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SMT之家论文中心 / 表贴静电防护 / 评估静电耗散性标签
评估静电耗散性标签
2003-12-21    Dennis Polinski and Vicki Heideman       点击: 9601
评估静电耗散性标签

  静电放电(ESD, electrostatic discharge)是电子工业最花代价的损坏原因之一,影响生产合格率、制造成本、产品品质与可靠性、和公司的可获利润。按照ESD协会,专家们估计对电子工业的ESD损坏的实际成本达到每年数十亿美元。其它有人估计,由于ESD的产品损失范围在8%~33%。
  许多工业专业人士知道ESD的来源和用于控制它的标准方法。可是,一个鲜为人知的潜在来源是标准PCB和元件的标签,这些标签使制造者能够跟踪工作过程(WIP, work in process),和提供对生产、修理与保证信息的长期记录。

ESD损害的评估
图一、标签的典型结构  为了减少ESD损害的潜在可能性,电子制造商和装配制造商都必须定义和坚持一个特殊级别的静电控制。ESD控制级别可通过调查在装配工艺过程中的元件和了解其静电的敏感性来决定。一个ESD控制级别的建立可通过指出过程中最ESD敏感的元件,然后将环境来适合该级别的安全性。当不知道最敏感元件的级别时,制造商应该坚持EIA-625 标准,它将ESD保护的工作站定义为“安全区”,或者不包含可能产生高于200伏的放电来源。一旦定义了极限水平,那么装配制造商可以检查由于标签使用造成损害的潜在来源。当观察到标签产生高于所定义的极限水平的电压时,ESD损害可能发生。

标签怎样可能引起ESD失效
  虽然标准标签可能是一个放电来源,但静电耗散性(static dissipative)标签大大地减少ESD的可能性。标准标签与静电耗散型标签的区别是它们保留在表面的电荷数量。标准标签(图一),由绝缘材料层所组成,当从释放衬垫(release liner)上取下时,可产生和保持数百甚至数千伏的电压。另一方面,静电耗散型标签改进为允许电荷从标签向地耗散。结果,静电耗散性标签保持比标准标签低得多的电压,将保留的电压减少到一个对大多数电子元件都安全的水平(表一)。

表一、标签从纸质与薄膜衬底上撕下的电压(测试条件:22°C、66%RH)
样品 标签电压 衬底电压
标准聚酰胺(尼龙)标签在纸质衬底上 -313 伏 - 10 伏
标准聚酰胺(尼龙)标签在薄膜衬底上 -248 伏 310 伏
静电耗散型聚酰胺(尼龙)标签在纸质衬底上 -2 伏 -4 伏
静电耗散型聚酰胺(尼龙)标签薄膜质衬底上 1 伏 -144 伏
标签尺寸:1.50"(38.1mm) x 0.25"(6.35mm)

  一个常见的错误概念是认为,利用一个接地的人来贴标签将减少由标签引起的ESD 失效机会。可是,标准标签含有绝缘材料,它会引起电荷保留在标签上,提供接地路径是无效的。当使用静电耗散型标签时,这个概念仍然保持正确。虽然会看到重大的改善,但是如果使用标签的人不接地或者如果使用有塑料涂层或其它非导电性工具来处理标签,静电耗散性标签将不会最好地发挥性能。

静电耗散型标签的替代品
  静电耗散性标签的主要替代品具有几个与其有关的优点与缺点。制造商可能考虑的一个选择是空气离子发生器的使用。空气离子发生器是带电空气分子(离子)的来源。离子发生器可用来减少由电子装配环境所产生的静电压,达到一个满足EIA-625标准要求的水平。
  当使用离子发生器时考虑几个问题。为了有效工作,必须适当放置和利用,对放电源吹出离子。离子发生器代表固定资产投资,在许多的工作站可能需要许多台来控制危险电压。离子发生器也应该包括在一个行进的ESD审查程序中,定期地确认适当性能。对高敏感性元件,离子发生器和静电耗散性标签可以结合使用,对ESD损害的双重保护。
  第二个静电耗散性标签的替代是自动贴标签。一项研究表明当自动从释放衬底上取下时比手工取下时标准标签产生较低的电压。自动贴标签还节省审查时间、改进标签贴放静度、和减少对电子产品德手工操作。可是,机器的成本对高混合、低产量的公司可能是不合适的,这种公司可能找不到自动设备可以足够灵活以满足其全部的贴标签需要。
  最后一个替代是标准纸标签,它代表静电耗散性标签的一个分类。虽然通常不把它看成静电耗散型标签,但标准纸标签在典型的室内湿度水平具有耗散特性,产生比标准胶片标签较小的电压。产生的电压决定于环境的湿度水平;低至中等电压的产生通常是在50%的相对湿度(RH)的典型的室内湿度水平上观察到的。可是,标准纸标签倾向于在低湿度水平(小于30%RH)上保持电荷。标准纸标签将经受不住高温和摩擦的环境,因此,它们通常不是实施WIP跟踪的装配制造商的一个选择。

六点最紧要的事项:对标签你需要知道什么
  1、标签只是良好静电控制程序的一小部分。在考虑使用静电耗散型标签之前,建立一个有效的控制程序。按照ESD协会,一个有效的ESD控制程序的元素包括:设立一个ESD统筹人与小组、明确来自静电损坏的损失、评估你的实施、过程与需要、确认ESD敏感项目、建立程序的改进、需求最高管理层的支持、建立和实施规程与规定、培训人员、和回顾、审查、分析、报告、提供反馈与改进程序2
  2、标签的电气特性可以测试。了解与敏感元件使用的标签的电气特性 - 电压、静电衰减时间和表面电阻。标签供应商应该提供这些信息。为了补偿这些信息,标签使用者可用便携式静电计来测量电压。可是,没有描述标签电压测量的工业标准测试方法,因此,测试结果可变化很大,决定于使用的静电计、标签从衬底上撕掉的速度、角度、方向、接地的使用和测试环境。表二说明了在静电耗散型标签上的电压测量值总是低于标准标签上的电压测量值。

表二、电压结果(测试条件:21~23°C、30~60%RH)
基板 标准标签 静电耗散型标签
纸质 71 伏 1 伏
聚脂薄膜 230 伏 3 伏
聚酰胺(尼龙) 684 伏 4 伏

  表面电阻可能对标签使用者来说不是有趣的性能特性,但是精确地测量它对把标签材料分成静电耗散型或绝缘型是重要的。如标准EIA-541和EIA-625所定义,标准标签分为绝缘型,而静电耗散性标签分为静电耗散型。测量胶表面的电阻也可帮助预测一个标签的电压特性,就象可以测量静电衰减时间一样,它计量电荷从标签消散到地的速度。
  3、标签尺寸可产生不同数量的静电。标准标签的研究表明,测量电压随标签尺寸的增加而增加。可是,对静电耗散型标签,电压保持在比较低的水平,甚至尺寸在增加3。因此,较大的标准标签比较小的可能具有更大的引起ESD危害的可能性。当在ESD敏感工作区要求使用较大的标签时,使用者应该考虑静电耗散型的。
  4、释放衬底的各种类型和湿度水平可能产生不同的静电放电水平。用于标签的两个基本类型的释放衬底(release liner)是薄膜(film)和纸。测量薄膜衬底电阻的研究发现它们是自然绝缘的。由于其高电阻性,薄膜衬底产生相当高的电压。还有,湿度水平对这些衬底的表面电阻没有影响。

表三、纸质标签的表面电阻结果
衬底与条件 表面电阻
硅酮面(欧姆/平方)
表面电阻
纸质面(欧姆/平方)
纸质衬底 #1
23°C/57%RH
3.6 x 1012 7.9 x 1010
23°C/31%RH 1.3 x 1013 2.4 x 1012
23°C/9%RH > 1 x 1014 > 1 x 1014
纸质衬底 #2
23°C/57%RH
9.4 x 1013 9.4 x 1010
23°C/31%RH 6.8 x 1013 1.5 x 1012
23°C/9%RH >1 x 1014 >1 x 1014

  纸质衬底受湿度的影响。一项研究显示,在57%RH湿度水平,纸质的衬底测量到可认为是静电耗散型的电阻(表三)。在31%RH水平,纸质衬底的电阻还是测量得很接近静电耗散型的范围。可是,电阻水平在9%RH时落入绝缘范围。因此,在典型的室内湿度水平,纸质的衬底比薄膜衬底保持更少的电荷在其表面,但在很低的湿度水平可能保持电荷。
  5、当使用静电耗散型标签时操作小心。因为静电耗散型标签不是绝缘的,装配者和制造商必须留心这种标签的位置。贴在产品上任何导电性表面的标签,如元件引脚、通路孔或焊盘,可能影响产品的功能。
  6、确认你的标签符合标准和规定的静电耗散定义。在评估标签的耗散性时参考的三个最重要标准是,EIA-625、EIA-541和EOS/ESD S11.11。虽然这些标准不直接与标签有关,但其概念可应用于标签的测试和使用。
  (1)、EIA-625:《处理静电放电敏感性(ESDS)元件的要求》。这个非官方标准最适用于半导体制造商、分销商、和用户以及处理与测试设施。它提出了在200伏或更低保护ESD敏感元件的ESD控制方法和材料的最低要求4
  (2)、EIA-541:《对ESD敏感元件的包装材料标准》。该标准陈述了一种包装产品或材料可定义为耗散性的,如果其测量的静电衰减时间少于两秒5
  (3)、EOS/ESD S11.11:《静电耗散型平面材料的表面电阻测量》。这个标准,针对使用于ESD敏感元件包装的静电耗散性材料而开发,定义了测量表面电阻的一种直接的现代的测量方法6

结论
  ESD是电子工业最昂贵的损坏原因之一。在制造环境中标准标签的使用是ESD被忽视的潜在来源之一。通过实施良好的静电控制程序,这程序包括静电耗散型标记标签的使用和跟随工业指引,电子制造商可帮助减少对ESD敏感元件损坏的危险性。

    References
  1. Electrostatic Discharge Association. (1998). Basics of electrostatic discharge, Part 1.
  2. Electrostatic Discharge Association. (1998). Basics of electrostatic discharge, Part 2.
  3. Brady Worldwide. (1998). Minimizing ESD effects of labeling in the electronics industry environment.
  4. Electronic Industries Alliance. (1994). Requirements for handling electrostatic-discharge-sensitive (ESDS) devices. ANSI/EIA-625.
  5. Electronic Industries Alliance. (1988). Packaging material standards for ESD-sensitive items. ANSI/EIA-541.
  6. Electrostatic Discharge Association. (1993). Surface resistance measurements of static-dissipative planar materials. ANSI/EOS/ESD-S11.11.

  Dennis Polinski is product manager for electronics identification products at Brady Worldwide, Inc. Identification Solutions, Milwaukee, WI; e-mail: dennis_polinski@bradycorp.com. Vicki Heidenan is a senior development engineer for the Identification Solutions and Specialty Tapes Group of Brady Worldwide, Inc.; e-mail; vicki_heideman@bradycorp.com.

责任编辑: skylee
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