靜電放電(ESD, electrostatic discharge)是電子工業(yè)最花代價(jià)的損壞原因之一,影響生產(chǎn)合格率、制造成本、產(chǎn)品品質(zhì)與可靠性、和公司的可獲利潤(rùn)。按照ESD協(xié)會(huì),專家們估計(jì)對(duì)電子工業(yè)的ESD損壞的實(shí)際成本達(dá)到每年數(shù)十億美元。其它有人估計(jì),由于ESD的產(chǎn)品損失范圍在8%~33%。
靜電放電(ESD,electrostaticdischarge)是電子工業(yè)最花代價(jià)的損壞原因之一,影響生產(chǎn)合格率、制造成本、產(chǎn)品品質(zhì)與可靠性、和公司的可獲利潤(rùn)。按照ESD協(xié)會(huì),專家們估計(jì)對(duì)電子工業(yè)的ESD損壞的實(shí)際成本達(dá)到每年數(shù)十億美元。其它有人估計(jì),由于ESD的產(chǎn)品損失范圍在8%~33%。
許多工業(yè)專業(yè)人士知道ESD的來源和用于控制它的標(biāo)準(zhǔn)方法??墒牵粋€(gè)鮮為人知的潛在來源是標(biāo)準(zhǔn)PCB和元件的標(biāo)簽,這些標(biāo)簽使制造者能夠跟蹤工作過程(WIP,workinprocess),和提供對(duì)生產(chǎn)、修理與保證信息的長(zhǎng)期記錄。
ESD損害的評(píng)估
為了減少ESD損害的潛在可能性,電子制造商和裝配制造商都必須定義和堅(jiān)持一個(gè)特殊級(jí)別的靜電控制。ESD控制級(jí)別可通過調(diào)查在裝配工藝過程中的元件和了解其靜電的敏感性來決定。一個(gè)ESD控制級(jí)別的建立可通過指出過程中最ESD敏感的元件,然后將環(huán)境來適合該級(jí)別的安全性。當(dāng)不知道最敏感元件的級(jí)別時(shí),制造商應(yīng)該堅(jiān)持EIA-625標(biāo)準(zhǔn),它將ESD保護(hù)的工作站定義為“安全區(qū)”,或者不包含可能產(chǎn)生高于200伏的放電來源。一旦定義了極限水平,那么裝配制造商可以檢查由于標(biāo)簽使用造成損害的潛在來源。當(dāng)觀察到標(biāo)簽產(chǎn)生高于所定義的極限水平的電壓時(shí),ESD損害可能發(fā)生。
標(biāo)簽怎樣可能引起ESD失效
雖然標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽可能是一個(gè)放電來源,但靜電耗散性(staticdissipative)標(biāo)簽大大地減少ESD的可能性。標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽與靜電耗散型標(biāo)簽的區(qū)別是它們保留在表面的電荷數(shù)量。標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽由絕緣材料層所組成,當(dāng)從釋放襯墊(releaseliner)上取下時(shí),可產(chǎn)生和保持?jǐn)?shù)百甚至數(shù)千伏的電壓。另一方面,靜電耗散型標(biāo)簽改進(jìn)為允許電荷從標(biāo)簽向地耗散。結(jié)果,靜電耗散性標(biāo)簽保持比標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽低得多的電壓,將保留的電壓減少到一個(gè)對(duì)大多數(shù)電子元件都安全的水平(表一)。
表一、標(biāo)簽從紙質(zhì)與薄膜襯底上撕下的電壓(測(cè)試條件:22°C、66%RH)
樣品
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標(biāo)簽電壓
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襯底電壓
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標(biāo)準(zhǔn)聚酰胺(尼龍)標(biāo)簽在紙質(zhì)襯底上
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-313 伏
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- 10 伏
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標(biāo)準(zhǔn)聚酰胺(尼龍)標(biāo)簽在薄膜襯底上
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-248 伏
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310 伏
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靜電耗散型聚酰胺(尼龍)標(biāo)簽在紙質(zhì)襯底上
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-2 伏
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-4 伏
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靜電耗散型聚酰胺(尼龍)標(biāo)簽薄膜質(zhì)襯底上
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1 伏
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-144 伏
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標(biāo)簽尺寸:1.50"(38.1mm) x 0.25"(6.35mm)
一個(gè)常見的錯(cuò)誤概念是認(rèn)為,利用一個(gè)接地的人來貼標(biāo)簽將減少由標(biāo)簽引起的ESD失效機(jī)會(huì)??墒?,標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽含有絕緣材料,它會(huì)引起電荷保留在標(biāo)簽上,提供接地路徑是無效的。當(dāng)使用靜電耗散型標(biāo)簽時(shí),這個(gè)概念仍然保持正確。雖然會(huì)看到重大的改善,但是如果使用標(biāo)簽的人不接地或者如果使用有塑料涂層或其它非導(dǎo)電性工具來處理標(biāo)簽,靜電耗散性標(biāo)簽將不會(huì)最好地發(fā)揮性能。
靜電耗散型標(biāo)簽的替代品
靜電耗散性標(biāo)簽的主要替代品具有幾個(gè)與其有關(guān)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。制造商可能考慮的一個(gè)選擇是空氣離子發(fā)生器的使用??諝怆x子發(fā)生器是帶電空氣分子(離子)的來源。離子發(fā)生器可用來減少由電子裝配環(huán)境所產(chǎn)生的靜電壓,達(dá)到一個(gè)滿足EIA-625標(biāo)準(zhǔn)要求的水平。
當(dāng)使用離子發(fā)生器時(shí)考慮幾個(gè)問題。為了有效工作,必須適當(dāng)放置和利用,對(duì)放電源吹出離子。離子發(fā)生器代表固定資產(chǎn)投資,在許多的工作站可能需要許多臺(tái)來控制危險(xiǎn)電壓。離子發(fā)生器也應(yīng)該包括在一個(gè)行進(jìn)的ESD審查程序中,定期地確認(rèn)適當(dāng)性能。對(duì)高敏感性元件,離子發(fā)生器和靜電耗散性標(biāo)簽可以結(jié)合使用,對(duì)ESD損害的雙重保護(hù)。
第二個(gè)靜電耗散性標(biāo)簽的替代是自動(dòng)貼標(biāo)簽。一項(xiàng)研究表明當(dāng)自動(dòng)從釋放襯底上取下時(shí)比手工取下時(shí)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽產(chǎn)生較低的電壓。自動(dòng)貼標(biāo)簽還節(jié)省審查時(shí)間、改進(jìn)標(biāo)簽貼放靜度、和減少對(duì)電子產(chǎn)品德手工操作。可是,機(jī)器的成本對(duì)高混合、低產(chǎn)量的公司可能是不合適的,這種公司可能找不到自動(dòng)設(shè)備可以足夠靈活以滿足其全部的貼標(biāo)簽需要。
最后一個(gè)替代是標(biāo)準(zhǔn)紙標(biāo)簽,它代表靜電耗散性標(biāo)簽的一個(gè)分類。雖然通常不把它看成靜電耗散型標(biāo)簽,但標(biāo)準(zhǔn)紙標(biāo)簽在典型的室內(nèi)濕度水平具有耗散特性,產(chǎn)生比標(biāo)準(zhǔn)膠片標(biāo)簽較小的電壓。產(chǎn)生的電壓決定于環(huán)境的濕度水平;低至中等電壓的產(chǎn)生通常是在50%的相對(duì)濕度(RH)的典型的室內(nèi)濕度水平上觀察到的??墒?,標(biāo)準(zhǔn)紙標(biāo)簽傾向于在低濕度水平(小于30%RH)上保持電荷。標(biāo)準(zhǔn)紙標(biāo)簽將經(jīng)受不住高溫和摩擦的環(huán)境,因此,它們通常不是實(shí)施WIP跟蹤的裝配制造商的一個(gè)選擇。
對(duì)標(biāo)簽?zāi)阈枰朗裁?/strong>
1、標(biāo)簽只是良好靜電控制程序的一小部分。在考慮使用靜電耗散型標(biāo)簽之前,建立一個(gè)有效的控制程序。按照ESD協(xié)會(huì),一個(gè)有效的ESD控制程序的元素包括:設(shè)立一個(gè)ESD統(tǒng)籌人與小組、明確來自靜電損壞的損失、評(píng)估你的實(shí)施、過程與需要、確認(rèn)ESD敏感項(xiàng)目、建立程序的改進(jìn)、需求最高管理層的支持、建立和實(shí)施規(guī)程與規(guī)定、培訓(xùn)人員、和回顧、審查、分析、報(bào)告、提供反饋與改進(jìn)程序2。
2、標(biāo)簽的電氣特性可以測(cè)試。了解與敏感元件使用的標(biāo)簽的電氣特性-電壓、靜電衰減時(shí)間和表面電阻。標(biāo)簽供應(yīng)商應(yīng)該提供這些信息。為了補(bǔ)償這些信息,標(biāo)簽使用者可用便攜式靜電計(jì)來測(cè)量電壓。可是,沒有描述標(biāo)簽電壓測(cè)量的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法,因此,測(cè)試結(jié)果可變化很大,決定于使用的靜電計(jì)、標(biāo)簽從襯底上撕掉的速度、角度、方向、接地的使用和測(cè)試環(huán)境。表二說明了在靜電耗散型標(biāo)簽上的電壓測(cè)量值總是低于標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽上的電壓測(cè)量值。
表二、電壓結(jié)果(測(cè)試條件:21~23°C、30~60%RH)
基板
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標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽
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靜電耗散型標(biāo)簽
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紙質(zhì)
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71 伏
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1 伏
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聚脂薄膜
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230 伏
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3 伏
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聚酰胺(尼龍)
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684 伏
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4 伏
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表面電阻可能對(duì)標(biāo)簽使用者來說不是有趣的性能特性,但是精確地測(cè)量它對(duì)把標(biāo)簽材料分成靜電耗散型或絕緣型是重要的。如標(biāo)準(zhǔn)EIA-541和EIA-625所定義,標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽分為絕緣型,而靜電耗散性標(biāo)簽分為靜電耗散型。測(cè)量膠表面的電阻也可幫助預(yù)測(cè)一個(gè)標(biāo)簽的電壓特性,就象可以測(cè)量靜電衰減時(shí)間一樣,它計(jì)量電荷從標(biāo)簽消散到地的速度。
3、標(biāo)簽尺寸可產(chǎn)生不同數(shù)量的靜電。標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽的研究表明,測(cè)量電壓隨標(biāo)簽尺寸的增加而增加??墒?,對(duì)靜電耗散型標(biāo)簽,電壓保持在比較低的水平,甚至尺寸在增加3。因此,較大的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽比較小的可能具有更大的引起ESD危害的可能性。當(dāng)在ESD敏感工作區(qū)要求使用較大的標(biāo)簽時(shí),使用者應(yīng)該考慮靜電耗散型的。
4、釋放襯底的各種類型和濕度水平可能產(chǎn)生不同的靜電放電水平。用于標(biāo)簽的兩個(gè)基本類型的釋放襯底(releaseliner)是薄膜(film)和紙。測(cè)量薄膜襯底電阻的研究發(fā)現(xiàn)它們是自然絕緣的。由于其高電阻性,薄膜襯底產(chǎn)生相當(dāng)高的電壓。還有,濕度水平對(duì)這些襯底的表面電阻沒有影響。
紙質(zhì)襯底受濕度的影響。一項(xiàng)研究顯示,在57%RH濕度水平,紙質(zhì)的襯底測(cè)量到可認(rèn)為是靜電耗散型的電阻。在31%RH水平,紙質(zhì)襯底的電阻還是測(cè)量得很接近靜電耗散型的范圍。可是,電阻水平在9%RH時(shí)落入絕緣范圍。因此,在典型的室內(nèi)濕度水平,紙質(zhì)的襯底比薄膜襯底保持更少的電荷在其表面,但在很低的濕度水平可能保持電荷。
5、當(dāng)使用靜電耗散型標(biāo)簽時(shí)操作小心。因?yàn)殪o電耗散型標(biāo)簽不是絕緣的,裝配者和制造商必須留心這種標(biāo)簽的位置。貼在產(chǎn)品上任何導(dǎo)電性表面的標(biāo)簽,如元件引腳、通路孔或焊盤,可能影響產(chǎn)品的功能。
6、確認(rèn)你的標(biāo)簽符合標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定的靜電耗散定義。在評(píng)估標(biāo)簽的耗散性時(shí)參考的三個(gè)最重要標(biāo)準(zhǔn)是,EIA-625、EIA-541和EOS/ESDS11.11。雖然這些標(biāo)準(zhǔn)不直接與標(biāo)簽有關(guān),但其概念可應(yīng)用于標(biāo)簽的測(cè)試和使用。
(1)EIA-625:《處理靜電放電敏感性(ESDS)元件的要求》。這個(gè)非官方標(biāo)準(zhǔn)最適用于半導(dǎo)體制造商、分銷商、和用戶以及處理與測(cè)試設(shè)施。它提出了在200伏或更低保護(hù)ESD敏感元件的ESD控制方法和材料的最低要求4。
(2)EIA-541:《對(duì)ESD敏感元件的包裝材料標(biāo)準(zhǔn)》。該標(biāo)準(zhǔn)陳述了一種包裝產(chǎn)品或材料可定義為耗散性的,如果其測(cè)量的靜電衰減時(shí)間少于兩秒5。
(3)EOS/ESDS11.11:《靜電耗散型平面材料的表面電阻測(cè)量》。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),針對(duì)使用于ESD敏感元件包裝的靜電耗散性材料而開發(fā),定義了測(cè)量表面電阻的一種直接的現(xiàn)代的測(cè)量方法6。
結(jié)論
ESD是電子工業(yè)最昂貴的損壞原因之一。在制造環(huán)境中標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽的使用是ESD被忽視的潛在來源之一。通過實(shí)施良好的靜電控制程序,這程序包括靜電耗散型標(biāo)記標(biāo)簽的使用和跟隨工業(yè)指引,電子制造商可幫助減少對(duì)ESD敏感元件損壞的危險(xiǎn)性。