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靜電放電的解析以及防止方法
靜電放電對電子製造工業的影響不容小覷,造成的損失是不可估量的,必須引起重視,為了有效地抗擊和防止靜電放電(ESD),必須以正確的方式使用正確的設備。由於一係列強有力的閉環ESD預防、監測與離子設備,現在可以把靜電放電看作一個過程控製問題。

靜電放電(ESD)是在電子裝配中電路板與元件損害的一個熟悉而低估的根源。它影響每一個製造商,無任其大小。雖然許多人認為他們是在ESD安全的環境中生產產品,但事實上,ESD有關的損害繼續給世界的電子製造工業帶來每年數十億美元的代價。

ESD究竟是什麽?靜電放電(ESD)定義為,給或者從原先已經有靜電(固定的)的電荷(電子不足或過剩)放電(電子流)。電荷在兩種條件下是穩定的:

當它“陷入”導電性的但是電氣絕緣的物體上,如,有塑料柄的金屬的螺絲起子。

當它居留在絕緣表麵(如塑料),不能在上麵流動時。

可是,如果帶有足夠高電荷的電氣絕緣的導體(螺絲起子)靠近有相反電勢的集成電路(IC)時,電荷“跨接”,引起靜電放電(ESD)。

ESD以極高的強度很迅速地發生,通常將產生足夠的熱量熔化半導體芯片的內部電路,在電子顯微鏡下外表象向外吹出的小子彈孔,引起即時的和不可逆轉的損壞。

更加嚴重的是,這種危害隻有十分之一的情況壞到引起在最後測試的整個元件失效。其它90%的情況,ESD損壞隻引起部分的降級 - 意味著損壞的元件可毫無察覺地通過最後測試,而隻在發貨到顧客之後出現過早的現場失效。其結果是最損聲譽的,對一個製造商糾正任何製造缺陷最付代價的地方。

可是,控製ESD的主要困難是,它是不可見的,但又能達到損壞電子元件的地步。產生可以聽見“嘀噠”一聲的放電需要累積大約2000伏的相當較大的電荷,而3000伏可以感覺小的電擊,5000伏可以看見火花。

例如,諸如互補金屬氧化物半導體(CMOS, complementary metal oxide semiconductor)或電氣可編程隻讀內存(EPROM, electricall programmable read-only memory)這些常見元件,可分別被隻有250伏和100伏的ESD電勢差所破壞,而越來越多的敏感的現代元件,包括奔騰處理器,隻要5伏就可毀掉。

該問題被每天的引起損害的活動複合在一起。例如,從 乙烯基的工廠地板走過,在地板表麵和鞋子之間產生摩擦。其結果是純電荷的物體,累積達到3~2000伏的電荷,取決於局部空氣的相當濕度。

甚至工人在台上的自然移動所形成的摩擦都可產生400~6000伏。如果在拆開或包裝泡沫盒或泡泡袋中的PCB期間,工人已經處理絕緣體,那麽在工人身體表麵累積的淨電荷可達到大約26000伏。

因此,作為主要的ESD危害來源,所有進入靜電保護區域(EPA, electrostatic protected area)的工作人員必須接地,以防止任何電荷累積,並且所有表麵應該接地,以維持所有東西都在相同的電勢,防止ESD發生。

用來防止ESD的主要產品是碗帶(wristband),有卷毛燈芯絨和耗散性表麵或墊料 - 兩者都必須正確接地。另外的輔助物諸如耗散性鞋類或踵帶和合適的衣服,都是設計用來防止人員在靜電保護區域(EPA)移動時累積和保持淨電荷。

在裝配期間和之後,PCB也應該防止來自內部和外表運輸中的ESD。有許多電路板包裝產品可用於這方麵,包括屏蔽袋、裝運箱和可移動推車。雖然以上設備的正確使用將防止90%的ESD有關的問題,但是為了達到最後10%,需要另一種保護:離子化。

中和那些可產生靜電電荷的裝配設備和表麵的最有效方法是使用離子發生器(ionizer) - 一種設備吹出離子化空氣流在工作區域,來中和累積在絕緣材料上的任何電荷。

一個常見的謬論是認為因為在工作站帶上了碗帶,該區域的絕緣體,如聚苯乙烯杯或紙板盒,所帶的電荷將安全地消散。按定義,絕緣體不會導電,除了通過離子化不可能放電。

如果一個帶電荷的絕緣體保留在EPA,它將輻射一個靜電場,引發淨電荷到任何附近的物體上,因此增加對產品的ESD損壞的危險性。雖然許多製造商企圖從其EPA禁止絕緣材料,但這個方法是很難實施的。絕緣材料是日常生活中太多的一部分 - 從操作員坐落舒適的泡沫墊,到塑料蓋中的一些東西。

由於離子發生器的使用,製造商可以接受一些絕緣材料在其EPA中出現的事實。因為離子發生係統連續地中和可能發生在絕緣體上麵的任何電荷累積,所以對於任何的ESD計劃,它們都是合理的投資。

標準電子裝配中的離子發生設備有兩種基本的形式:

桌麵型(單個風扇)

過頂型設備(在單個過頂的單元內,有一係列的風扇)

也有室內離子發生器,但現在主要用於清潔房的環境。

選擇決定於需要保護區域的大小。桌麵型離子發生器將覆蓋單一等工作表麵,而過頂式離子發生器將覆蓋兩或三個。另一個優點是離子發生器也可防止灰塵靜電附著於產品,可能使外觀降級。

可是,如果沒有對ESD設備有效性的正常測試和監測,那麽沒有一個保護計劃是完善的。一流的ESD控製和離子化專家報告了使用失效的(因此是無用的)ESD設備而不知其失效的製造商的例子。

為了防止這種情況,除了標準的ESD設備,ESD供應商還提供各種恒定監測器,如果一項表現超出規定即自動報警。監測器可用作一個獨立單元或在網絡中連接在一起。也有自動數據采集的網絡軟件,實時顯示有關操作員和工作站的係統表現。

監測器可通過消除許多日常任務來簡化ESD計劃,如:保證碗帶每天適當測量,離子發生器的平衡與正確維護,檢查工作台接地點沒有損壞。

防止ESD的第一步是正確評價,如果忽視怎樣小的細節可能造成不可修複的損壞。一個有效的計劃要求不僅使用有效的ESD保護設備,而且嚴密的運作程序來保證所有工廠地麵人員的行為是ESD安全的。

盡管靜電放電如此棘手,但還是有好消息,靜電放電是可以避免的,注意細節,選擇正確的設備,製造過程中把握好每一道程序,盡量減少因為靜電放電帶來的損失。

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