EPA的实时监控与静电防护
摘 要:随着电子技术高速发展,大规模集成电路大量使用,对电子元器件及其组件在包装、运输、储存、电子装联、清洗和测试等各环节的静电防护要求越来越严格。通过对静电的产生及危害的描述,阐述了静电防护的三要素:防——防止静电荷的积聚;泄——建立安全的的泄放通路;控——对所有防静电措施的有效性进行实时监控。阐述了在防静电工作区内实施全面网络实时监控与管理的必要性和可行性。
关键词:EPA(防静电工作区);静电防护;ESD(静电放电);实时监控
中图分类号:TP274 文献标识码:A
文章编号: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
随着电子技术的飞速发展,电子设备日趋小型化、智能化。大规模集成电路被广泛使用,这种器件具有集成度高、运算速度快、低功耗和输入阻抗高等特点,也对静电越来越敏感。因而,在新产品的开发中,对静电的防护也越来越重要[1-3]。关于研制生产中的静电防护技术,已讨论多年了,但可以说并没有得到根本的解决。本文将结合近年来国际先进防静电技术的发展,就EPA(Electrostatic Discharge Protected Area,防静电工作区)静电防护技术的原理和具体措施进行阐述。
1 静电的产生与危害
从原理上讲,静电的产生主要有以下三种方式:摩擦起电、接触带电、感应带电。对于后二种方式比较容易预防与控制。在实际生产中最难以控制的主要是第一种起电方式——摩擦起电,是由于人体的动作及设备的运动而产生的。
日常生活中人们所接触到的静电放电情况如下:
当人能够听到放电声时,此时的静电电压为2～3 kV;当能够感到静电电击时,电压已达3～4 kV;而当能够看到静电放电火花时,电压则至少在5 kV以上。
电子产品生产中几项常规动作所产生的静电电压范围如表1所示。
表1 不同条件下各种动作所产生的静电情况
动作
相对湿度 /%
104055
静电电压 /V
人在塑胶地板上行走12 0005 0003 000
人在工作台面上工作6 000800400
从塑料管中取出DIP2 000700400
从塑料盘中取出DIP11 5004 0002 000
从泡沫塑料中取出DIP14 5005 0003 500
从塑料包装中取出PCB26 00020 0007 000
用泡沫塑料包装PCB21 00011 0005 500
由此可见,一个很常见,很细微的动作,就会引起相当高的静电电压,这也正是在研制生产中静电的产生防不胜防的主要原因。
静电放电(Electrostatic Discharge,ESD)的危害:这里需要说明的是,通常所说的静电损伤,是指由于静电的放电而造成的损伤。换句话讲,人们常说的“防静电”,并非是防止静电的产生(也不可能完全防止),而主要是防止静电放电。随着电子元器件的小型化与功能性的不断增强,更容易受到ESD损伤。通常,静电放电对元器件所造成的损伤主要有:
PN结的软击穿,降低产品的可靠性;
击穿芯片单晶硅金属镀膜,造成废品;
击穿器件内引线,造成废品。
部分电子元器件对静电的敏感度见表2。
表2 部分元器件对静电的敏感度
元器件类型损坏电压 /V
RF-FETS (MICROWAVE)1～5
MR-HEADS5
PENTIUM5
V.MOS30
MOSFET100
EPROM100
J.FET140
SAW150
OP AMP190
CMOS250
因此,按国军标规定[9],A级防静电工作区的静电电位不超过±100 V,B级防静电工作区的静电电位不超过±1 000 V。而对于特殊产品(如磁头)的生产,则要求人体所带的静电电压值确保不能高于5 V。对于这一要求,常规的处理方式很难达到,必须采取特殊的方式加以保证。
2 防止静电损伤的措施
根据静电放电发生的原理与规律,提出防止静电放电损伤的基本三要素:
防——防止静电荷的积聚;
泄——建立安全的的泄放通路;
控——对所有防静电措施的有效性进行实时监控。
这里需要说明的是第三条要素是在多年防静电技术的发展与总结的基础上提出的,是实现完全、彻底防止静电放电损伤的关键措施。遗憾的是,目前在大多数厂家,对于有效性监控还没有得到应有的重视。但是如果没有有效性监控,其他各项措施的有效性就得不到确认与保证,这也正是多年来防静电问题一直没有得到完全解决的主要原因。以下将就上述三项措施的原理与方法进行详细讨论。
2.1 防止静电荷的积聚
由前述可知,静电主要是因磨擦而引起。不同材料在磨擦后所产生的静电电荷量也各不相同,即不同材料的表面起电量不同。因此,对因起电量大而容易产生静电荷积聚的表面覆盖一层起电量小、甚至不起电的材料,即可减少、甚至不会产生静电。
防止静电荷积聚的第二种方法是离子中和法。首先介绍一个概念——表面电阻率,即材料表面的单位面积上的表面电阻。由于静电荷的产生与积聚均在材料的表面,因此表面电阻率决定了材料本身防静电的技术特性。
按国军标规定,按照材料的表面电阻率的不同范围,将材料划分为以下三种:
导电体:表面电阻率小于105 Ω/m2;
静电耗散材料:表面电阻率为105~1012 Ω/m2,也就是常说的防静电材料;
绝缘体:表面电阻率大于1012 Ω/m2。
对于导电体与静电耗散材料静电荷可通过泄放通路得到泄放,而对于绝缘体而言,由于静电荷在其表面不能发生迁移运动,所产生静电荷不能通过泄放的方式消除,此时,惟一行之有效的方法就是采用离子中和法。
离子中和法的原理是:绝缘体表面所产生的静电荷以正、负电荷对称产生,离子中和法是采用风机向静电荷积聚区吹送经电离的、含有正、负离子的空气气流,气流中的正、负离子将遵循同性相斥、异性相吸的原理与绝缘体表面所积聚的静电电荷进行中和,从而彻底将静电消除。
离子中和法还可应用于佩戴腕带操作不方便的工位,如设备操作及总装或调试工位等。在这些工位,可以将离子风机悬吊于工位上方,离子风机可以将人体及其他工具上产生的静电荷即时中和。
目前世界上使用的离子风机主要分为直流与交流两类,其中直流风机又可分为稳态直流和脉冲直流两种,目前稳态直流由于具有独特优势而被众多企业广泛采用,其主要优势在于:
正、负离子发射头分开设置,离子自中和可能性降低;
可在低气流量下正常发挥效用;
可近距离操作而不损伤敏感元器件。
2.2 建立安全的泄放通路
由上节可知,材料可以分为导电体、静电耗散材料和绝缘体三大类。其中绝缘体表面的静电荷主要靠离子中和法消除,以防止静电积聚;而对于导电体与静电耗散材料而言,由于静电荷能够迁移,从而可以通过接地的方式将生产中所产生的静电荷泄放。但是为保证泄放的安全性,静电的泄放必须通过静电耗散材料进行[5,6]。所谓的安全性是指无论对元器件,还是对人身都必须保证绝对的安全。安全性有二个指标:一是静电电压必须在10 s内降至100 V;二是放电电流不能高于50 mA。也就是说,静电的泄放既要快,又不能过快,过快的泄放即是放电。因此,在静电的泄放路径中需有一定的阻值。这也就是为什么在导电体与绝缘体之间分出了一个静电耗散材料范围的原因。
另一个需要强调的问题是接“地”。通常实验室有多个“地”,按标准规定,防静电“地”必须与其他“地”严格分开,而且“地”的埋设方法、位置、深度等均有标准规定。
2.3 有效性的实时监控
提起防静电,人们都会想到接地。接地是静电防护技术的主要内容之一,但多年来,许多电子企业均在此方面投入了大量的资金,收效却不很理想,原因就是在进行静电防护改造时,只注重了地面与桌面等设施的接地,而没有安装或者不知道需要安装实时监控系统,从而对静电控制装置是否有效,是否所有的接地系统均正常等问题没有绝对的把握。
防静电是一个系统工程,当前国际先进企业的管理方法是将工作区划分出非静电防护区与静电防护区(EPA),在EPA内不但需要采取相应的防静电措施,如铺设防静电地面、选用防静电工作台与工作椅、设立正确的接地系统、操作人员的接地腕带等之外,还安装着静电设施有效性实时监控装置[7,8]。随着网络技术的发展,目前已能够将所有孤立的监控装置(包括温度与湿度)组成局域网,实时提供给管理人员。
防静电监控设备可以安装在EPA与EPA门庭。
2.3.1 防静电工作区(EPA)门庭
按ISO9000质量管理体系的要求,EPA入门处必须安装人体静电测试装置并将测试结果记入生产档案。因此,通常会安装一个静电电压测量仪,相应地在旁边安装有一个接地的金属装置(静电释放柱)[4,9,10]。如果人员被测出身体所带静电电压超标,就必须触摸一下接地金属,以泄放掉身体上的静电,然后在桌上的表格内签名、打钩后进行入EPA。看起来似乎很合理,但实际上并不科学。原因是:(1) 人体所带静电是由于人体的不断动作而产生的,进行EPA后,人不可能不动,动就会产生静电,这些静电能否及时泄放,完全取决于人员本身的对地电阻是否合格。人体静电电压测量、泄放法只解决了入门的瞬间人体上的静电荷泄放问题。进入EPA后,如果人体的接地电阻不合格,所产生的静电就不能及时得以泄放,同样会造成ESD损伤。(2) 在签名册上的记录,由于存在人为因素,所得结果不仅没有任何的参考价值,而且统计、查询都相当困难,还造成大量的纸张浪费。
防静电门禁系统则根本不同,其的原理不是测量人体所带静电电压,而是测量人体的接地电阻值——如图1所示。欲进入EPA的人员,必须经过该系统的测试-通过佩戴手腕带和/或脚腕带测量人体的接地电阻是否符合要求。只有测试合格的人员,才能通过由测试系统控制的门禁系统进入EPA。同时,记录仪将被测试人员的卡号与测试时间、测试结果等自动存储起来。管理人员可以定期将其下载至计算机中,按所喜欢的数据库格式存档备查(见图2)。测试合格,说明人体对地电阻合格,则其无论进入EPA后产生多少静电荷,均能得到及时、安全地泄放,从根本上防止了ESD损伤的发生。
图1 门禁系统
图2 记录数据
2.3.2 防静电工作区(EPA)
由于进入EPA人员的肢体动作,静电还在随时产生,惟一的泄放路径是通过手腕带或脚腕带与地连接进行泄放。此时的关键就在于人体-腕带、腕带-地及桌面-地等环节是否连接良好。如果这几个环节中有一处出现问题,就会导致静电无法安全泄放,也就会产生ESD损伤,这也正是许多部门静电防护效果不理想的主要原因之一,具体归纳如下:
(1) 防静电设施与地的连接可能会产生松动或脱落(接触不良);
(2) 防静电桌面随着使用时间的增长而发生的失效;
(3) 腕带损坏;
(4) 腕带的佩戴不规范,如不戴、松驰、没有紧贴皮肤等。
防止这些现象的发生是从根本上防止ESD损伤的关键所在。为此,可采用腕带实时监控仪:
(1) 可以同时监控二个工位的二条腕带和二个桌面;
(2) 通过测量人体的对地电阻值来监控,不会发生误判;
(3) 可监控接地电阻值的上极限与下极限,同时保证元件与人身安全,且可自行调整;
(4) 具有网络接口,可以实现全面网络化实时监控与管理。
2.3.3 全面网络实时监控与管理
静电防护工作的另外一个主要措施是实行科学有效的管理与监督机制[6,7],行之有效的手段之一即是对EPA实现全面网络实时监控与管理。对EPA所有的静电控制设备进行实时监控。各种相关条件(如温度、湿度等)及各装置的状态(如正常、高阻、低阻等),均以相应的图形符号和颜色在计算机显示器上显示出来,监控结果可以存入计算机中,作为产品的静电控制档案备查。实施这种管理可以使管理人员不用离开办公桌即可对整个EPA中防静电设施的工作状态一目了然(见图3)。计算机中所记录的文件可以随时调用,通过对这些文件进行科学的分析与判断,才能找出并确认真正的故障原因。
图3 实时监控界面
3 结 语
静电的产生防不胜防,静电防护工作是一项系统工程,因此需要对每个环节都同样重视。静电防护工程所涉及的部门很多,因此需要相互协调,共同努力。静电防护工程所涉及的专业也很多,技术含量高,因此需要由技术部门总负责,提出要求、监督施工与技术验收。
防静电工作区EPA的防静电改造通常包括以下内容:
(1) 防静电地的埋设,这是整个防静电系统的基础与根本,必须严格按标准规定埋设与安装;
(2) 防静电地面的铺设,防静电地面是包括人体静电在内的许多静电的主要泄放通道,可靠性与耐久性是选材的主要指标;
(3) 工作台、工作椅的购置,合理而可靠的接地通路是这类装备的关键;
(4) 防静电用辅助设施如料箱、周转箱、周转车等,在专业厂家选购;
(5) 防静电工作服、工作鞋、手腕带、脚腕带等的选购;
(6) 防静电工作区内,按国军标要求进行温度、湿度控制,配备静电消除器;
(7) 静电实时监控装置的购置,这是确认接地系统是否正常有效的惟一方法,安全、方便、准确、可靠是对这类装置的基本要求;
(8) 静电测试仪表的购置,可用于定期检查EPA局部的静电量和防静电材料的磨损状况;
(9) 组成静电实时监控网络,是实现静电控制网络化、系统化、正规化的有效手段;
(10) 防静电工作区EPA为明确划定边界的场所,有明显标记;
(11) 合理而严格并被认真执行的管理制度,这是保证所有静电防护系统正常运作的必要条件;
(12) 其他相关工作。
参考文献
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