靜電放電基礎(chǔ)知識第三部分-基本ESD控制程序和材料

在  第二部分“ ESD控制原理-ESD控制程序開發(fā)”中，我們介紹了六種靜態(tài)控制原理以及ESD程序開發(fā)和實(shí)施的六個關(guān)鍵要素。在第三部分中，我們將介紹基本的靜電控制程序和材料，這些程序和材料將成為您的ESD控制程序的一部分。首先，我們回顧一下這些原則。靜電控制的基本原理我們建議在開發(fā)和實(shí)施有效的ESD控制程序時僅關(guān)注六項(xiàng)基本原理：

1、通過設(shè)計(jì)產(chǎn)品和組件使其在ESD的影響下具有合理的魯棒性，從而進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)。

2、定義  環(huán)境中所需的控制級別。

3、識別并定義  靜電保護(hù)區(qū)（EPA），您將在其中處理ESD敏感部件（ESDS）。

4、減少靜電電荷產(chǎn)生  通過減少和消除產(chǎn)生靜電的過程，保持工藝和材料在相同的靜電電勢，并且通過提供適當(dāng)?shù)慕拥芈窂?，以減少電荷的產(chǎn)生和積聚。

5、通過接地，電離以及使用導(dǎo)電和耗散靜電控制材料進(jìn)行耗散和中和。

6、通過適當(dāng)?shù)慕拥鼗蚍至饕约笆褂渺o電控制包裝和材料處理產(chǎn)品來保護(hù)產(chǎn)品免受ESD的影響。

在設(shè)施級別，我們的ESD控制工作集中在最后五個原則上。在第三部分中，我們將重點(diǎn)介紹減少靜電電荷產(chǎn)生，消除對地電荷以及中和電荷以保護(hù)敏感產(chǎn)品免受ESD影響的主要材料和程序。

確定問題區(qū)域和控制級別我們需要回答的第一個問題是“我們正在制造或處理的零件和組件對ESD的敏感性如何？” 此信息將指導(dǎo)您確定控制環(huán)境中ESD所需的各種步驟和材料。您如何確定零件和組件的靈敏度，或者在哪里可以獲取有關(guān)其ESD分類或耐壓的信息？

第一個來源是零部件本身或零件數(shù)據(jù)表的制造商或供應(yīng)商。獲得人體模型（HBM）和充電設(shè)備模型（CDM）等級至關(guān)重要。您可能會發(fā)現(xiàn)需要對特定設(shè)備進(jìn)行ESD敏感性測試。但是，請注意，用于設(shè)備鑒定的電壓與現(xiàn)場測量的靜態(tài)電壓之間的相關(guān)性很弱。

您需要回答的第二個問題是“我們設(shè)施的哪些區(qū)域需要ESD保護(hù)？” 這將使您可以定義特定的靜電保護(hù)區(qū)域（EPA），將要處理敏感部件的區(qū)域以及需要實(shí)施ESD控制原則的區(qū)域。通常，無論在哪里處理ESDS設(shè)備，您都會發(fā)現(xiàn)需要保護(hù)的區(qū)域比您最初想象的要多。表1列出了需要ESD保護(hù)的典型區(qū)域。

表1需要ESD保護(hù)的典型設(shè)施區(qū)域

收貨檢驗(yàn)倉庫和倉庫組裝測試和檢驗(yàn)研發(fā)包裝現(xiàn)場服務(wù)維修辦公室和實(shí)驗(yàn)室潔凈室

接地線

接地對于有效的ESD控制尤為重要。應(yīng)明確定義并定期評估。

設(shè)備接地導(dǎo)體提供了一條使ESD保護(hù)材料和人員處于相同電位的路徑。環(huán)境中的所有導(dǎo)體和耗散材料，包括人員，都必須粘合或電氣連接并連接到已知地面，或在所有物品和人員之間建立等電位平衡。只要系統(tǒng)中的所有項(xiàng)目都處于相同電位，就可以將ESD保護(hù)保持在高于“零”電壓接地參考的電位或電位。重要的是要注意，絕緣子（按定義是非導(dǎo)體）不會因附著到地面而損失其靜電荷。

ESD協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ANSI / ESD S6.1-接地針對接地EPA ESD控制項(xiàng)建議分兩步進(jìn)行。第一步是將工作站和人員的所有組件（工作表面，設(shè)備等）接地到同一電氣接地點(diǎn)，該接地點(diǎn)稱為“公共點(diǎn)接地”。該公共點(diǎn)接地被定義為“用于將兩個或多個接地導(dǎo)體連接到相同電勢的系統(tǒng)或方法”。

應(yīng)正確識別此ESD公共點(diǎn)接地。ESD協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ANSI / ESD S8.1 –符號，建議使用圖1中的符號來標(biāo)識公共點(diǎn)接地。

第二步是將公共點(diǎn)接地連接到設(shè)備接地導(dǎo)體（AC接地）或第三根導(dǎo)線（通常為綠色）的電氣接地連接。這是首選的接地連接，因?yàn)楣ぷ髡旧系乃须姎庠O(shè)備均已連接到該接地。將ESD控制材料或設(shè)備連接到設(shè)備接地，會使工作站的所有組件都具有相同的電位。

如果將用于修理ESDS物品的烙鐵連接到電氣接地，并將包含ESDS物品的表面連接到輔助接地，則烙鐵和ESDS物品之間可能存在電位差。電位差可能會損壞物品。工作站上存在并使用的任何輔助接地（水管，建筑框架，接地樁）必須與設(shè)備接地導(dǎo)體相連，以最大程度地減小兩個接地之間的電位差。

有關(guān)ESD接地的詳細(xì)信息，請參見ESD協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ANSI / ESD S6.1，接地和ESD手冊ESD TR20.20和/或CLC / TR 61340-5-2用戶指南。

控制人員和移動設(shè)備的靜電

人們可以成為靜電的主要產(chǎn)生者之一。到處走動或修理電路板所需的簡單動作都會在人體上產(chǎn)生數(shù)千伏的靜電荷。如果控制不當(dāng)，這種靜電很容易釋放到ESD敏感設(shè)備中-典型的人體模型放電。同樣，一個人可以將電荷轉(zhuǎn)移到電路板或其他物品上，從而使其在后續(xù)過程中容易受到“充電設(shè)備模型”事件的影響。

即使在高度自動化的組裝和測試過程中，人們?nèi)匀豢梢栽趥}庫，維修，實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)輸中處理ESDS……。因此，ESD控制程序非常重視控制人員產(chǎn)生的靜電放電。同樣，移動設(shè)備（例如手推車或手推車）和其他帶輪設(shè)備在設(shè)施中的移動也會產(chǎn)生大量靜電荷，這些靜電荷可轉(zhuǎn)移到在此設(shè)備上運(yùn)輸?shù)漠a(chǎn)品上。

腕帶

通常，腕帶是接地人員的主要手段。正確佩戴并接地后，腕帶可以使佩戴者保持接地電位。由于人員和工作區(qū)域中的其他接地物體處于或接近相同的電位，因此它們之間不會存在危險的放電。此外，靜電會從人身上移到地面，并且不會積累。當(dāng)人員坐在不適合EPA的椅子上時，應(yīng)使用腕帶接地。

腕帶有兩個主要組成部分：纏繞在人手腕上的腕帶和將腕帶連接到公共點(diǎn)地面的接地線。大多數(shù)腕帶的限流電阻模制在連接腕帶一端的接地線中。該電阻器最常見的是一個兆歐，額定功率至少為1/4瓦，額定工作電壓為250伏。

腕帶有幾種故障機(jī)制，因此應(yīng)定期進(jìn)行測試。建議在特定的測試站進(jìn)行日常測試，或者在工作臺上使用連續(xù)監(jiān)測儀。

地板，地板墊，地板飾面

接地人員的第二種方法是將ESD地板與ESD控制鞋或腳接地件結(jié)合使用的地板/鞋類系統(tǒng)。導(dǎo)電或耗散地板材料與鞋類的這種組合為消散靜電荷提供了安全的接地路徑，從而減少了人員上電荷的積累。除了耗散電荷外，某些地板材料（和地板飾面）還可以減少摩擦帶電。在需要增加人員流動性的區(qū)域中，地板/鞋類系統(tǒng)的使用尤其合適。此外，地板材料可以最大程度地減少椅子，移動設(shè)備（例如手推車和手推車），叉車和其他在地板上移動的物體上的電荷積累。然而，這些物品需要耗散或?qū)щ姷哪_輪或輪子與地板進(jìn)行電接觸，并需要進(jìn)行電氣連接。當(dāng)用作人員接地系統(tǒng)時，包括人員，鞋子和地板在內(nèi)的接地電阻必須與腕帶（<35兆歐）和標(biāo)準(zhǔn)行走電壓測試（ANSI / ESD STM97）中規(guī)定的累積人體電壓相同。 2）必須小于100伏。

鞋，地面，腳輪

與ESD地板結(jié)合使用時，防靜電鞋，防靜電地板，腳輪和腳輪可在人或物體與地板之間提供必要的電接觸。絕緣鞋，腳輪或輪子可防止靜電荷從身體或移動設(shè)備流到地板和地面，因此必須避免。

服裝

在某些ESD防護(hù)區(qū)域中，尤其是在潔凈室和非常干燥的環(huán)境中，應(yīng)考慮穿著服裝。服裝材料，尤其是由合成纖維制成的服裝材料，可能會產(chǎn)生靜電電荷，這些電荷可能會排放到ESDS中，或者會產(chǎn)生靜電場，從而產(chǎn)生電荷。由于衣物通常與人體絕緣或絕緣，因此衣物織物上的電荷不一定會散布到皮膚上，然后再散布到地面上。防靜電衣服可能會抑制或影響穿著在衣服下面的衣服產(chǎn)生的電場。根據(jù)ANSI / ESD S20.20和服裝標(biāo)準(zhǔn)ANSI / ESD STM2.1，有三類ESD防護(hù)服：

ESD 1類服裝；不接地的防靜電服裝。但是，如果不接地，電荷可能會積聚在衣服的導(dǎo)電或耗散元件上（如果存在），從而導(dǎo)致帶電源。

ESD 2類服裝；當(dāng)接地時，可接地的靜電控制服裝可更高程度地抑制穿著在該服裝下面的服裝產(chǎn)生的電場影響。

ESD 3類服裝；接地的防靜電服裝系統(tǒng)還將人的皮膚粘結(jié)到已確定的地面路徑上。包括人員，衣服和接地線在內(nèi)的系統(tǒng)總電阻應(yīng)小于35兆歐。

工作站和工作臺

圖2：典型的ESD工作站

ESD保護(hù)工作站是指一個人的工作區(qū)域，該工作區(qū)域由構(gòu)造和配備材料和設(shè)備來限制對ESD敏感物品的損壞。它可以是倉庫，倉庫或裝配區(qū)中的獨(dú)立工作站，也可以是諸如商用飛機(jī)中計(jì)算機(jī)機(jī)架之類的現(xiàn)場位置。工作站也可以位于受控區(qū)域，例如無塵室。組成大多數(shù)工作站的主要ESD控制元件是靜電耗散的工作表面，接地人員的設(shè)備（通常是腕帶），公共點(diǎn)接地以及適當(dāng)?shù)臉?biāo)志和標(biāo)簽。典型的工作站如圖1所示。

工作站提供了一種將所有工作臺面，固定裝置，搬運(yùn)設(shè)備和接地設(shè)備連接到公共點(diǎn)地面的方法。此外，可以提供用于連接其他人員接地設(shè)備，設(shè)備和附件的設(shè)備，例如恒定或連續(xù)的監(jiān)測器和電離器。

靜電保護(hù)性工作表面的接地電阻為1兆歐至1兆歐，其表面電位與工作站上的其他ESD控制項(xiàng)目相同。它們還為接地提供了一條電氣路徑，以控制與表面接觸的材料上的所有靜電荷消散。工作表面還有助于定義要在其中處理ESDS的特定工作區(qū)域。工作面連接到公共點(diǎn)接地。

連續(xù)或恒定監(jiān)視器

連續(xù)（或恒定）監(jiān)控器旨在提供對腕帶系統(tǒng)的持續(xù)測試。盡管使用了多種技術(shù)，但目標(biāo)仍然是一致的：在佩戴者操作ESDS時，對接地點(diǎn)，接地線，腕帶和人的身體之間的電連接進(jìn)行了測試。連續(xù)監(jiān)測器還可以為ESD工作表面或其他設(shè)備與地面參考的連接提供監(jiān)測電路。

典型的測試程序建議應(yīng)每天測試每天使用的腕帶。但是，如果所生產(chǎn)的產(chǎn)品具有一定的價值，則需要了解連續(xù)可靠的基礎(chǔ)知識，則應(yīng)考慮甚至需要進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。如果使用連續(xù)監(jiān)測，則可以不進(jìn)行每日腕帶測試。

生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)輔助

盡管人員可以成為靜電電荷的主要產(chǎn)生者，但自動化的制造和測試設(shè)備也可能帶來ESD問題。例如，ESDS設(shè)備可能會因?yàn)閺牧慵M(jìn)料器向下滑動而變得帶電。如果設(shè)備隨后接觸到插入頭或另一個導(dǎo)電表面，則會從設(shè)備向金屬物體快速放電-帶電設(shè)備模型（CDM）事件。如果不能避免對ESDS充電（由于IC絕緣，在現(xiàn)代裝配線中經(jīng)常會出現(xiàn)這種情況），則應(yīng)通過使用電離器來減少電荷存儲。此外，各種生產(chǎn)輔助工具（例如手動工具，膠帶或溶劑）也可能會引起ESD問題。

接地是控制設(shè)備和許多生產(chǎn)輔助設(shè)備上靜電的主要手段?！秶译姎庖?guī)范》要求將許多電氣設(shè)備連接到設(shè)備接地（綠線），以承載故障電流。此接地也可用于ESD控制。用于處理ESD敏感硬件的所有電氣工具和設(shè)備都需要3針接地AC插頭。通常不使用電動工具的手動工具（例如鉗子，剪鉗和鑷子）通過ESD工作表面和接地人員使用導(dǎo)電/耗散工具接地。固定裝置應(yīng)盡可能用導(dǎo)電或耗散靜電的材料制成。處理非常敏感的設(shè)備時，通常建議使用靜電耗散材料。對于不與ESD工作表面接觸或未由接地人員處理的導(dǎo)電或耗散裝置，可能需要使用單獨(dú)的接地線。對于由絕緣材料組成的物品，可能需要使用電離或使用局部抗靜電劑來控制靜電荷的產(chǎn)生和靜電荷的積累。

手套和手指套

當(dāng)然，操作ESDS的接地人員切勿戴著由絕緣材料制成的手套或手指套。如果使用手套或手指套，則該材料應(yīng)具有耗散性或?qū)щ娦浴?/span>

符合性驗(yàn)證ESD TR53提供了測試程序，用于與系統(tǒng)中的人員一起測量手套或指套的電阻。

包裝與裝卸

在EPA包裝和材料處理容器內(nèi)部應(yīng)保持低電荷狀態(tài)，并具有耗散性或?qū)щ娦?。在EPA包裝和材料處理容器的外部還應(yīng)具有提供靜電放電屏蔽的結(jié)構(gòu)。

通過屏蔽袋，瓦楞紙箱以及硬性或半硬性塑料包裝等包裝材料，可以直接保護(hù)ESDS設(shè)備免受靜電釋放。這些物品的主要用途是在產(chǎn)品離開工廠時（通常是在運(yùn)送給客戶時）保護(hù)產(chǎn)品。此外，搬運(yùn)箱和其他容器之類的物料處理產(chǎn)品主要在設(shè)施間或設(shè)施內(nèi)運(yùn)輸期間提供保護(hù)。

這些包裝和材料處理產(chǎn)品的主要ESD功能是限制摩擦電荷產(chǎn)生，直接放電以及某些情況下的靜電場對ESD的可能影響。最初的考慮是使低電荷材料與ESD敏感物品接觸。例如，低充電特性將控制由于將板或組件滑入包裝或容器中而產(chǎn)生的摩擦電荷。第二個要求是材料可以接地，因此電阻范圍必須是導(dǎo)電的或耗散的。EPA之外需要的第三個屬性是提供針對直接靜電放電（作為放電屏蔽）的保護(hù)。

提供三種特性的許多材料可供選擇：低充電，電阻和放電屏蔽。這些包裝材料的內(nèi)部具有低電荷層，但是也具有具有導(dǎo)電或耗散范圍的表面電阻的外層。根據(jù)包裝標(biāo)準(zhǔn)ANSI / ESD S541，在EPA內(nèi)進(jìn)行包裝或材料處理時，需要使用低電荷，導(dǎo)電或耗散的包裝。在EPA之外，包裝還必須具有放電屏蔽性能。在制定包裝決策時，必須權(quán)衡各種機(jī)制的有效性，成本和設(shè)備易損性（有關(guān)更多詳細(xì)信息，請參見ANSI / ESD S541，ESD手冊ESD TR20.20和/或CLC / TR 61340-5-2用戶指南）。 ）。

電阻或電阻率測量有助于定義材料提供靜電屏蔽或電荷耗散的能力。靜電屏蔽減弱了包裝表面上的靜電場，以防止包裝內(nèi)部存在電位差。根據(jù)ANSI / ESD STM11.11進(jìn)行測試時，其表面電阻等于或小于1公里，或者根據(jù)方法進(jìn)行測試時，其體積電阻率等于或小于1×10 ohm-cm，這些材料可提供放電屏蔽。符合ANSI / ESD STM11.12。另外，包裝材料可以提供有效的屏蔽，在包裝和ESDS內(nèi)容物之間提供足夠大的氣隙。耗散材料提供電荷耗散特性。根據(jù)ANSI / ESD STM11.11進(jìn)行測試時，這些材料的表面電阻大于10千歐，但小于100吉?dú)W，或者當(dāng)根據(jù)ANSI / ESD STM11.11進(jìn)行測試時，其體積電阻率大于1.0×105 ohm-cm但小于或等于1.0×1012 ohm-cm。根據(jù)ANSI / ESD STM11.12的方法進(jìn)行測試。某些包裝提供放電屏蔽的能力可以使用ANSI / ESD STM11.31進(jìn)行評估，該標(biāo)準(zhǔn)測量傳遞到包裝內(nèi)部的能量。材料的低充電性能不一定由其電阻或電阻率來預(yù)測。某些包裝提供放電屏蔽的能力可以使用ANSI / ESD STM11.31進(jìn)行評估，該標(biāo)準(zhǔn)測量傳遞到包裝內(nèi)部的能量。材料的低充電性能不一定由其電阻或電阻率來預(yù)測。某些包裝提供放電屏蔽的能力可以使用ANSI / ESD STM11.31進(jìn)行評估，該標(biāo)準(zhǔn)測量傳遞到包裝內(nèi)部的能量。材料的低充電性能不一定由其電阻或電阻率來預(yù)測。

電離

大多數(shù)靜態(tài)控制程序還處理未接地的絕緣導(dǎo)體，或不能接地的絕緣材料（例如，最常見的塑料）。在某些情況下，局部抗靜電藥可能會提供暫時的消散靜電荷的能力。

但是，更常見的是，通過產(chǎn)生平衡的正負(fù)離子源，使用空氣電離來中和絕緣和隔離對象上的靜電荷。通過從空氣中吸引相反極性的電荷，可以減少，消除和消除工作環(huán)境中物體上存在的任何靜電荷。因?yàn)樗鼉H使用工作環(huán)境中已經(jīng)存在的空氣，所以即使在無法使用化學(xué)噴霧劑和某些靜電消散材料的潔凈室中，也可以使用空氣電離。

空氣電離是完整ESD控制程序的一個組成部分，不能替代接地或其他方法。如果無法正確接地，則應(yīng)使用電離器，并作為其他靜態(tài)控制方法的備份。在無塵室中，空氣電離可能是少數(shù)幾種可用的靜電控制方法之一。

請參見電離標(biāo)準(zhǔn)ANSI / ESD STM3.1，ANSI / ESD SP3.3和ESD TR53，以測試離子發(fā)生器的偏移電壓（平衡）和放電時間。

無塵室

盡管此處討論的靜態(tài)控制基本方法適用于大多數(shù)環(huán)境，但無塵室制造過程仍需要特別考慮。

半導(dǎo)體制造過程中不可或缺的許多物體（石英，玻璃，塑料和陶瓷）固有地會產(chǎn)生電荷。由于這些材料是絕緣體，因此不能通過接地消除電荷。許多靜電控制材料包含碳顆?；虮砻婊钚詣┨砑觿?，有時會限制其在潔凈室中的使用。人員流動性的需求和無塵室衣服的使用常常使腕帶的使用變得困難。在這種情況下，電離和地板/鞋類接地系統(tǒng)成為抵抗靜電的關(guān)鍵武器。

身份證明

ESD控制程序中的最后一個元素是使用適當(dāng)?shù)姆杹順?biāo)識ESD敏感項(xiàng)目以及旨在控制ESD的專用產(chǎn)品。ESD協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ANSI / ESD S8.1 — ESD意識符號中定義了兩種最廣泛使用的用于識別ESDS零件或ESD控制保護(hù)材料的符號。

ESD易感性符號（圖3）由三角形，伸手和伸手的斜線組成。三角形表示“小心”，伸手的斜線表示“請勿觸摸”。由于其用途廣泛，三角形的指針已與ESD相關(guān)聯(lián)，并且該符號字面意思是“ ESD敏感物品，請勿觸摸”。

ESD易感性符號直接應(yīng)用于對ESD敏感的集成電路，電路板和組件。表示如果不采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，使用該物品可能會導(dǎo)致ESD損壞。操作人員應(yīng)在操作前接地。如果需要，可以將項(xiàng)目的敏感度級別添加到標(biāo)簽上。

ESD保護(hù)符號（圖4）由三角形中的伸出手組成。三角形周圍的弧線代替斜線。這種“傘”是指保護(hù)。該符號表示ESD保護(hù)材料。它適用于墊子，椅子，腕帶，服裝，包裝和其他提供ESD保護(hù)的物品。它也可以用于特別設(shè)計(jì)或修改以提供ESD控制特性（低充電，導(dǎo)電/耗散電阻和/或放電屏蔽）的設(shè)備，例如手動工具，傳送帶或自動裝卸機(jī)。

摘要

有效的ESD控制程序需要多種程序和材料。ESD協(xié)調(diào)員應(yīng)定期發(fā)布和控制程序中允許使用的特定EPA ESD控制產(chǎn)品清單。我們提供了最常用產(chǎn)品的簡要概述。在ESD協(xié)會出版的ESD手冊（ESD TR20.20）或CLC / TR 61340-5-2用戶指南等出版物中，可以找到有關(guān)各個材料和程序的其他深入討論。

您的程序已啟動并正在運(yùn)行。您如何確定它是否有效？您如何確保您的員工遵守？在第四部分中，我們將討論審計(jì)和培訓(xùn)的主題。

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