随着纳米技术的日益发展,集成电路的集成密度越来越高,相应的耐静***穿电压(Vesd)也越来越低,另一方面,一些表面电阻率很高的高分子材料如塑料、橡胶制品的广泛应用以及现代生产过程的***性,仅美国电子工业一年因ESD造成的损失就达几百亿美元。、ESD electrostatic discharge是电子工业中普遍存在的"硬病毒",在某个内外因条件具备的时刻便会发作,可以遵循以下四项原则,建立起有效的静电控制程序。
把静电控制体现到设计中
要做到更为有效的ESD控制,首先在器件和产品的设计中,应充分体现静电防护的思想,在器件内部设置静电防护元件(ESD Protection Device),尽量使用对静电不敏感的器件以及对所使用的静电放电敏感(ESDS,ESD-sensitive)器件提供适当的输入保护,使其更合理地 避免ESD的伤害。
MOS工艺是集成电路制造的主导技术,以金属-氧化物-半导体场效应管为基本构造元件。由于MOS器件中场效应管理的栅、源极之间是一层亚微米级的绝缘棚 氧化层,故其输入阻抗通常大于1000M,并且具有5pF左右的输入电容,极易受到静电的损害。因此,在MOS器件的输入级中均设置了电阻-二极管防护网 络,串联电阻能够限制尖峰电流,二极管则能限制瞬间的尖峰电压。器件内常见的防护元件还有:电容、双极晶体管、可控硅整流器(SCR,见图1)等,ESD 发生时,它们在受保护器件之前迅速作出反应,将ESD的能量吸收、释放,使被保护器件所受冲击大为降低。正常情况下,防护元件在其一次崩溃(First Breakdown)区内工作,不会受到ESD损伤,一旦外加电压或电流过量(Overstress),进入二次崩溃(Secondary Breakdown)区的防护元件将受到不可逆转的损害,失去对器件的保护作用。
目前许多厂家已经研制出具有内部保护电路的器件,一系列相应的测试标准也颂布执行,如MAXIM公司研制的模拟开关MAX4551,具有15kV的ESD 保护功能,它们必须在正常工作、停机模式和断电状态下,依据IEC1340-3-1***模型、IEC1000-4-2空气间隙放电、IEC 1000-4-4快速瞬变(FTB)放电等标准,接受多项模似ESD测试,确保符合IEC1000-4-2Level4要求。
此外,生产环境的防静电设计也是ESD控制的关键所在,设计的依据是电子器件绝缘膜静***穿电压(Vesd)、整机中敏感器件的Vesd以及生产设备的耐 静电性能。制造必须定义和坚持一个特殊的ESD控制级别,该级别由生产过程中***为敏感的元件所决定,生产环境必须保障该级别的安全性。当不知道***敏感元件 的级别时,制造商应该执行***-625标准,它将ESD保护的工作区域定义为"安全区",不包含可能产生高于200V的放电源。国际上已有多篇***提出 以二次崩溃电流做为静电敏感级别的判定依据,能够***测量二次崩溃电流的传输线触波发生器(TLPG)也已成为ESD防护研发中的重要工具。
坚持预防为主
消除产生静电的过程,在生产和储运过程中尽可能地减少产生静电的工序和材料,可以在很大程度上消除静电的产生与积累。为***静电的产生和积 累,EPA区域内应尽量避免使用表面电阻率高的普通塑料、聚乙烯、***制品,如化纤地毯、尼龙服、布质仪器罩等,这些物品一经磨擦就会产生静电且不易释 放;要尽可能地减少尘埃,尘埃粒子通常附着电荷;操作者应杜绝用手、服装触及电路板和各种IC引脚;清洗印刷电路板(PCB)时,只使用ESD认可的自然 毛刷和溶剂;在所有操作和检查中尽可能地减少印刷电路装置(PCA,printed circuit assembly)的移动,可能的话减少操作次数;器件应存储在完全闭合的屏蔽容器内,或者引脚朝下放在耗散性接地垫子上;PCB或器件上跟踪工作过程 (WIP,work in process)的标签也应使用静电耗散性标签。
敏感器件的物流也是一个不容疏忽的环节。在这个过程中,元器件不可以避免地要与外包装相磨擦产生静电,而且暴露在外界电场中(如经过高压设备附近)的敏感 器件也极易受到***、很可能在我们还没有意识到的状况下,敏感器件已经受损、因此储运时应采用耗散性或防静电屏蔽包装,不能用易产生静电的尼龙及普通塑料 制品,且只在准备使用时才将ESD器件从包装中取出来。
安全地泄放或中和静电
同样,无论措施多少严密,完全消除静电几乎是不可能的,所以我们的第三条原则是,安全地泄放或中和静电,其中接地是***基本***有效的方法。接地为静电冲击提 供良好的泄放通道,使带电体上积聚的静电荷得以顺利泄出,迅速导入大地,避免了对敏感元件的放电。接地效果的好坏直接影响到整个静电防护的效果,如果接地 效果差,将导致整个防静电体系失效,产品将处于在一个充满静电的险境,只有从测试放电点到***终接地汇接点中的任何一个环节都保持通畅,才能确保静电安全泄 放。IEC1340-5-1对接地电阻作了规定,国内航天工业标准QJ1950-90也有类似规定,综合考虑,电子工业中生产和使用场所的接地电阻应在 10以下,接地导线必须连接牢固,并有足够的机械强度,否则在松断部位可能会产生火花,固定设备接地导线应是1.25mm以上的多股可挠的编织电线,地线 提供给防静电腕带、地板和工作台表面。
普通塑料等绝缘体上的静电荷,不能用接地的方法来消除,但可以利用极性相反的电荷来中和。目前常采用的是静电消除器,利用高压发生装置产生的地电流高电压作用下,形成一个稳定的高强电场,电离空气形成离子体。由气流带出达到物体表面,达到中和静电的目的,电离器件上有专门的清洁器,可以清除电离针上的积灰,保持电离器件的正常工作。
好亚通离子风静电消除设备有专用的离子平衡电路,可以达到离子的自动平衡。消除静电的功能,可以解决因静电作用引起的生产问题,如解决静电引起的吸尘问题,塑料制品加工时的粘合问题,静电排诉引起的小零件跳跃问题。并在***附近形成很强的电场,使空气电晕放电,产生正、负离子,异性离子在电场作用下向带电体运动,因以可以连续地中和可能发生在绝缘体表面的任何电荷积累。
适度控制环境温湿度,也可以有效遏制静电的杀伤力。温度与温度对ESD都有影响,在同一个大气环境中,温度较低区域会比温度较高的区域相对湿度更大,而湿 度增加则便非导体材料的表面电导率增加,空气导电性能增强,物体上积蓄的静电荷可以更快地泄漏,可见环境温度越低,湿度越大,对静电的防护就越有利。因此 在工艺条件许可时,可以使用空调加湿、风扇喷雾器喷射水雾、地面洒水等方法提高空气的相对湿度,降低静电的危害。当然,通常应将温度控制在18-28度范 围,湿度控制于40-65%RH范围内。
实时检测生产进程与环境
生产过程中关注的静电参数有电场强度、静电电位、电荷量和电阻率。电荷量是静电***本质的物理量,但现场测量不方便,通常代以测量物体表面的静电电位,测量 时常采用非接触式静电电压表,不与被测物体接触,因而对被测物体的静电影响很小。物体的防静电性能可通过检测其表面电阻率或体电阻率来鉴定,而电场强度静 征了工作环境中静电积聚的能量,对EPA的确定至关重要。常用的检测仪器有场强计、手/脚腕带检测仪,表面阻抗测试仪、静电电压表、电荷量表等,***新的综 合监测设备可对区域中的静电状况***监测,任一参数超标即自动报警。
检测是ESD控制的必要手段,应在生产的各个环节中实时进行。操作员每次进入EPA之前需测试手/脚腕带、防静电鞋、防静电工作服的性能;必须有专人负责 EPA的检测与维护,定期检查各种ESD设备、用具、接地装置是否满足防静电的要求;管理人员应定期检查各个工位的防静电情况,发现不符合要求时,要实时 整改;检测结果要整理归档并作为质量管理体系认证的一部分加以核查。
以上四条原则是建立ESD控制程序的基础,一个有效的ESD控制体系,光有防静电硬件系统是远远不够的,还得有一套行之有效并得到贯彻实施的培训、管理制度和操作程序。美国学者DennisPolinski认为,一个 有效的ESD控制程序应包括以下元素:设立一个ESD防护统筹人或小组、明确来自ESD的损失、评估你的实施过程与需要、确认ESD敏感项目、需求***高管 理层的支持、建立和实施规程与规定、人员培训和回顾、审查、分析、报告、提供反馈与改进。
静电防护是一项系统工程,必须贯彻整体防护思想,综合运用均压、接地、泄流、屏蔽和箝位等技术,构成一个完整的防护体系,才能取得明显的效果。
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