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靜電在SMT行業內的危害與防護

發布時間:2019-04-23 09:50:16點擊率:

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摘 要: SMT電路板表面貼裝技術是當今電路板集成制造領域內普遍使用的一項技術。靜電作為一種因摩擦感應而產生的電能,會對SMT制造行業帶來嚴重危害,尤其會對集成電路板上的SSD器件產生傷害。在SMT生產制造過程中開展針對靜電產生根源的分析與研究,并對各種SSD器件按照等級特性,進行分級防護,在企業內部建立起一套完整的防護靜電措施與制度。這樣才能有效杜絕靜電在整個生產過程中的產生與影響,保證SMT產品的質量與安全。
  關鍵詞: SMT; 敏感度; SSD器件; 靜電防護
  中圖分類號: TN911?34 文獻標識碼: A 文章編號: 1004?373X(2013)22?0043?04
  0 引 言
  電路板表面貼裝技術(Surface Mounted Technology,SMT)是目前集成電路制造領域內最為普遍使用的一種技術和工藝。它的目的就是將電子元器件通過自動貼片機貼裝到印有錫膏的PCB板上,再通過回流焊進行瞬間高溫焊接,將電子元件緊密固定在PCB板上的一個制作流程。
  SMT生產有很多工藝方法,是電子產品生產領域內一項自動化程度較高,工藝要求比較專業的制造行業。現在通過SMT生產,可將由過去傳統的電子元器件構成的人工插件式集成電路板變為由機械自動貼片式電子元器件構成的高密度、微型化、集成電路板。并使它的體積大大縮小,生產成本大大降低,可靠性也隨之提高。SMT全套生產設備主要由自動送板機、絲印機、回流焊機、自動收板機和AOI檢測儀器組成。
  靜電作為一種因摩擦感應產生的一種電能,它通常集聚在各種物體表面,本身帶有很大的電荷能量,一旦與大地導線連接,就會產生強烈的放電現象[1]。日常生活中就能夠經常看到這種結果的產生。如用塑料梳子梳頭、穿脫混紡毛衣時摩擦起電、氣候干燥時人體起電等現象。
  進入21世紀后,隨著科學技術的迅猛發展,在電子行業,尤其是在微電子制造領域內的芯片集成技術發展速度迅猛。由他們作為主體構成的各種現代化電子數碼產品的形狀變得越來越小巧靈活,實現了技術功能的多樣化,深受廣大群眾的歡迎與喜愛。受其影響,在其電子芯片內部絕緣層也變得越來越薄,器件之間的連接間距越來越短。這些因素容易導致大量靜電荷的產生,靜電的存在必將給SMT生產帶來嚴重危害及損失。
  如何確保在SMT的生產過程中,杜絕靜電對各種電子元器件產生的傷害,確保產品的質量和提升客戶的滿意度,就必須搞清楚SMT行業內靜電產生的根源,這樣才能在靜電的防護方面做出更有效的行動,拿出更加具體有效的措施,來保證電子產品的質量,更好地提升公司聲譽、增加公司利潤。
  1 靜電及ESD的定義
  如何消除和控制靜電荷放電(Electro Static Discharge,ESD),當前世界上許多發達國家都制定了各自國家的標準和規定。
  從一個電子產品的設計、制造、搬運、檢驗、調試、包裝、入庫、運輸等整個流程都有一套非常嚴格的防靜電的規章制度及要求。我國也在電子行業內部制定了一套完整的電子產品制造防靜電系統測試方法及標準。
  2 對靜電放電反應敏感的電子元器件
  在SMT生產過程中,受靜電危害最大的就要數SSD(Static Sensitive Device)器件。一旦SSD器件在生產過程中受到靜電放電傷害,就會導致整個產品報廢,無法使用[2]。SSD器件的種類有很多,但主要是以MOS電路構成的集成電路芯片。
  在實際生產過程中,還必須依據SSD器件種類及敏感度電壓分級表,制定出各種不同器件的防護電壓措施。部分SSD器件靜電敏感度如表1所示。
  3 在SMT生產中容易產生的靜電源
  (1)員工在生產現場的各項活動中最容易產生摩擦,主要包括身體與衣服,鞋,襪等物體之間的接觸、摩擦。因摩擦產生的靜電是整個SMT生產過程中最主要的靜電源之一。
  當人體產生靜電反應后如果接觸到接地線,就會發生靜電放電現象。人體就會感受到不同程度的電擊感反應,根據每個人體的阻抗值大小不同,反應程度也存在著個體差異。
  (2)職工如果身穿棉質或化纖工作服進行SMT作業生產,在生產過程中與座椅或工作臺摩擦時,也有可能使身體帶電,嚴重時可在服裝表面產生6 kV以上的靜電壓。如果此時操作工與電子元器件相接觸,就會導致放電,極易導致電子元器件損壞。
  (3)當職工腳穿用塑料或橡膠制作的鞋子時,如果鞋底的絕緣電阻高達1013 Ω時,此時與地面摩擦時就會產生靜電荷,并使人體帶電。
  (4)在電子產品包裝時,如果用樹脂、漆膜、塑料膜對電子器件進行包裝。那么在產品運輸工程中電子器件表面就會與包裝材料相互摩擦,可能會產生幾百伏的靜電壓。直接影響SSD器件的安全性及可靠性。
  (5)當在使用由各種化工產品做成的各種物料包裝袋、散料收集盒、物料周轉車、板架框時都會相互之間產生碰撞、摩擦,這些行為都有可能產生上千伏的靜電壓,這也是對SMT生產帶來危害的靜電源之一。
  (6)未經防靜電處理的普通工作臺面,也會因受到各種各樣的摩擦產生靜電荷。
  (7)如果生產場地是由混凝土、橡膠、水磨石或其他絕緣電阻值過高材料構成的地板,就難以將人體因摩擦所帶的靜電荷導入地面,產生危害的靜電源。
  (8)SMT生產設備與工具在使用過程中,也是產生靜電的原因之一。例如:絲印機、貼片機、回流焊機、熱風拆焊臺、電烙鐵在工作時因反復運動,或與其他物體頻繁接觸摩擦,導致物體表面產生出靜電荷。如果設備或工具沒有進行良好接地,就會給產品上的SSD器件帶來傷害。
  4 靜電防護原理
  在SMT生產過程中,不產生靜電荷是不可能的。對其產品帶來危害的根本原因在于靜電荷的積累,并由此產生放電現象。   究其原因,可利用以下原理進行防護:
  (1)防止靜電荷聚集,對有可能產生靜電荷的地方進行防護處理。一定要將其控制在工藝要求的安全范圍內。
  (2)采取各種有效措施,將已經產生并存在于各種物體表面的靜電荷迅速釋放消除掉。
  5 靜電防護方法
  (1)設備及工具表面應具有良好接地
  某公司是根據國家標準,采用布埋大地導線,設立靜電樁的方法,來保證公司生產場地具有一個獨立的大地連接線結構。使用交流阻抗表測量靜電接地線與接地樁及大地間的阻抗小于10 Ω,才能符合防靜電標準要求。這種方法又稱為硬接地[3]。
  (2)通過1 MΩ電阻接地的辦法對各種工作臺面、地墊進行防護
  包括員工使用靜電腕帶也是通過1 MΩ電阻接地的辦法對人體進行防護。通過1 MΩ電阻接地的目地是為了確保對地泄放小于5 mA的電流。這種方法又稱為軟接地。
  (3)正確使用防靜電材料
  根據(SJ/T10630?1995)電子元器件制造防靜電技術要求,在SMT生產過程中必須使用由表面電阻105~108 Ω·cm防靜電材料制作的各種包材及周轉用具。
  6 靜電的消除方法
  靜電的消除方法大致分為兩類:
  (1)導體靜電的消除方法
  如果導體上帶有靜電,就可以用連接接地導線的形式使靜電流回大地,注意防止泄漏電流過快、過大對SSD器件造成傷害。必須將靜電電壓在1 s內降到100 V以下的安全范圍。
  通常為了操作安全,通過1 MΩ的限流電阻連接物體與大地導線,將泄放電流限制在5 mA以下。
  (2)絕緣物體的靜電消除方法
  ①增加工作場所環境濕度,使物體表面不易聚集靜電荷。還可使非導體材料的表面電導率提高,加速電荷流動。
  ②采用活性靜電消除劑,經常對物體及儀器表面進行擦洗,可快速清除各種物體表面的靜電荷。
  ③在工作臺及貼片機頭附近安裝使用離子風咀,利用高壓電離出空氣中的電荷與物體表面上的靜電電荷相中和,從而達到消除靜電的目的,具有快速、穩定的特點。
  ④對極易產生靜電荷的設備,可采用靜電屏蔽罩進行屏蔽并連接接地線。
  7 SMT生產所使用的防護器材
  (1)人體防護器材主要有:防靜電鞋、襪、衣、帽、手套等。
  (2)生產場所地面主要有靜電活動地板、PVC防靜電塑料地板、涂蠟防靜電水磨石地面、防靜電橡膠地面、防靜電合成地墊等。
  (3)防靜電工具
  主要包括熱風拆焊臺、可調溫式電焊臺、物流周轉車、離子風扇、各種規格防靜電包裝袋、防靜電桌墊、椅墊等。
  (4)SMT場所用靜電測試儀器
  有腕帶測試儀、人體靜電測試儀、靜電場測試儀、兆歐表。
  8 SMT生產現場防靜電技術指標要求
  為了在SMT產品制造過程中盡可能少的產生靜電,防止靜電荷聚集,并將其快速消除,及時釋放,應從生產廠房的設計到設備的安裝、操作、儀器測量、職工著裝以及各項管理制度的建立等方面采取有效措施。
  (1)根據國家電子產品防護措施及要求,生產場地要求如下:
  ①生產場所在室溫控制為(24±3) ℃,相對濕度為40%~60%時,地面或地板的表面電阻值必須達到105~108 Ω;靜電電壓小于2 500 V。
  ②防靜電地極接地電阻小于10 Ω。
  ③工作臺面或桌墊的表面電阻值必須達到106~109 Ω,摩擦電壓小于100 V,對地電阻達到106~108 Ω。工作椅面對腳輪電阻達到106~108 Ω。
  ④物流周轉車臺面對車輪系統電阻為106~109 Ω之間。
  ⑤物料盒、周轉箱、PCB板架等物流傳遞器具表面電阻值在103~108 Ω范圍內,摩擦電壓小于100 V。各種防靜電包裝袋、盒的摩擦電壓小于100 V。
  (2)根據國家電子產品防護措施及要求,生產職工著裝要求如下:
  ①職工身穿工作服、帽、手套相互之間所產生的摩擦電壓小于300 V;鞋底摩擦電壓小于100 V。
  ②職工佩戴靜電腕帶連接電纜電阻為1 MΩ,佩帶腕帶時系統電阻1~10 MΩ。
  ③腳跟帶 (鞋束)系統電阻為0.5×105~108 Ω。人體綜合電阻必須控制在106~108 Ω范圍內。
  9 SMT防靜電生產的特殊要求
  在SMT生產場所必須設立防靜電標識線,規劃設計出防靜電區域,建立懸掛各種防靜電警示標志牌。根據國家軍用標準電子產品防靜電放電控制大綱的分級方法,對SSD器件分級如下所述。
  (1)Ⅰ級(0~1 999 V)
  微波器件(肖特基二極管)、離散型MOSFET器件、聲表面波SAW器件、結型場效應晶體管(JFET?s)、電耦合器件(CCD?s)、精密熱穩二極管、運算放大器(OPAMP?s)、薄膜電阻器、MOS集成電路(IC)、超高速集成電路(UHSIC)、可控硅整流器以及使用Ⅰ級原器件的混合電路。
  (2)Ⅱ級(2 000~3 999 V)
  離散型MOSFET器件、結型場效應晶體管(JFET?s)、運算放大器(OPAMP?s)、IC集成電路、超高速集成電路(UHSIC)、低功率雙極型晶體管、精密電阻網絡(RZ)、由實驗數據確定為Ⅱ級的元器件和微電路以及使用Ⅱ級原器件的混合電路。
  (3)Ⅲ級(4 000~15 999 V)
  離散型MOSFET器件、運算放大器(OPAMP?s)、IC集成電路、超高速集成電路(UHSIC)、低功率雙極型晶體管、小信號二極管、硅整流器、片狀電阻器、壓電晶體、光電器件、由實驗數據確定為Ⅲ級的元器件和微電路以及使用Ⅲ級原器件的混合電路。靜電敏感度范圍超過1 600 V以上的電子元器件統稱為非靜電敏感度產品。在SMT實際生產過程中一定要按照SSD器件不同級別針對性制訂不同的防護措施。   10 SMT作業區防靜電具體措施及辦法
  (1)生產車間的室溫應控制在(24±3) ℃,相對濕度控制在(40%~60%)RH。嚴禁在濕度低于30%的環境下進行SSD器件生產。
  (2)建立起各級靜電管理員制度,專人負責管理各靜電防護區域的檢查工作,定期對地面、工作臺面、周轉箱等表面電阻值進行測量。
  (3)建立一套完整的行為規章制度,在防靜電區域內禁止擺放各種非生產物品。
  (4)工作人員必須穿戴好防靜電工作帽、服、鞋、襪后方可進入SMT生產場所。進入防靜電區域時必須佩帶防靜電腕帶或手套,應首先需放電,然后再作安全性檢測,檢測合格后方能操作生產。
  (5)在測試SSD器件時,應遵循“取一測一”的原則。嚴禁亂堆亂放。
  (6)SSD器件在使用、運輸、存儲過程中都有許多特殊要求。
  (7)存放SSD器件的庫房相對濕度[4]一定要控制在(30%~40%)RH。
  (8)SSD器件在運輸、存儲、轉運過程中一定要使用由防靜電材料做成的真空包裝袋,并貼有防靜電專用標簽,盡量使用原包裝。
  (9)SSD器件產品在運輸工程中,嚴禁相互擠壓、摩擦。必須采取防靜電措施運輸[5]。
  11 結 語
  靜電防護是一項綜合性工程,它涉及到SMT生產領域中各個環節。因而需要根據實際情況,采取多方面的措施方法,方能達到控制事故的目的。如果在靜電防護工作中忽視,很小的細節都有可能造成不可修復的損壞。建立起一個有效的計劃要求和一套有效嚴密的運作程序來保證所有工廠地面、人員的行為都是ESD安全的。
  

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