電子封裝凈化間的靜電防護及監(jiān)控

夏林勝，陳該青，朱春臨，程明生

（中國電子科技集團公司第38研究所，合肥 230088）

1 引言

隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品集成化迅速提高，小型化、多功能器件大量生產(chǎn)和廣泛應用，器件內(nèi)部絕緣層越來越薄，其互連線與間距越來越小，擊穿電壓越來越低[1]，這些器件對靜電極為敏感，通常被稱為靜電敏感器件（SSD），易受到靜電放電（ESD）而損傷乃至損壞。美國專家統(tǒng)計，電子工業(yè)部門每年因靜電危害損壞造成的損失高達百億美元[2]。

電子封裝凈化間內(nèi)承擔著電子產(chǎn)品裝配任務(wù)，需要進行元器件插裝、焊接、組裝、調(diào)試、測試、儲存等工序，在整個裝配過程中，由于接觸分離、磨擦等作用，使廠房內(nèi)部組成元素如人（人員）、機（設(shè)備）、料（材料、器件）等產(chǎn)生靜電，很容易對產(chǎn)品造成靜電危害。因此必須重視靜電的影響，采取有效的靜電防護措施，降低靜電危害，提高產(chǎn)品的裝配成品率，降低成本。

2 靜電的產(chǎn)生與危害

兩種不同的材料相接觸，當它們之間的距離小于25×10-8cm時，由于隧道效應，兩種材料內(nèi)的電子穿過界面而相互交換。當達到平衡時，材料之間產(chǎn)生一定的電位差，界面兩側(cè)出現(xiàn)了等量異號電荷，如圖1所示。若把接觸后的兩種材料分開，兩種材料將分別帶等量異號的靜電荷，這就是靜電產(chǎn)生的基本原理[3]。

圖1 靜電產(chǎn)生原理圖

從靜電產(chǎn)生的基本原理可以看出，靜電的產(chǎn)生主要有以下三種方式：摩擦起電、接觸帶電、感應帶電。在產(chǎn)品生產(chǎn)制造的整個環(huán)節(jié)中，很多工序都可能產(chǎn)生靜電，某電子部件的制造流程如圖2所示。在這些工序中都可能使操作人員、工具、工作臺面、元器件及包裝等產(chǎn)生靜電，靜電源與其他物體接觸時，依據(jù)電荷中和的原則，存在著電荷流動，傳送足夠的電量以抵消電壓。在高速電量的傳送過程中，將產(chǎn)生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場，形成靜電放電，可隨時對產(chǎn)品造成靜電危害。

圖2 電子部件的制造流程

電子產(chǎn)品生產(chǎn)中幾項常見動作所產(chǎn)生的靜電如表1所示。

靜電的危害具有隱蔽性、潛在性、隨機性、復雜性等特點[5]，一般的靜電放電人體并未感知，而元器件卻在不知不覺中受到損傷；一些元器件受靜電放電損傷后，僅表現(xiàn)出某些性能參數(shù)下降，但尚未失效，在繼續(xù)使用的情況下可能導致失效；電子元器件的靜電放電損傷可能在產(chǎn)品從加工到制造到使用維護的任一環(huán)節(jié)、任一步驟、與任何有關(guān)帶電人體（或物體）接觸時發(fā)生，具有很大的隨機性；有些靜電損傷也難以與其他原因造成的損傷加以區(qū)別，使人誤把靜電損傷失效當作其他失效，從而做出錯誤判斷。

表1 不同條件下各種動作所產(chǎn)生的靜電情況[4]

對于電子產(chǎn)品裝配來說，靜電的危害嚴重影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、成品率和可靠性，必須對用于電子產(chǎn)品裝配的凈化間進行系統(tǒng)防靜電措施，將生產(chǎn)過程中的靜電危害程度降至最低。

3 靜電防護

凈化間靜電防護應遵守以下基本原則：

（1）防止靜電荷積聚；

（2）建立安全的靜電泄放通路；

（3）采取有效的靜電監(jiān)控設(shè)備進行系統(tǒng)靜電監(jiān)控。

3.1 良好的接地系統(tǒng)

接地是指把金屬導體與大地連接，使它和大地等電勢，靜電接地的目的是增快靜電泄漏和導流，使帶電物體的靜電荷得以順利釋放，以避免靜電積聚。凈化間內(nèi)，為了防止靜電串擾，帶來額外靜電危害，應設(shè)置多路接地，如防靜電接地、交流工作接地、直流工作接地、防雷接地、屏蔽接地等，這些接地共用一個接地體，接地體由三處埋入地下2 m的角鐵組成，為保證接地效果良好，接地電阻應小于4 Ω。

為了消除凈化間靜電防護死角，防靜電接地采用截面積為100 mm2鍍錫銅排，沿廠房內(nèi)墻高于地面0.3 m敷設(shè)，通過門檻或過道處引上吊頂敷設(shè)，在柱子上設(shè)接地端子，如圖3所示。

3.2 良好的靜電消散通道

地面貫穿于整個凈化間，地面的導電性能直接影響到廠房的防靜電效果，導電性良好的地面可以使地板上的人或物體所帶的電荷能很快地泄露到大地中。根據(jù)防靜電等級不同，地面可選擇采用不同材料，對于A級防靜電區(qū)域，應使用導靜電材料，表面電阻率小于1.0×106Ω/□；對于其他等級防靜電區(qū)域，可使用靜電耗散型材料，表面電阻率小于1.0×106～1.0×109Ω/□[6]。

凈化間內(nèi)墻、天花板等內(nèi)裝修材料應具有防靜電功能，墻面、天花板材料的表面電阻率應小于1.0×1010Ω/□。

圖3 防靜電接地圖示

3.3 良好的環(huán)境控制

環(huán)境的溫濕度對靜電的控制有重要的影響。由于水分子具有強極性和高電容率，可以大大降低電子產(chǎn)品的表面電阻率，顯著改善其表面導電性能。增加環(huán)境濕度，使非導體材料的表面電導率增加，則積蓄的靜電荷可以加快泄漏，靜電發(fā)生的程度就降低，濕度過低則容易產(chǎn)生靜電，過高設(shè)備易結(jié)露。因此濕度應控制在一個范圍內(nèi)，如30%～75%。溫度對濕度的影響較大，當絕對濕度一定時，相對濕度隨溫度升高而降低。環(huán)境溫度的變化，可能加劇靜電的危害。溫度的變化率不能太大，溫度變化過于劇烈會對設(shè)備精度產(chǎn)生影響，或使元器件表面結(jié)露，同時使產(chǎn)生靜電的可能性也增大。根據(jù)廠房實際應用需求，可設(shè)定工作溫度范圍，如25±5 ℃。

利用凈化間的環(huán)境封閉特性，預先設(shè)定合適的溫濕度范圍，通過空調(diào)自控系統(tǒng)調(diào)節(jié)，確保廠房處于良好的工作環(huán)境，降低靜電危害。

4 靜電監(jiān)控

針對某些產(chǎn)品裝配對靜電控制的嚴格要求，潔凈封裝廠房除了采取傳統(tǒng)的靜電防護措施外，還需對靜電產(chǎn)生環(huán)節(jié)進行監(jiān)控、記錄。根據(jù)凈化間實際情況，可采用防靜電門禁系統(tǒng)和靜電在線監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對靜電的有效監(jiān)控、記錄。

4.1 防靜電門禁系統(tǒng)

為了更有效對靜電進行防護，須從靜電來源進行源頭控制。為此在凈化間中引入防靜電門禁系統(tǒng)。防靜電門禁系統(tǒng)是第一道防靜電措施，它能檢測出每個進入防靜電區(qū)域的工作人員的防靜電措施或裝備是否合格。防靜電監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊包括：員工身份確認、權(quán)限確認以及防靜電腕帶和防靜電鞋的檢測、計算機控制中心等。門禁系統(tǒng)靜電閾值按照國軍標要求進行設(shè)置。

為確保防靜電門禁的有效性，將門禁系統(tǒng)與通往工作區(qū)的風淋門進行聯(lián)動，即將門禁信號載入到風淋門控制系統(tǒng)中，如圖4所示。人員穿戴好潔凈衣帽鞋后，站在門禁系統(tǒng)的腳踏板上進行檢測，如果檢測合格，門禁系統(tǒng)向風淋門控制系統(tǒng)輸入“1”信號，解鎖風淋門，人員方可進入；如果檢測不合格，門禁系統(tǒng)向風淋門控制系統(tǒng)輸入“0”信號，風淋門被鎖死，人員無法進入。只有采取相應去靜電措施，通過系統(tǒng)監(jiān)測，方可進入工作區(qū)。采取這種形式，將傳統(tǒng)的被動泄放靜電改為主動進行靜電監(jiān)控，可有效防止靜電從出入通道進入。

圖4 防靜電門禁系統(tǒng)

檢測數(shù)據(jù)可上傳到控制中心，在計算機內(nèi)自動形成記錄文件，對進入工作區(qū)的工作人員身份、檢測通過情況進行詳細記錄，如圖4所示，滿足某些特殊產(chǎn)品研制過程可追溯的要求。

4.2 靜電在線監(jiān)控系統(tǒng)

行之有效的靜電防護手段之一則是對凈化間EPA實現(xiàn)全面網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控與管理。采用靜電在線監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)對工作人員的接地腕帶、工作臺面進行靜電實時監(jiān)控，以及數(shù)據(jù)儲存、分析和考勤等完整的功能集合。

這種系統(tǒng)把腕帶監(jiān)控器、腕帶、網(wǎng)絡(luò)控制器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和計算機、軟件等組成一個完整的靜電監(jiān)控系統(tǒng)。腕帶監(jiān)控器對每個工作人員的腕帶接地情況、每個工位工作臺墊的接地情況進行實時監(jiān)控，一旦出現(xiàn)接地故障，系統(tǒng)會以聲音和燈光的形式報警，同時對這個工位的接地情況進行記錄并存儲起來，形成了很高的產(chǎn)品研制過程可追溯性，如圖5所示。靜電在線監(jiān)控系統(tǒng)的最大特點就是實時監(jiān)控，將靜電防護化虛為實。

圖5 靜電在線監(jiān)控系統(tǒng)

5 結(jié)束語

電子封裝凈化間的靜電防護工作是一項長期的系統(tǒng)工程，須貫徹整體防護思想，采取系統(tǒng)的、有效的方式對靜電進行控制和防護，形成一個完整的防護體系。樹立防靜電的質(zhì)量意識并使之貫穿在產(chǎn)品的整個研制過程中，并采取行之有效的靜電監(jiān)控措施，才能實現(xiàn)對靜電的有效防護，滿足產(chǎn)品的高質(zhì)量、高可靠性的要求。

[1] 劉璐. 電子產(chǎn)品中的靜電防護[J]. 信息技術(shù)與標準化，2011，7∶ 64-66.

[2] 劉建斌，田智會. 靜電對電子產(chǎn)品的危害及其防護[J].裝備環(huán)境工程, 2006，3（6）∶66-69.

[3] 陸承祖，王克起. 靜電原理及防災[M]. 天津：天津大學出版社，1991.

[4] 曲利新. EPA的實時監(jiān)控與靜電防護[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，3∶182-185.

[5] 鮮飛. 淺談電子制造過程中的靜電及靜電防護[J]. 電子與封裝，2010, 10（2）∶31-34.

[6] 孔斌，孫延林，魏光輝，等. 防靜電工作區(qū)技術(shù)要求[S].GJB 3007A-2009. 2009, 5-6.