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SMT之家论文中心 / 表贴静电防护 / ESD 101:保护元件、保护利润
ESD 101:保护元件、保护利润
2003-12-21    Floyd H. Bertagnolli       点击: 11012
ESD 101:保护元件、保护利润

  从地毯上走过,抓住门的把手,火花产生了。这个现象就是人们所知的静电放电(ESD, electrostatic discharge)。远远低于人类所能感觉的静电可能毁坏今天敏感的电子零件。至关重要的是,每一个处理电子零件与装配的人都必须对这个潜在问题有高度的警觉,要教给他适当的技术,以避免硬件及声誉的利益损失。ESD培训可保证给投资以巨大的回报。
  每个人都认为闪电击中房子是一个很大的悲剧。微型的ESD闪电渗透电子元件脆弱的结构同样是毁灭性的。有些集成电路(IC, integrated circuit)含有多达四百万个单独的元件,单个元件的尺寸只有0.18µ。闪电和静电(ESD)两者都是电的形式,其总是企图往地上走。ESD“攻击”将乐于通过电子元件到达地线,在这一路上引起破坏。
  人类通过日常活动可产生高达25,000V的静电放电。人类手的神经可感觉到低至大约3,000V的静电放电。只需要10V的ESD就可毁坏今天IC内部的某些极小零件和迹线。其结果是,虽然ESD看不见、听不到或感觉不到,但可重大地损伤或毁坏现在电子的运行。

  什么引起ESD?
  当两种材料一起摩擦,一种丢失电子,而另一种则收集电子。前者正充电,而后者则负充电。静电是一个物体上的非移动的充电。如果有机会,该物体将放掉充电,又回到中性(如在门把上的火花这种情况)。这种充电释放就是ESD,静电放电。绝缘体趋向于保持其静电充电集中在一个不动的区域,因此电压可能很高。导体趋向于均衡其充电,把它传导给接触到的接地物体。产生ESD的方法包括从地毯走过、梳头、撕开胶带(塑料)、打开两面接触的塑料袋,等。ESD典型的来源包括人员、处理设备和一些普通塑料1。ESD敏感元件(可能容易被ESD损坏的零件)包括:半导体元件、厚与薄的薄膜电阻、片状元件、混合电路器件和晶体。

  进口、出口与现场
  印刷电路装配(PCA, printed circuit assembly)或单个元件可能有几种方式被ESD所损坏:

  • 手直接接触到元件引脚。
  • 非直接接触,如手接触连接器或金手指(gold finger)。ESD“攻击”沿PCA的迹线运行直到找到一个脆弱的IC,将它摧毁2
  • PCA或单个的元件放在一个充电表面,通过感应“拾取”类似静电充电。这样,当放在一个金属表面,迅速放电(慢放电是安全的)。
  • PCA或单个的元件暴露在很强的外部电场,诱发过大的内部电流。

  健康的、死亡的与受伤的
  PCA或单个的元件可能存在三个基本情况中的之一:
  健康的。这个元件通过适当的ESD技术处理,将成功运行几年时间。
  死亡的。这个元件由于不适当的元件处理而遭到严重的ESD损害,不能运行。
  受伤的。这种元件遭受部分ESD损坏,含有潜在的缺陷。虽然信号可以在最终测试时成功地通过,但是正常使用的压力将引起过早的和不希望的现场失效。这种情况不能正常地发觉 - 预防是最好的保护。
  有些类型的元件危险性极高,但把注意力和预防只局限在有限的部分零件是不明智的。最好是保持良好的习惯,对所有电子产品都有ESD意识。

  绝缘体、导体及其中间物
  绝缘体是诸如塑料、橡胶、羊毛、衣物和纸张之类的材料。当任何这类材料一起摩擦时,它们就变成静电充电发生器。如果这充电可找到对地通路,即变成ESD。
  导体是诸如铜、铝、银、金、钢和碳之类的材料。当与地连接时,它们提供静电的快速排放通道。如果PCA或单个元件变成这个快速通道的一部分,则可能造成对电子元件的损坏。
  耗散材料(dissipative materials)是属于导体类的,但当连接到地时,它们提供静电的缓慢放电通道。如果PCA或单个元件变成这个缓慢通道的一部分,则任何PCA上的现存充电将安全地通往地下。
  在绝缘体上建立充电之后(如,抹布擦过塑料台面之后),它不能“排放掉”。消除它的唯一方法是通过离子器,它结合了额外的正与负离子源,通过风扇来分散。当离子遇上绝缘体表面的静电时,它们结合在一起,并中性化,消除了潜在的问题。(表一)

表一、不同材料的导电率
导体(包括静电屏蔽) - 一种容易将静电导入地下的材料。
(表面电阻:每平方单位106Ω或更小)
静电耗散材料 - 一种慢慢把静电导入地下的材料。
(表面电阻:每平方单位106~109Ω)
防静电材料 - 一种实际上不产生静电的材料。
(表面电阻:每平方单位109~1014Ω)
绝缘材料 - 一种不不能将静电导入地下的材料。
(表面电阻:每平方单位1014Ω或更大)

  运载ESD敏感元件
  PCA或单个元件只应该放在适当装备有ESD认可的装配线或工作台上,或在完全密封的ESD认可容器内。普通运载材料/物品包括:
  防静电(antistatic)。这种类型包括传统的粉红色特殊配方的塑料袋和不透明IC装运管。当零件在内面移动时,这些具有事实上不产生任何新静电的特性。但是重要的是注意,它们不是屏蔽容器,不能阻挡强电场(例如,在高度放电的泡沫托盘内的IC装运管会把零件暴露给ESD)。
  屏蔽(shielding)。这一类型包括传统的金属化装运袋和碳质线纸板盒。金属化袋开始是聚酯薄膜(Mylar),然后喷涂连续的铝层。这种袋为其包装的内容形成法拉第筒(faraday cage),可有效地阻挡电场。铝涂层袋对任何距离的装运都很好,但必须完全关闭才起作用。它应该用拉链合上(如果提供)、或折叠和胶带封住。不要用订书钉来密封袋,因为致命的电场会通过订书钉从外面传到内面。不要让袋子开着口,因为袋内的物品会暴露在强电场下。不要将PCA用空袋子包裹来携带。不要把PCA放在空袋子上。
  碳质线纸板盒开始是内面完全涂层的纸板,外面是导电性的碳涂层。这种盒子对装运很好,只有当盖子完全关闭才起作用。因为PCA在盒子内到处移动,所以通常不提供接地通路。如果盖子部分掉开,物品暴露,则可能受到强电场的损坏。
  导电性塑料如托盘和零件箱(由特殊配方的塑料制造)。将PCA或元件放在耗散性脚垫的纸上是可以的,只要引脚连续地接触脚垫,人穿上脚带拿住托盘,只走在特殊涂层的ESD耗散性上过蜡的地板上。
  零件箱也是由特殊配方的塑料制成,使其具有导电性和屏蔽性。这些可用于本地或长距离的运输,盖子必须完全闭合和拴住。
  金属笼。这种笼子是工厂内部运输的有效工具,如果有耗散性脚垫在顶部(防止快速放电),并用链条接地到上过静电耗散性蜡的地板上。

  预防
  目标是零电压。
  完美的工人。生产力最高、最不容易对零件造成ESD损害的人应该是,具备良好的态度、知识、两只脚带(脚跟或脚趾型)和一个腕带(如果工作需要坐下的)。

    腕带(wrist strap)祥述:
  1. 腕带和工作台垫提供ESD到达地下的清晰的路径,使其佩带者接近零伏电荷。带和垫两者都用内置限流 1M 电阻,形成一个安全系统,为装配或制造工人防止来自偶然的110VAC的电击。
  2. 有些人具有自然干性皮肤,累次在其开始工作时的腕带测试中不通过。为了解决这个问题,不要使用商业购买的家用润肤露,它含有硅,可能负面影响焊接连接。管理者应该确实可购买到ESD认可的润肤露。
  3. 有些人可能会有由于腕带内金属部分引起的皮肤刺激。(这是由于小部分混合在不锈钢内的镍)。因为整个腕带有导电性材料编织在里面,这个问题可以通过在接触皮肤的金属区域贴上一小部分白色急救胶布来解决。

  警告:经常工作在高压环境(例如,250VAC以上,诸如系统修理/维护)的人员不应该使用腕带或脚带,或倚靠在工作台垫上,因为它们提供从身体到地的通路。一个工人应该做PCA处理或者机器维护,不能两者都做。这是两种不同的工作,要求不同的程序和设备。
  完美的工作台。为了达到零伏静电电荷,所有不必要的材料都应该从工作站拿走,特别是普通塑料、泡沫和纸张。应该留意保持计算机显示器至少离开PCA 24"(60 cm)。一张认可的(查找ESD三角标记)接地垫应该覆盖在工作台上。应该给腕带提供快速插座。防静电地板垫是有益的,只要PCA或零件保存在该工作站,不必要用手工搬运到一个ESD不安全的区域(例如,普通水泥地板或地毯)。如果可能的话,应该使用防静电瓷砖或耗散性地板蜡作地板覆盖,为脚带提供好的接地通路。

  湿度之迷
  随着湿度上升(空气中许多潮气),ESD的危险没有了。这个说法是错误的。危险性降低是真的,但没有脱离。所有处理零件的工人必须总是跟随良好的ESD习惯。

  培训
  ESD教育必须存在于零件生命周期的所有位置:制造商、销售商、合约制造商(CM)、装配者、顾客、等等。教育销售商、雇员和顾客适当的ESD习惯,以保护所有的共同利益。如果CM有认真的方法,但其前后的伙伴都没有,零件将损坏或遭受ESD的损害。相互支持、配合与合作将得到通过预防所达到的许多利益。

  行为准则(Dos and Don'ts)
  应该做的(Dos)。拿住零件和PCA的边缘。在适当的容器内运输零件和PCA。在每次进入工作区之前测试脚/腕带,并按照公司政策在记录表上记录下来。在两只脚上穿脚带。全部所有参观者穿上脚带。当清洗印刷电路板(PCB)时,只使用ESD认可的自然毛刷(不要用塑料)和溶剂。在清洗时保存零件接地,因为固体毛刷对板和液体溶剂对板可能产生ESD。保存PCA在ESD垫上尽可能多地“引脚朝下”。使用黄色警告胶带标记ESD区域边界的制造区域。在所有操作和检查中尽可能地减少PCA的运动。可能的话减少操作次数。将元件保存在原包装内,直到准备使用,只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。保存零件离开计算机或CRT机器显示器 24" (60 cm)。
  不应该做的(Don'ts)。摩擦头发。使用非ESD认可袋/工具箱。允许衣服/头发/领带摩擦到PCA。使用家用的润肤露。堆放板。用屏蔽袋象“垫托”式地拿板。把PCA放在屏蔽袋的上面。在电源电路工作时使用接地腕带、脚带或工作台垫(例如,有250VAC以上的机器维护)。在任何表面滑动静电敏感零件。

    达到一个适应ESD工作场所的计划
  1. 培训。
  2. 从工作区域、接收、制造、装运和安装去掉静电产生源。
  3. 为人员、工作台、地板和工具提供放电通路。
  4. 为操作、运输和存储ESD敏感元件/装配实施安全技术。

  课堂演示
  ESD - 快速地擦白板二十秒钟,然后拿住钥匙靠近金属台板(可见放光)。
  导电性 - 使用手电筒的零件,用各种普通的物体替代开关,列出导体和绝缘体(导体可让灯亮)。
  电荷电场 - a) 一个手中拿住两片塑料胶带,看胶带怎样具有电荷和电荷是如何排斥的。b) 拿住一片胶带,在烟灰上距离 4" ,看烟灰怎样被胶带上的电荷吸引过去。

Acknowledgements
Thanks to Tom Champion of Jabil Circuit and Bill Pellegrin of 3M for providing information and critique.

    References
  1. Jabil Circuit operations procedure 1-OP20-1000-000b 4-29-98.
  2. Videotape VT-19, "Electrostatic Discharge ESD Control," IPC, Northbrook, IL 60062, 1994.

Floyd H. Bertagnolli, may be contacted at Jabil Circuit, 30 Great Blvd., San Jose, CA 95119; (408) 361-3283; E-mail: floyd_bertagnolli@jabil.com; Web site: www.jabil.com.

责任编辑: skylee
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