摘 要:隨著電子技術(shù)高速發(fā)展，大規(guī)模集成電路大量使用，對電子元器件及其組件在包裝、運(yùn)輸、儲存、電子裝聯(lián)、清洗和測試等各環(huán)節(jié)的靜電防護(hù)要求越來越嚴(yán)格。通過對靜電的產(chǎn)生及危害的描述，闡述了靜電防護(hù)的三要素:防——防止靜電荷的積聚;泄——建立安全的的泄放通路;控——對所有防靜電措施的有效性進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。闡述了在防靜電工作區(qū)內(nèi)實(shí)施全面網(wǎng)絡(luò)實(shí)時監(jiān)控與管理的必要性和可行性。

關(guān)鍵詞:EPA(防靜電工作區(qū));靜電防護(hù);ESD(靜電放電);實(shí)時監(jiān)控

中圖分類號:TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)03-182-04

Real-time Monitoring and ESD Protection of EPA

QU Lixin

(Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun，130033，China)

Abstract:As the high speed development of electronic technology， the widely use of VLSI， the requirement of ESD protection of the electronic component during the package， transport， storage， washing and test are more and more strict.By illustrating the generation and damage of ESD， three elements of ESD protection are given.The necessity and possibility of real-time roundly networking controlling and monitoring in all electrostatic discharge protected area are discussed.

Keywords:EPA;ESD protection;ESD;real-time monitoring

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備日趨小型化、智能化。大規(guī)模集成電路被廣泛使用，這種器件具有集成度高、運(yùn)算速度快、低功耗和輸入阻抗高等特點(diǎn)，也對靜電越來越敏感。因而，在新產(chǎn)品的開發(fā)中，對靜電的防護(hù)也越來越重要[1-3]。關(guān)于研制生產(chǎn)中的靜電防護(hù)技術(shù)，已討論多年了，但可以說并沒有得到根本的解決。本文將結(jié)合近年來國際先進(jìn)防靜電技術(shù)的發(fā)展，就EPA(Electrostatic Discharge Protected Area，防靜電工作區(qū))靜電防護(hù)技術(shù)的原理和具體措施進(jìn)行闡述。

1 靜電的產(chǎn)生與危害

從原理上講，靜電的產(chǎn)生主要有以下三種方式:摩擦起電、接觸帶電、感應(yīng)帶電。對于后二種方式比較容易預(yù)防與控制。在實(shí)際生產(chǎn)中最難以控制的主要是第一種起電方式——摩擦起電，是由于人體的動作及設(shè)備的運(yùn)動而產(chǎn)生的。

日常生活中人們所接觸到的靜電放電情況如下:

當(dāng)人能夠聽到放電聲時，此時的靜電電壓為2～3 kV;當(dāng)能夠感到靜電電擊時，電壓已達(dá)3～4 kV;而當(dāng)能夠看到靜電放電火花時，電壓則至少在5 kV以上。

電子產(chǎn)品生產(chǎn)中幾項(xiàng)常規(guī)動作所產(chǎn)生的靜電電壓范圍如表1所示。

表1 不同條件下各種動作所產(chǎn)生的靜電情況

動作

相對濕度 /%

104055

靜電電壓 /V

人在塑膠地板上行走12 0005 0003 000

人在工作臺面上工作6 000800400

從塑料管中取出DIP2 000700400

從塑料盤中取出DIP11 5004 0002 000

從泡沫塑料中取出DIP14 5005 0003 500

從塑料包裝中取出PCB26 00020 0007 000

用泡沫塑料包裝PCB21 00011 0005 500

由此可見，一個很常見，很細(xì)微的動作，就會引起相當(dāng)高的靜電電壓，這也正是在研制生產(chǎn)中靜電的產(chǎn)生防不勝防的主要原因。

靜電放電(Electrostatic Discharge，ESD)的危害:這里需要說明的是，通常所說的靜電損傷，是指由于靜電的放電而造成的損傷。換句話講，人們常說的“防靜電”，并非是防止靜電的產(chǎn)生(也不可能完全防止)，而主要是防止靜電放電。隨著電子元器件的小型化與功能性的不斷增強(qiáng)，更容易受到ESD損傷。通常，靜電放電對元器件所造成的損傷主要有:

PN結(jié)的軟擊穿，降低產(chǎn)品的可靠性;

擊穿芯片單晶硅金屬鍍膜，造成廢品;

擊穿器件內(nèi)引線，造成廢品。

部分電子元器件對靜電的敏感度見表2。

表2 部分元器件對靜電的敏感度

元器件類型損壞電壓 /V

RF-FETS (MICROWAVE)1～5

MR-HEADS5

PENTIUM5

V.MOS30

MOSFET100

EPROM100

J.FET140

SAW150

OP AMP190

CMOS250

因此，按國軍標(biāo)規(guī)定[9]，A級防靜電工作區(qū)的靜電電位不超過±100 V，B級防靜電工作區(qū)的靜電電位不超過±1 000 V。而對于特殊產(chǎn)品(如磁頭)的生產(chǎn)，則要求人體所帶的靜電電壓值確保不能高于5 V。對于這一要求，常規(guī)的處理方式很難達(dá)到，必須采取特殊的方式加以保證。

2 防止靜電損傷的措施

根據(jù)靜電放電發(fā)生的原理與規(guī)律，提出防止靜電放電損傷的基本三要素:

防——防止靜電荷的積聚;

泄——建立安全的的泄放通路;

控——對所有防靜電措施的有效性進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。

這里需要說明的是第三條要素是在多年防靜電技術(shù)的發(fā)展與總結(jié)的基礎(chǔ)上提出的，是實(shí)現(xiàn)完全、徹底防止靜電放電損傷的關(guān)鍵措施。遺憾的是，目前在大多數(shù)廠家，對于有效性監(jiān)控還沒有得到應(yīng)有的重視。但是如果沒有有效性監(jiān)控，其他各項(xiàng)措施的有效性就得不到確認(rèn)與保證，這也正是多年來防靜電問題一直沒有得到完全解決的主要原因。以下將就上述三項(xiàng)措施的原理與方法進(jìn)行詳細(xì)討論。

2.1 防止靜電荷的積聚

由前述可知，靜電主要是因磨擦而引起。不同材料在磨擦后所產(chǎn)生的靜電電荷量也各不相同，即不同材料的表面起電量不同。因此，對因起電量大而容易產(chǎn)生靜電荷積聚的表面覆蓋一層起電量小、甚至不起電的材料，即可減少、甚至不會產(chǎn)生靜電。

防止靜電荷積聚的第二種方法是離子中和法。首先介紹一個概念——表面電阻率，即材料表面的單位面積上的表面電阻。由于靜電荷的產(chǎn)生與積聚均在材料的表面，因此表面電阻率決定了材料本身防靜電的技術(shù)特性。

按國軍標(biāo)規(guī)定，按照材料的表面電阻率的不同范圍，將材料劃分為以下三種:

導(dǎo)電體:表面電阻率小于105 Ω/m2;

靜電耗散材料:表面電阻率為105~1012 Ω/m2，也就是常說的防靜電材料;

絕緣體:表面電阻率大于1012 Ω/m2。

對于導(dǎo)電體與靜電耗散材料靜電荷可通過泄放通路得到泄放，而對于絕緣體而言，由于靜電荷在其表面不能發(fā)生遷移運(yùn)動，所產(chǎn)生靜電荷不能通過泄放的方式消除，此時，惟一行之有效的方法就是采用離子中和法。

離子中和法的原理是:絕緣體表面所產(chǎn)生的靜電荷以正、負(fù)電荷對稱產(chǎn)生，離子中和法是采用風(fēng)機(jī)向靜電荷積聚區(qū)吹送經(jīng)電離的、含有正、負(fù)離子的空氣氣流，氣流中的正、負(fù)離子將遵循同性相斥、異性相吸的原理與絕緣體表面所積聚的靜電電荷進(jìn)行中和，從而徹底將靜電消除。

離子中和法還可應(yīng)用于佩戴腕帶操作不方便的工位，如設(shè)備操作及總裝或調(diào)試工位等。在這些工位，可以將離子風(fēng)機(jī)懸吊于工位上方，離子風(fēng)機(jī)可以將人體及其他工具上產(chǎn)生的靜電荷即時中和。

目前世界上使用的離子風(fēng)機(jī)主要分為直流與交流兩類，其中直流風(fēng)機(jī)又可分為穩(wěn)態(tài)直流和脈沖直流兩種，目前穩(wěn)態(tài)直流由于具有獨(dú)特優(yōu)勢而被眾多企業(yè)廣泛采用，其主要優(yōu)勢在于:

正、負(fù)離子發(fā)射頭分開設(shè)置，離子自中和可能性降低;

可在低氣流量下正常發(fā)揮效用;

可近距離操作而不損傷敏感元器件。

2.2 建立安全的泄放通路

由上節(jié)可知，材料可以分為導(dǎo)電體、靜電耗散材料和絕緣體三大類。其中絕緣體表面的靜電荷主要靠離子中和法消除，以防止靜電積聚;而對于導(dǎo)電體與靜電耗散材料而言，由于靜電荷能夠遷移，從而可以通過接地的方式將生產(chǎn)中所產(chǎn)生的靜電荷泄放。但是為保證泄放的安全性，靜電的泄放必須通過靜電耗散材料進(jìn)行[5，6]。所謂的安全性是指無論對元器件，還是對人身都必須保證絕對的安全。安全性有二個指標(biāo):一是靜電電壓必須在10 s內(nèi)降至100 V;二是放電電流不能高于50 mA。也就是說，靜電的泄放既要快，又不能過快，過快的泄放即是放電。因此，在靜電的泄放路徑中需有一定的阻值。這也就是為什么在導(dǎo)電體與絕緣體之間分出了一個靜電耗散材料范圍的原因。

另一個需要強(qiáng)調(diào)的問題是接“地”。通常實(shí)驗(yàn)室有多個“地”，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，防靜電“地”必須與其他“地”嚴(yán)格分開，而且“地”的埋設(shè)方法、位置、深度等均有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2.3 有效性的實(shí)時監(jiān)控

提起防靜電，人們都會想到接地。接地是靜電防護(hù)技術(shù)的主要內(nèi)容之一，但多年來，許多電子企業(yè)均在此方面投入了大量的資金，收效卻不很理想，原因就是在進(jìn)行靜電防護(hù)改造時，只注重了地面與桌面等設(shè)施的接地，而沒有安裝或者不知道需要安裝實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)，從而對靜電控制裝置是否有效，是否所有的接地系統(tǒng)均正常等問題沒有絕對的把握。

防靜電是一個系統(tǒng)工程，當(dāng)前國際先進(jìn)企業(yè)的管理方法是將工作區(qū)劃分出非靜電防護(hù)區(qū)與靜電防護(hù)區(qū)(EPA)，在EPA內(nèi)不但需要采取相應(yīng)的防靜電措施，如鋪設(shè)防靜電地面、選用防靜電工作臺與工作椅、設(shè)立正確的接地系統(tǒng)、操作人員的接地腕帶等之外，還安裝著靜電設(shè)施有效性實(shí)時監(jiān)控裝置[7，8]。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，目前已能夠?qū)⑺泄铝⒌谋O(jiān)控裝置(包括溫度與濕度)組成局域網(wǎng)，實(shí)時提供給管理人員。

防靜電監(jiān)控設(shè)備可以安裝在EPA與EPA門庭。

2.3.1 防靜電工作區(qū)(EPA)門庭

按ISO9000質(zhì)量管理體系的要求，EPA入門處必須安裝人體靜電測試裝置并將測試結(jié)果記入生產(chǎn)檔案。因此，通常會安裝一個靜電電壓測量儀，相應(yīng)地在旁邊安裝有一個接地的金屬裝置(靜電釋放柱)[4，9，10]。如果人員被測出身體所帶靜電電壓超標(biāo)，就必須觸摸一下接地金屬，以泄放掉身體上的靜電，然后在桌上的表格內(nèi)簽名、打鉤后進(jìn)行入EPA。看起來似乎很合理，但實(shí)際上并不科學(xué)。原因是:(1) 人體所帶靜電是由于人體的不斷動作而產(chǎn)生的，進(jìn)行EPA后，人不可能不動，動就會產(chǎn)生靜電，這些靜電能否及時泄放，完全取決于人員本身的對地電阻是否合格。人體靜電電壓測量、泄放法只解決了入門的瞬間人體上的靜電荷泄放問題。進(jìn)入EPA后，如果人體的接地電阻不合格，所產(chǎn)生的靜電就不能及時得以泄放，同樣會造成ESD損傷。(2) 在簽名冊上的記錄，由于存在人為因素，所得結(jié)果不僅沒有任何的參考價值，而且統(tǒng)計、查詢都相當(dāng)困難，還造成大量的紙張浪費(fèi)。

防靜電門禁系統(tǒng)則根本不同，其的原理不是測量人體所帶靜電電壓，而是測量人體的接地電阻值——如圖1所示。欲進(jìn)入EPA的人員，必須經(jīng)過該系統(tǒng)的測試-通過佩戴手腕帶和/或腳腕帶測量人體的接地電阻是否符合要求。只有測試合格的人員，才能通過由測試系統(tǒng)控制的門禁系統(tǒng)進(jìn)入EPA。同時，記錄儀將被測試人員的卡號與測試時間、測試結(jié)果等自動存儲起來。管理人員可以定期將其下載至計算機(jī)中，按所喜歡的數(shù)據(jù)庫格式存檔備查(見圖2)。測試合格，說明人體對地電阻合格，則其無論進(jìn)入EPA后產(chǎn)生多少靜電荷，均能得到及時、安全地泄放，從根本上防止了ESD損傷的發(fā)生。

圖1 門禁系統(tǒng)

圖2 記錄數(shù)據(jù)

2.3.2 防靜電工作區(qū)(EPA)

由于進(jìn)入EPA人員的肢體動作，靜電還在隨時產(chǎn)生，惟一的泄放路徑是通過手腕帶或腳腕帶與地連接進(jìn)行泄放。此時的關(guān)鍵就在于人體-腕帶、腕帶-地及桌面-地等環(huán)節(jié)是否連接良好。如果這幾個環(huán)節(jié)中有一處出現(xiàn)問題，就會導(dǎo)致靜電無法安全泄放，也就會產(chǎn)生ESD損傷，這也正是許多部門靜電防護(hù)效果不理想的主要原因之一，具體歸納如下:

(1) 防靜電設(shè)施與地的連接可能會產(chǎn)生松動或脫落(接觸不良);

(2) 防靜電桌面隨著使用時間的增長而發(fā)生的失效;

(3) 腕帶損壞;

(4) 腕帶的佩戴不規(guī)范，如不戴、松馳、沒有緊貼皮膚等。

防止這些現(xiàn)象的發(fā)生是從根本上防止ESD損傷的關(guān)鍵所在。為此，可采用腕帶實(shí)時監(jiān)控儀:

(1) 可以同時監(jiān)控二個工位的二條腕帶和二個桌面;

(2) 通過測量人體的對地電阻值來監(jiān)控，不會發(fā)生誤判;

(3) 可監(jiān)控接地電阻值的上極限與下極限，同時保證元件與人身安全，且可自行調(diào)整;

(4) 具有網(wǎng)絡(luò)接口，可以實(shí)現(xiàn)全面網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時監(jiān)控與管理。

2.3.3 全面網(wǎng)絡(luò)實(shí)時監(jiān)控與管理

靜電防護(hù)工作的另外一個主要措施是實(shí)行科學(xué)有效的管理與監(jiān)督機(jī)制[6，7]，行之有效的手段之一即是對EPA實(shí)現(xiàn)全面網(wǎng)絡(luò)實(shí)時監(jiān)控與管理。對EPA所有的靜電控制設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。各種相關(guān)條件(如溫度、濕度等)及各裝置的狀態(tài)(如正常、高阻、低阻等)，均以相應(yīng)的圖形符號和顏色在計算機(jī)顯示器上顯示出來，監(jiān)控結(jié)果可以存入計算機(jī)中，作為產(chǎn)品的靜電控制檔案備查。實(shí)施這種管理可以使管理人員不用離開辦公桌即可對整個EPA中防靜電設(shè)施的工作狀態(tài)一目了然(見圖3)。計算機(jī)中所記錄的文件可以隨時調(diào)用，通過對這些文件進(jìn)行科學(xué)的分析與判斷，才能找出并確認(rèn)真正的故障原因。

圖3 實(shí)時監(jiān)控界面

3 結(jié) 語

靜電的產(chǎn)生防不勝防，靜電防護(hù)工作是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，因此需要對每個環(huán)節(jié)都同樣重視。靜電防護(hù)工程所涉及的部門很多，因此需要相互協(xié)調(diào)，共同努力。靜電防護(hù)工程所涉及的專業(yè)也很多，技術(shù)含量高，因此需要由技術(shù)部門總負(fù)責(zé)，提出要求、監(jiān)督施工與技術(shù)驗(yàn)收。

防靜電工作區(qū)EPA的防靜電改造通常包括以下內(nèi)容:

(1) 防靜電地的埋設(shè)，這是整個防靜電系統(tǒng)的基礎(chǔ)與根本，必須嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定埋設(shè)與安裝;

(2) 防靜電地面的鋪設(shè)，防靜電地面是包括人體靜電在內(nèi)的許多靜電的主要泄放通道，可靠性與耐久性是選材的主要指標(biāo);

(3) 工作臺、工作椅的購置，合理而可靠的接地通路是這類裝備的關(guān)鍵;

(4) 防靜電用輔助設(shè)施如料箱、周轉(zhuǎn)箱、周轉(zhuǎn)車等，在專業(yè)廠家選購;

(5) 防靜電工作服、工作鞋、手腕帶、腳腕帶等的選購;

(6) 防靜電工作區(qū)內(nèi)，按國軍標(biāo)要求進(jìn)行溫度、濕度控制，配備靜電消除器;

(7) 靜電實(shí)時監(jiān)控裝置的購置，這是確認(rèn)接地系統(tǒng)是否正常有效的惟一方法，安全、方便、準(zhǔn)確、可靠是對這類裝置的基本要求;

(8) 靜電測試儀表的購置，可用于定期檢查EPA局部的靜電量和防靜電材料的磨損狀況;

(9) 組成靜電實(shí)時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)靜電控制網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化、正規(guī)化的有效手段;

(10) 防靜電工作區(qū)EPA為明確劃定邊界的場所，有明顯標(biāo)記;

(11) 合理而嚴(yán)格并被認(rèn)真執(zhí)行的管理制度，這是保證所有靜電防護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)作的必要條件;

(12) 其他相關(guān)工作。

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