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淺談SMT電子産品制造中的防靜電技術

作者:admin时间:2021-04-13 16:58:54340 次浏览

信息摘要:

在電子産品制造中,靜電放電往往會損傷器件,甚至使器件失效,造成嚴重損失,因此SMT生産中的靜電防護非常重要。本文介紹與分析電子産品制造中的靜電産生源及靜電防護原理,較

 在電子産品制造中,靜電放電往往會損傷器件,甚至使器件失效,造成嚴重損失,因此SMT生産中的靜電防護非常重要。本文介紹與分析電子産品制造中的靜電産生源及靜電防護原理,較詳細地介紹了SMT生産中的一些靜電防護技術基礎與相應措施。

  SMT電子産品制造中的防靜電技術

  1.靜電和靜電的危害

  靜電是一種電能,它存留于物體表面,是正負電荷在局部範圍內失去平衡的結果,是通過電子或離子的轉換而形成的。靜電現象是電荷在産生和消失過程中産生的電現象的總稱。如摩擦起電、人體起電等現象。

  隨著科技發展,靜電現象已在靜電噴塗、靜電紡織、靜電分選、靜電成像等領域得到廣泛的有效應用。但在另一方面,靜電的産生在許多領域會帶來重大危害和損失。例如在第一個阿波羅載人宇宙飛船中,由于靜電放電導致爆炸,使三名宇航員喪生;在火藥制造過程中由于靜電放電(ESD),造成爆炸傷亡的事故時有發生。

  在電子工業中,隨著集成度越來越高,集成電路的內絕緣層越來越薄,互連導線寬度與間距越來越小,例如CMOS器件絕緣層的典型厚度約爲0.1μm,其相應耐擊穿電壓在80-100V;VMOS器件的絕緣層更薄,擊穿電壓在30V。而在電子産品制造中以及運輸、存儲等過程中所産生的靜電電壓遠遠超過MOS器件的擊穿電壓,往往會使器件産生硬擊穿或軟擊穿(器件局部損傷)現象,使其失效或嚴重影響産品的可靠性。

  

  爲了控制和消除ESD,美國、西歐和日本等發達國家均制定了國家、軍用和企業標准或規定。從靜電敏感元器件的設計、制造、購買、入庫、檢驗、倉儲、裝配、調試、半成品與成品的包裝、運輸等均有相應規定,對靜電防護器材的制造使用和管理也有較嚴格的規章制度要求。我國也參照國際標准制定了軍用和企業標准。例如有航天部、機電部、石油部等標准。

  2.靜電敏感器件(SSD)

  對靜電反應敏感的器件稱爲靜電敏感元器件(SSD)。靜電敏感器件主要是指超大規模集成電路,特別是金屬化膜半導體(MOS電路)。表1爲靜電敏感器件的分級表。可根據SSD分級表,針對不同的SSD器件,采取不同的靜電防護措施。

  3.電子産品制造中的靜電源

  (1)人體的活動,人與衣服、鞋、襪等物體之間的摩擦、接觸和分離等産生的靜電是電子産品制造中主要靜電源之一。人體靜電是導致器件産生硬(軟)擊穿的主要原因。人體活動産生的靜電電壓約0.5-2KV。另外空氣濕度對靜電電壓影響很大,若在幹燥環境中還要上升1個數量級。表2爲相對濕度對與人體活動帶電的關系。

  人體帶電後觸摸到地線,會産生放電現象,人體就會産生不同程度的電擊感反應,其反應的程度稱爲電擊感度。表3爲不同靜電壓放電過程中人體的電擊感度。

  (2)化纖或棉制工作服與工作台面、坐椅摩擦時,可在服裝表面産生6000V以上的靜電電壓,並使人體帶電,此時與器件接觸時,會導致放電,容易損壞器件。

  (3)橡膠或塑料鞋底的絕緣電阻高達1013Ω,當與地面摩擦時産生靜電,並使人體帶電。

  

  (4)樹脂、漆膜、塑料膜封裝的器件放人包裝中運輸時,器件表面與包裝材料摩擦能産生幾百伏的靜電電壓,對敏感器件放電。

  (5)用PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、PS(聚內乙烯)、PVR(聚胺脂)、PVC和聚脂、樹脂等高分子材料制作的各種包裝、料盒、周轉箱、PCB架等都可能因摩擦、衝擊産生1-3.5KV靜電電壓,對敏感藉件放電。

  (6)普通工作台面,受到摩擦産生靜電。

  (7)混凝土、打臘抛光地板、橡膠板等絕緣地面的絕緣電阻高,人體上的靜電荷不易泄漏。

  (8)電子生産設備和工具方面:例如電烙鐵、波峰焊機、再流焊爐、貼裝機、調試和檢測等設備內的高壓變壓器、交/盲流電路都會在設備蔔感應出靜電。如果設備靜電泄放措施不好,都會引起敏感器件在制造過程中失效。烘箱內熱空氣循環流動與箱體摩擦、CO2低溫箱冷卻箱內的CO2蒸汽均會可産生大量的靜電荷。

  4.靜電防護原理

  電子産品制造中,不産生靜電是不可能的。産生靜電不是危害所在,其危害所在于靜電積聚以及由此産生的靜電放電。靜電防護的核心是“靜心消除”。

  靜電防護原理:

  (1)對可能産生靜電的地方要防止靜電積聚。采取措施在安全範圍內。

  (2)對已經存在的靜電積聚迅速消除掉,即時釋放。

  5.靜電防護方法

  (1)使用防靜電材料:金屬是導體,因導體的漏放電流大,會損壞器件。另外由于絕緣材料容易産生摩擦起電,因此不能采用金屬和絕緣材料作防靜電材料。而是采用表面電阻l×105Ω·cm以下的所謂靜電導體,以及表面電阻1×105-1×108Ω·cm的靜電亞導體作爲防靜電材料。例如常用的靜電防護材料是在橡膠中混入導電碳黑來實現的,將表面電阻控制在1×106Ω·cm以下。

  

  (2)泄漏與接地:對可能産生或已經産生靜電的部位進行接地,提供靜電釋放通道。采用埋大地線的方法建立“獨立”地線。使地線與大地之間的電阻<10Ω。

  靜電防護材料接地方法:將靜電防護材料(如于作台面墊、地墊、防靜電腕帶等)通過1MΩ的電阻接到通向獨立大地線的導體上(參見SJ/T10630-1995)。串接1MΩ電阻是爲了確保對地泄放<5mA的電流,稱爲軟接地。設備外殼和靜電屏蔽罩通常是直接接地,稱爲硬接地。

  (3)導體帶靜電的消除:導體上的靜電可以用接地的方法使靜電泄漏到大地。放電體蔔的電壓與釋放時間可用下式表示:UT=U0L1/RC式中 UT-T時刻的電壓(V) U0一起始電壓(V) R-等效電阻(Ω) C-導體等效電容(pf)

  一般要求在1秒內將靜電泄漏。即1秒內將電壓降至1OOV以下的安全區。這樣可以防止泄漏速度過快、泄漏電流過大對SSD造成損壞。若U0=500V,C=200pf,想在1秒內使UT達到100V,則要求R=1.28×109Ω。因此靜電防護系統中通常用1MΩ的限流電阻,將泄放電流限制在5mA以下。這是爲操作安全設計的。如果操作人員在靜電防護系統中,不小心觸及到220V工業電壓,也不會帶來危險。

  

  (4)非導體帶靜電的消除:對于絕緣體上的靜電,由于電荷不能在絕緣體上流動,因此不能用接地的方法消除靜電。可采用以下措施:

  (a)使用離子風機—離子風機産生正、負離子,可以中和靜電源的靜電。可設置在空間和貼裝機貼片頭附近。

  (b)使用靜電消除劑—靜電消除劑屬于表面活性劑。可用靜電消除劑檫洗儀器和物體表面,能迅速消除物體表面的靜電。

  (c)控制環境濕度—增加濕度可提高非導體材料的表面電導率,使物體表面不易積聚靜電。例如北方幹燥環境可采取加濕通風的措施。

  (d)采用靜電屏蔽—對易産生靜電的設備可采用屏蔽罩(籠),並將屏蔽罩(籠)有效接地。

  (5)工藝控制法:爲了在電子産品制造中盡量少的産生靜電,控制靜電荷積聚,對已經存在的靜電積聚迅速消除掉,即時釋放,應從廠房設計、設備安裝、操作、管理制度等方面采取有效措施。

  6.靜電防護器材

  (1)人體防靜電系統包括防靜電腕帶、工作服、帽、手套、鞋、襪等。

  (2)防靜電地面包括防靜電水磨石地面、防靜電橡膠地面、PVC防靜電塑料地板、防靜電地毯、防靜電活動地板等。

  (3)防靜電操作系列:包括防靜電:I:作台墊、防靜電包裝袋、防靜電物流小車、防靜電烙鐵及工具等。

  

  7.靜電測量儀器.

  (1)靜電場測試儀:用于測量台面、地面等表面電阻值。平面結構場合和非平面場合要選擇不同規格的測量儀。

  (2)腕帶測試儀:測量腕帶是否有效。

  (3)人體靜電測試儀:用于測量人體攜帶的靜電量,人體雙腳之間的阻抗,測量人體之間的靜電差,腕帶、接地插頭、工作服等是否阻護有效。還可以作爲入門放電,把人體靜電隔在車間之外。

  (4)兆歐表:用于測量所有導電型、抗靜電型及靜電泄放型表面的阻抗或電阻。

  8.電子産品制造中防靜電技術指標要求

  (1)防靜電地極接地電阻<10Ω。

  (2)地面或地墊:表面電阻值105-1010Ω;摩擦電壓<100V。

  (3)牆壁:電阻值5×104-109Ω。

  (4)工作台面或墊:表面電阻值106-109Ω;摩擦電壓<100V;對地系統電阻106-108Ω。

  (5)工作椅面對腳輪電阻106-108Ω。

  (6)工作服、帽、手套摩擦電壓<300V;鞋底摩擦電壓<100V。

  (7)腕帶連接電纜電阻1MΩ;佩帶腕帶時系統電阻1-1OMΩ。腳跟帶(鞋束)系統電阻0.5×105-108Ω。

  (8)物流車台面對車輪系統電阻106-109Ω。

  (9)料盒、周轉箱、PCB架等物流傳遞器具一表面電阻值103-108Ω;摩擦電壓<100V。

  (10)包裝代、盒一摩擦電壓<100V。

  (11)人體綜合電阻106-108Ω。

  9 防靜電措施及靜電作業區(點)的一般要求

  SMT生産設備必須接地良好,貼裝機應采用三相無線制接地法並獨立接地。生産場所的地面、工作台面墊、坐椅等均應符合防靜電要求。車間內保持恒溫、恒濕的環境。應配備防靜電料盒、周轉箱、PCB架、物流小車、防靜電包裝帶、防靜電腕帶、防靜電烙鐵及工具等設施。

  (1)根據防靜電要求設置防靜電區域,並有明顯的防靜電警示標志。按作業區所使用器件的靜電敏感程度分成1、2、3級,根據不同級別制訂不同的防護措施。

  1級靜電敏感程度範圍:0-1999V

  2級靜電敏感程度範圍:2000-3999V

  3級靜電敏感程度範圍:4000-15999V

  16000V以上是非靜電敏感程産品。

  (2)靜電安全區(點)的室溫爲23±3℃,相對濕度爲45-70%RH。禁止在低于30%的環境內操作SSD(靜電敏感元器件)。

  (3)定期測量地面、桌面、周轉箱等表面電阻值。

  (4)靜電安全區(點)的工作台上禁止放置非生産物品,如餐具、茶具、提包、毛織物、報紙、橡膠手套等。

  (5)工作人員進入防靜電區域,需放電。操作人員進行操作時,必須穿工作服和防靜電鞋、襪。每次上崗操作前必須作靜電防護安全性檢查,合格後才能生産。

  (6)操作時要戴防靜電腕帶,每天測量腕帶是否有效。

  (7)測試SSD時應從包裝盒、管、盤中取一塊,測一塊,放一塊,不要堆在桌子上。經測試不合格器件應退庫。

  (8)加電測試時必須遵循加電和去電順序:低電壓→高電壓→信號電壓的順序進行。去電順序與此相反。同時注意電源極性不可顛倒,電源電壓不得超過額定值。

  (9)檢驗人員應熟悉SSD的型號、品種、測試知識,了解靜電保護的基本知識。

  

  10.靜電敏感元器件(SSD)運輸、存儲、使用要求

  (1)SSD運輸過程中不得掉落在地,不得任意脫離包裝。

  (2)存放SSD的庫房相對濕度:30-40%RH。

  (3)SSD存放過程中保持原包裝,若須更換包裝時,要使用具有防靜電性能的容器。

  (4)庫房裏,在放置SSD器件的位置上應貼有防靜電專用標簽。

  (5)發放SSD器件時應用目測的方法,在SSD器件的原包裝內清點數量。

  (6)對EPROM進行寫、擦及信息保護操作時,應將寫入器/擦除器充分接地,要帶防靜電手镯。

  (7)裝配、焊接、修板、調試等操作人員都必須嚴格按照靜電防護要求進行操作。

  (8)測試、檢驗合格的印制電路板在封裝前應用離子噴槍噴射一次,以消除可能積聚的靜電荷。

  11.防靜電工作區的管理與維護

  (1)制訂防靜電管理制度,並有專人負責。

  (2)備用防靜電工作服、鞋、手镯等個人用品以備外來人員使用。

  (3)定期維護、檢查防靜電設施的有效性。

  (4)腕帶每周(或天)檢查一次。

  (5)桌墊、地墊的接地性、靜電消除器的性能每月檢查一次。

  (6)防靜電元器件架、印制板架、周轉箱;運輸車、桌墊、地墊的防靜電性能每六個月檢查次。
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