电子封装净化间的静电防护及监控

2013-12-05夏林胜陈该青朱春临程明生

电子与封装 2013年3期

夏林胜，陈该青，朱春临，程明生

（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥 230088）

1 引言

随着科学技术的飞速发展，电子产品集成化迅速提高，小型化、多功能器件大量生产和广泛应用，器件内部绝缘层越来越薄，其互连线与间距越来越小，击穿电压越来越低[1]，这些器件对静电极为敏感，通常被称为静电敏感器件（SSD），易受到静电放电（ESD）而损伤乃至损坏。美国专家统计，电子工业部门每年因静电危害损坏造成的损失高达百亿美元[2]。

电子封装净化间内承担着电子产品装配任务，需要进行元器件插装、焊接、组装、调试、测试、储存等工序，在整个装配过程中，由于接触分离、磨擦等作用，使厂房内部组成元素如人（人员）、机（设备）、料（材料、器件）等产生静电，很容易对产品造成静电危害。因此必须重视静电的影响，采取有效的静电防护措施，降低静电危害，提高产品的装配成品率，降低成本。

2 静电的产生与危害

两种不同的材料相接触，当它们之间的距离小于25×10-8cm时，由于隧道效应，两种材料内的电子穿过界面而相互交换。当达到平衡时，材料之间产生一定的电位差，界面两侧出现了等量异号电荷，如图1所示。若把接触后的两种材料分开，两种材料将分别带等量异号的静电荷，这就是静电产生的基本原理[3]。

图1 静电产生原理图

从静电产生的基本原理可以看出，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。在产品生产制造的整个环节中，很多工序都可能产生静电，某电子部件的制造流程如图2所示。在这些工序中都可能使操作人员、工具、工作台面、元器件及包装等产生静电，静电源与其他物体接触时，依据电荷中和的原则，存在着电荷流动，传送足够的电量以抵消电压。在高速电量的传送过程中，将产生潜在的破坏电压、电流以及电磁场，形成静电放电，可随时对产品造成静电危害。

图2 电子部件的制造流程

电子产品生产中几项常见动作所产生的静电如表1所示。

静电的危害具有隐蔽性、潜在性、随机性、复杂性等特点[5]，一般的静电放电人体并未感知，而元器件却在不知不觉中受到损伤；一些元器件受静电放电损伤后，仅表现出某些性能参数下降，但尚未失效，在继续使用的情况下可能导致失效；电子元器件的静电放电损伤可能在产品从加工到制造到使用维护的任一环节、任一步骤、与任何有关带电人体（或物体）接触时发生，具有很大的随机性；有些静电损伤也难以与其他原因造成的损伤加以区别，使人误把静电损伤失效当作其他失效，从而做出错误判断。

表1 不同条件下各种动作所产生的静电情况[4]

对于电子产品装配来说，静电的危害严重影响到产品的质量、成品率和可靠性，必须对用于电子产品装配的净化间进行系统防静电措施，将生产过程中的静电危害程度降至最低。

3 静电防护

净化间静电防护应遵守以下基本原则：

（1）防止静电荷积聚；

（2）建立安全的静电泄放通路；

（3）采取有效的静电监控设备进行系统静电监控。

3.1 良好的接地系统

接地是指把金属导体与大地连接，使它和大地等电势，静电接地的目的是增快静电泄漏和导流，使带电物体的静电荷得以顺利释放，以避免静电积聚。净化间内，为了防止静电串扰，带来额外静电危害，应设置多路接地，如防静电接地、交流工作接地、直流工作接地、防雷接地、屏蔽接地等，这些接地共用一个接地体，接地体由三处埋入地下2 m的角铁组成，为保证接地效果良好，接地电阻应小于4 Ω。

为了消除净化间静电防护死角，防静电接地采用截面积为100 mm2镀锡铜排，沿厂房内墙高于地面0.3 m敷设，通过门槛或过道处引上吊顶敷设，在柱子上设接地端子，如图3所示。

3.2 良好的静电消散通道

地面贯穿于整个净化间，地面的导电性能直接影响到厂房的防静电效果，导电性良好的地面可以使地板上的人或物体所带的电荷能很快地泄露到大地中。根据防静电等级不同，地面可选择采用不同材料，对于A级防静电区域，应使用导静电材料，表面电阻率小于1.0×106Ω/□；对于其他等级防静电区域，可使用静电耗散型材料，表面电阻率小于1.0×106～1.0×109Ω/□[6]。

净化间内墙、天花板等内装修材料应具有防静电功能，墙面、天花板材料的表面电阻率应小于1.0×1010Ω/□。

图3 防静电接地图示

3.3 良好的环境控制

环境的温湿度对静电的控制有重要的影响。由于水分子具有强极性和高电容率，可以大大降低电子产品的表面电阻率，显著改善其表面导电性能。增加环境湿度，使非导体材料的表面电导率增加，则积蓄的静电荷可以加快泄漏，静电发生的程度就降低，湿度过低则容易产生静电，过高设备易结露。因此湿度应控制在一个范围内，如30%～75%。温度对湿度的影响较大，当绝对湿度一定时，相对湿度随温度升高而降低。环境温度的变化，可能加剧静电的危害。温度的变化率不能太大，温度变化过于剧烈会对设备精度产生影响，或使元器件表面结露，同时使产生静电的可能性也增大。根据厂房实际应用需求，可设定工作温度范围，如25±5 ℃。

利用净化间的环境封闭特性，预先设定合适的温湿度范围，通过空调自控系统调节，确保厂房处于良好的工作环境，降低静电危害。

4 静电监控

针对某些产品装配对静电控制的严格要求，洁净封装厂房除了采取传统的静电防护措施外，还需对静电产生环节进行监控、记录。根据净化间实际情况，可采用防静电门禁系统和静电在线监控系统实现对静电的有效监控、记录。

4.1 防静电门禁系统

为了更有效对静电进行防护，须从静电来源进行源头控制。为此在净化间中引入防静电门禁系统。防静电门禁系统是第一道防静电措施，它能检测出每个进入防静电区域的工作人员的防静电措施或装备是否合格。防静电监控系统功能模块包括：员工身份确认、权限确认以及防静电腕带和防静电鞋的检测、计算机控制中心等。门禁系统静电阈值按照国军标要求进行设置。

为确保防静电门禁的有效性，将门禁系统与通往工作区的风淋门进行联动，即将门禁信号载入到风淋门控制系统中，如图4所示。人员穿戴好洁净衣帽鞋后，站在门禁系统的脚踏板上进行检测，如果检测合格，门禁系统向风淋门控制系统输入“1”信号，解锁风淋门，人员方可进入；如果检测不合格，门禁系统向风淋门控制系统输入“0”信号，风淋门被锁死，人员无法进入。只有采取相应去静电措施，通过系统监测，方可进入工作区。采取这种形式，将传统的被动泄放静电改为主动进行静电监控，可有效防止静电从出入通道进入。

图4 防静电门禁系统

检测数据可上传到控制中心，在计算机内自动形成记录文件，对进入工作区的工作人员身份、检测通过情况进行详细记录，如图4所示，满足某些特殊产品研制过程可追溯的要求。

4.2 静电在线监控系统

行之有效的静电防护手段之一则是对净化间EPA实现全面网络实时监控与管理。采用静电在线监控系统，可实现对工作人员的接地腕带、工作台面进行静电实时监控，以及数据储存、分析和考勤等完整的功能集合。

这种系统把腕带监控器、腕带、网络控制器、数据转换器和计算机、软件等组成一个完整的静电监控系统。腕带监控器对每个工作人员的腕带接地情况、每个工位工作台垫的接地情况进行实时监控，一旦出现接地故障，系统会以声音和灯光的形式报警，同时对这个工位的接地情况进行记录并存储起来，形成了很高的产品研制过程可追溯性，如图5所示。静电在线监控系统的最大特点就是实时监控，将静电防护化虚为实。