(guī)定；

　　b、在相對濕度大于50%的環(huán)境中，防靜電工作服允許選用純棉制品；

　　(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。一般情況下允許穿普通鞋，但應(yīng)同時使用導(dǎo)電鞋束或腳腕帶；

　　(18)防靜電運(yùn)輸車轉(zhuǎn)運(yùn)ESD敏感型器件或含有ESD敏感型器件的整、部件時，應(yīng)采用有防靜電性能的運(yùn)輸車；

　　當(dāng)存在靜電電位差時、靜電強(qiáng)度大到足夠擊穿物體或表面之間的隔離或直接接觸到這些物體時，就可能發(fā)生靜電放電。因此，防止任何可能的靜電放電事件發(fā)生的**觶決方法是保持所有物體處于等電位。