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SMT生产中的静电防护技术基础与相应措施




关键词:SMT 静电防护

在电子产品制造中,静电放电往往会损伤器件,甚至使器件失效,造成严重损失,因此SMT生产中的静电防护非常重要。本文介绍与分析了电子产品制造中的静电产生源及静电防护原理,较详细地介绍了SMT生产中的一些静电防护技术基础与相应措施。供大家参考。

1.静电和静电的危害

静电是一种电能,它存留于物体表面,是正负电荷在局部范围内失去平衡的结果,是通过电子或离子的转换而形成的。静电现象是电荷在产生和消失过程中产生的电现象的总称。如摩擦起电、人体起电等现象。

随着科技发展,静电现象已在静电喷涂、静电纺织、静电分选、静电成像等领域得到广泛的有效应用。但在另一方面,静电的产生在许多领域会带来重大危害和损失。例如在第一个阿波罗载人宇宙飞船中,由于静电放电导致爆炸,使三名宇航员丧生;在火药制造过程中由于静电放电(ESD),造成爆炸伤亡的事故时有发生。在电子工业中,随着集成度越来越高,集成电路的内绝缘层越来越薄,互连导线宽度与间距越来越小,例如CMOS器件绝缘层的典型厚度约为0.1μm,其相应耐击穿电压在80-100V;VMOS器件的绝缘层更薄,击穿电压在30V。而在电子产品制造中以及运输、存储等过程中所产生的静电电压远远超过MOS器件的击穿电压,往往会使器件产生硬击穿或软击穿(器件局部损伤)现象,使其失效或严重影响产品的可靠性。

为了控制和消除ESD,美国、西欧和日本等发达国家均制定了国家、军用和企业标准或规定。从静电敏感元器件的设计、制造、购买、入库、检验、仓储、装配、调试、半成品与成品的包装、运输等均有相应规定,对静电防护器材的制造使用和管理也有较严格的规章制度要求。我国也参照国际标准制定了军用和企业标准。例如有航天部、机电部、石油部等标准。

2.静电敏感器件(SSD)

对静电反应敏感的器件称为静电敏感元器件(SSD)。静电敏感器件主要是指超大规模集成电路,特别是金属化膜半导体(MOS电路)。表1为静电敏感器件的分级表。可根据SSD分级表,针对不同的SSD器件,采取不同的静电防护措施。

3.电子产品制造中的静电源

(1)人体的活动,人与衣服、鞋、袜等物体之间的摩擦、接触和分离等产生的静电是电子产品制造中主要静电源之一。人体静电是导致器件产生硬(软)击穿的主要原因。人体活动产生的静电电压约0.5-2KV。另外空气湿度对静电电压影响很大,若在干燥环境中还要上升1个数量级。表2为相对湿度对与人体活动带电的关系。

人体带电后触摸到地线,会产生放电现象,人体就会产生不同程度的电击感反应,其反应的程度称为电击感度。表3为不同静电压放电过程中人体的电击感度。

(2)化纤或棉制工作服与工作台面、坐椅摩擦时,可在服装表面产生6000V以上的静电电压,并使人体带电,此时与器件接触时,会导致放电,容易损坏器件。

(3)橡胶或塑料鞋底的绝缘电阻高达1013Ω,当与地面摩擦时产生静电,并使人体带电。

(4)树脂、漆膜、塑料膜封装的器件放人包装中运输时,器件表面与包装材料摩擦能产生几百伏的静电电压,对敏感器件放电。

(5)用PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、PS(聚内乙烯)、PVR(聚胺脂)、PVC和聚脂、树脂等高分子材料制作的各种包装、料盒、周转箱、PCB架等都可能因摩擦、冲击产生1-3.5KV静电电压,对敏感藉件放电。

(6)普通工作台面,受到摩擦产生静电。

(7)混凝土、打腊抛光地板、橡胶板等绝缘地面的绝缘电阻高,人体上的静电荷不易泄漏。

(8)电子生产设备和工具方面:例如电烙铁、波峰焊机、再流焊炉、贴装机、调试和检测等设备内的高压变压器、交/盲流电路都会在设备卜感应出静电。如果设备静电泄放措施不好,都会引起敏感器件在制造过程中失效。烘箱内热空气循环流动与箱体摩擦、CO2低温箱冷却箱内的CO2蒸汽均会可产生大量的静电荷。

4.静电防护原理

电子产品制造中,不产生静电是不可能的。产生静电不是危害所在,其危害所在于静电积聚以及由此产生的静电放电。静电防护的核心是“静心消除”。

静电防护原理:

(1)对可能产生静电的地方要防止静电积聚。采取措施在安全范围内。

(2)对已经存在的静电积聚迅速消除掉,即时释放。

5.静电防护方法

(1)使用防静电材料:金属是导体,因导体的漏放电流大,会损坏器件。另外由于绝缘材料容易产生摩擦起电,因此不能采用金属和绝缘材料作防静电材料。而是采用表面电阻l×105Ω·cm以下的所谓静电导体,以及表面电阻1×105-1×108Ω·cm的静电亚导体作为防静电材料。例如常用的静电防护材料是在橡胶中混入导电碳黑来实现的,将表面电阻控制在1×106Ω·cm以下。

(2)泄漏与接地:对可能产生或已经产生静电的部位进行接地,提供静电释放通道。采用埋大地线的方法建立“独立”地线。使地线与大地之间的电阻<10Ω。(参见GBJl79或SJ/T10694—1996)

静电防护材料接地方法:将静电防护材料(如于作台面垫、地垫、防静电腕带等)通过1MΩ的电阻接到通向独立大地线的导体上(参见SJ/T10630-1995)。串接1MΩ电阻是为了确保对地泄放<5mA的电流,称为软接地。设备外壳和静电屏蔽罩通常是直接接地,称为硬接地。

IPC-A-610C标准中推荐的防静电工作台接地方法如图1。

(3)导体带静电的消除:导体上的静电可以用接地的方法使静电泄漏到大地。放电体卜的电压与释放时间可用下式表示:

UT=U0L1/RC

式中 UT-T时刻的电压(V) U0一起始电压(V) R-等效电阻(Ω) C-导体等效电容(pf)

一般要求在1秒内将静电泄漏。即1秒内将电压降至1OOV以下的安全区。这样可以防止泄漏速度过快、泄漏电流过大对SSD造成损坏。若U0=500V,C=200pf,想在1秒内使UT达到100V,则要求R=1.28×109Ω。因此静电防护系统中通常用1MΩ的限流电阻,将泄放电流限制在5mA以下。这是为操作安全设计的。如果操作人员在静电防护系统中,不小心触及到220V工业电压,也不会带来危险。

(4)非导体带静电的消除:对于绝缘体上的静电,由于电荷不能在绝缘体上流动,因此不能用接地的方法消除静电。可采用以下措施:

(a)使用离子风机—离子风机产生正、负离子,可以中和静电源的静电。可设置在空间和贴装机贴片头附近。

(b)使用静电消除剂—静电消除剂属于表面活性剂。可用静电消除剂檫洗仪器和物体表面,能迅速消除物体表面的静电。

(c)控制环境湿度—增加湿度可提高非导体材料的表面电导率,使物体表面不易积聚静电。例如北方干燥环境可采取加湿通风的措施。

(d)采用静电屏蔽—对易产生静电的设备可采用屏蔽罩(笼),并将屏蔽罩(笼)有效接地。

(5)工艺控制法:为了在电子产品制造中尽量少的产生静电,控制静电荷积聚,对已经存在的静电积聚迅速消除掉,即时释放,应从厂房设计、设备安装、操作、管理制度等方面采取有效措施。

6.静电防护器材

(1)人体防静电系统包括防静电腕带、工作服、帽、手套、鞋、袜等

(2)防静电地面包括防静电水磨石地面、防静电橡胶地面、PVC防静电塑料地板、防静电地毯、防静电活动地板等。

(3)防静电操作系列:包括防静电:I:作台垫、防静电包装袋、防静电物流小车、防静电烙铁及工具等。

7.静电测量仪器

(1)静电场测试仪:用于测量台面、地面等表面电阻值。平面结构场合和非平面场合要选择不同规格的测量仪。

(2)腕带测试仪:测量腕带是否有效。

(3)人体静电测试仪:用于测量人体携带的静电量,人体双脚之间的阻抗,测量人体之间的静电差,腕带、接地插头、工作服等是否阻护有效。还可以作为入门放电,把人体静电隔在车间之外。

(4)兆欧表:用于测量所有导电型、抗静电型及静电泄放型表面的阻抗或电阻。

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