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静电在SMT行业内的危害与防护

发布时间:2019-04-23 09:50:16点击率:

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摘 要: SMT电路板表面贴装技术是当今电路板集成制造领域内普遍使用的一项技术。静电作为一种因摩擦感应而产生的电能,会对SMT制造行业带来严重危害,尤其会对集成电路板上的SSD器件产生伤害。在SMT生产制造过程中开展针对静电产生根源的分析与研究,并对各种SSD器件按照等级特性,进行分级防护,在企业内部建立起一套完整的防护静电措施与制度。这样才能有效杜绝静电在整个生产过程中的产生与影响,保证SMT产品的质量与安全。
  关键词: SMT; 敏感度; SSD器件; 静电防护
  中图分类号: TN911?34 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2013)22?0043?04
  0 引 言
  电路板表面贴装技术(Surface Mounted Technology,SMT)是目前集成电路制造领域内最为普遍使用的一种技术和工艺。它的目的就是将电子元器件通过自动贴片机贴装到印有锡膏的PCB板上,再通过回流焊进行瞬间高温焊接,将电子元件紧密固定在PCB板上的一个制作流程。
  SMT生产有很多工艺方法,是电子产品生产领域内一项自动化程度较高,工艺要求比较专业的制造行业。现在通过SMT生产,可将由过去传统的电子元器件构成的人工插件式集成电路板变为由机械自动贴片式电子元器件构成的高密度、微型化、集成电路板。并使它的体积大大缩小,生产成本大大降低,可靠性也随之提高。SMT全套生产设备主要由自动送板机、丝印机、回流焊机、自动收板机和AOI检测仪器组成。
  静电作为一种因摩擦感应产生的一种电能,它通常集聚在各种物体表面,本身带有很大的电荷能量,一旦与大地导线连接,就会产生强烈的放电现象[1]。日常生活中就能够经常看到这种结果的产生。如用塑料梳子梳头、穿脱混纺毛衣时摩擦起电、气候干燥时人体起电等现象。
  进入21世纪后,随着科学技术的迅猛发展,在电子行业,尤其是在微电子制造领域内的芯片集成技术发展速度迅猛。由他们作为主体构成的各种现代化电子数码产品的形状变得越来越小巧灵活,实现了技术功能的多样化,深受广大群众的欢迎与喜爱。受其影响,在其电子芯片内部绝缘层也变得越来越薄,器件之间的连接间距越来越短。这些因素容易导致大量静电荷的产生,静电的存在必将给SMT生产带来严重危害及损失。
  如何确保在SMT的生产过程中,杜绝静电对各种电子元器件产生的伤害,确保产品的质量和提升客户的满意度,就必须搞清楚SMT行业内静电产生的根源,这样才能在静电的防护方面做出更有效的行动,拿出更加具体有效的措施,来保证电子产品的质量,更好地提升公司声誉、增加公司利润。
  1 静电及ESD的定义
  如何消除和控制静电荷放电(Electro Static Discharge,ESD),当前世界上许多发达国家都制定了各自国家的标准和规定。
  从一个电子产品的设计、制造、搬运、检验、调试、包装、入库、运输等整个流程都有一套非常严格的防静电的规章制度及要求。我国也在电子行业内部制定了一套完整的电子产品制造防静电系统测试方法及标准。
  2 对静电放电反应敏感的电子元器件
  在SMT生产过程中,受静电危害最大的就要数SSD(Static Sensitive Device)器件。一旦SSD器件在生产过程中受到静电放电伤害,就会导致整个产品报废,无法使用[2]。SSD器件的种类有很多,但主要是以MOS电路构成的集成电路芯片。
  在实际生产过程中,还必须依据SSD器件种类及敏感度电压分级表,制定出各种不同器件的防护电压措施。部分SSD器件静电敏感度如表1所示。
  3 在SMT生产中容易产生的静电源
  (1)员工在生产现场的各项活动中最容易产生摩擦,主要包括身体与衣服,鞋,袜等物体之间的接触、摩擦。因摩擦产生的静电是整个SMT生产过程中最主要的静电源之一。
  当人体产生静电反应后如果接触到接地线,就会发生静电放电现象。人体就会感受到不同程度的电击感反应,根据每个人体的阻抗值大小不同,反应程度也存在着个体差异。
  (2)职工如果身穿棉质或化纤工作服进行SMT作业生产,在生产过程中与座椅或工作台摩擦时,也有可能使身体带电,严重时可在服装表面产生6 kV以上的静电压。如果此时操作工与电子元器件相接触,就会导致放电,极易导致电子元器件损坏。
  (3)当职工脚穿用塑料或橡胶制作的鞋子时,如果鞋底的绝缘电阻高达1013 Ω时,此时与地面摩擦时就会产生静电荷,并使人体带电。
  (4)在电子产品包装时,如果用树脂、漆膜、塑料膜对电子器件进行包装。那么在产品运输工程中电子器件表面就会与包装材料相互摩擦,可能会产生几百伏的静电压。直接影响SSD器件的安全性及可靠性。
  (5)当在使用由各种化工产品做成的各种物料包装袋、散料收集盒、物料周转车、板架框时都会相互之间产生碰撞、摩擦,这些行为都有可能产生上千伏的静电压,这也是对SMT生产带来危害的静电源之一。
  (6)未经防静电处理的普通工作台面,也会因受到各种各样的摩擦产生静电荷。
  (7)如果生产场地是由混凝土、橡胶、水磨石或其他绝缘电阻值过高材料构成的地板,就难以将人体因摩擦所带的静电荷导入地面,产生危害的静电源。
  (8)SMT生产设备与工具在使用过程中,也是产生静电的原因之一。例如:丝印机、贴片机、回流焊机、热风拆焊台、电烙铁在工作时因反复运动,或与其他物体频繁接触摩擦,导致物体表面产生出静电荷。如果设备或工具没有进行良好接地,就会给产品上的SSD器件带来伤害。
  4 静电防护原理
  在SMT生产过程中,不产生静电荷是不可能的。对其产品带来危害的根本原因在于静电荷的积累,并由此产生放电现象。   究其原因,可利用以下原理进行防护:
  (1)防止静电荷聚集,对有可能产生静电荷的地方进行防护处理。一定要将其控制在工艺要求的安全范围内。
  (2)采取各种有效措施,将已经产生并存在于各种物体表面的静电荷迅速释放消除掉。
  5 静电防护方法
  (1)设备及工具表面应具有良好接地
  某公司是根据国家标准,采用布埋大地导线,设立静电桩的方法,来保证公司生产场地具有一个独立的大地连接线结构。使用交流阻抗表测量静电接地线与接地桩及大地间的阻抗小于10 Ω,才能符合防静电标准要求。这种方法又称为硬接地[3]。
  (2)通过1 MΩ电阻接地的办法对各种工作台面、地垫进行防护
  包括员工使用静电腕带也是通过1 MΩ电阻接地的办法对人体进行防护。通过1 MΩ电阻接地的目地是为了确保对地泄放小于5 mA的电流。这种方法又称为软接地。
  (3)正确使用防静电材料
  根据(SJ/T10630?1995)电子元器件制造防静电技术要求,在SMT生产过程中必须使用由表面电阻105~108 Ω·cm防静电材料制作的各种包材及周转用具。
  6 静电的消除方法
  静电的消除方法大致分为两类:
  (1)导体静电的消除方法
  如果导体上带有静电,就可以用连接接地导线的形式使静电流回大地,注意防止泄漏电流过快、过大对SSD器件造成伤害。必须将静电电压在1 s内降到100 V以下的安全范围。
  通常为了操作安全,通过1 MΩ的限流电阻连接物体与大地导线,将泄放电流限制在5 mA以下。
  (2)绝缘物体的静电消除方法
  ①增加工作场所环境湿度,使物体表面不易聚集静电荷。还可使非导体材料的表面电导率提高,加速电荷流动。
  ②采用活性静电消除剂,经常对物体及仪器表面进行擦洗,可快速清除各种物体表面的静电荷。
  ③在工作台及贴片机头附近安装使用离子风咀,利用高压电离出空气中的电荷与物体表面上的静电电荷相中和,从而达到消除静电的目的,具有快速、稳定的特点。
  ④对极易产生静电荷的设备,可采用静电屏蔽罩进行屏蔽并连接接地线。
  7 SMT生产所使用的防护器材
  (1)人体防护器材主要有:防静电鞋、袜、衣、帽、手套等。
  (2)生产场所地面主要有静电活动地板、PVC防静电塑料地板、涂蜡防静电水磨石地面、防静电橡胶地面、防静电合成地垫等。
  (3)防静电工具
  主要包括热风拆焊台、可调温式电焊台、物流周转车、离子风扇、各种规格防静电包装袋、防静电桌垫、椅垫等。
  (4)SMT场所用静电测试仪器
  有腕带测试仪、人体静电测试仪、静电场测试仪、兆欧表。
  8 SMT生产现场防静电技术指标要求
  为了在SMT产品制造过程中尽可能少的产生静电,防止静电荷聚集,并将其快速消除,及时释放,应从生产厂房的设计到设备的安装、操作、仪器测量、职工着装以及各项管理制度的建立等方面采取有效措施。
  (1)根据国家电子产品防护措施及要求,生产场地要求如下:
  ①生产场所在室温控制为(24±3) ℃,相对湿度为40%~60%时,地面或地板的表面电阻值必须达到105~108 Ω;静电电压小于2 500 V。
  ②防静电地极接地电阻小于10 Ω。
  ③工作台面或桌垫的表面电阻值必须达到106~109 Ω,摩擦电压小于100 V,对地电阻达到106~108 Ω。工作椅面对脚轮电阻达到106~108 Ω。
  ④物流周转车台面对车轮系统电阻为106~109 Ω之间。
  ⑤物料盒、周转箱、PCB板架等物流传递器具表面电阻值在103~108 Ω范围内,摩擦电压小于100 V。各种防静电包装袋、盒的摩擦电压小于100 V。
  (2)根据国家电子产品防护措施及要求,生产职工着装要求如下:
  ①职工身穿工作服、帽、手套相互之间所产生的摩擦电压小于300 V;鞋底摩擦电压小于100 V。
  ②职工佩戴静电腕带连接电缆电阻为1 MΩ,佩带腕带时系统电阻1~10 MΩ。
  ③脚跟带 (鞋束)系统电阻为0.5×105~108 Ω。人体综合电阻必须控制在106~108 Ω范围内。
  9 SMT防静电生产的特殊要求
  在SMT生产场所必须设立防静电标识线,规划设计出防静电区域,建立悬挂各种防静电警示标志牌。根据国家军用标准电子产品防静电放电控制大纲的分级方法,对SSD器件分级如下所述。
  (1)Ⅰ级(0~1 999 V)
  微波器件(肖特基二极管)、离散型MOSFET器件、声表面波SAW器件、结型场效应晶体管(JFET?s)、电耦合器件(CCD?s)、精密热稳二极管、运算放大器(OPAMP?s)、薄膜电阻器、MOS集成电路(IC)、超高速集成电路(UHSIC)、可控硅整流器以及使用Ⅰ级原器件的混合电路。
  (2)Ⅱ级(2 000~3 999 V)
  离散型MOSFET器件、结型场效应晶体管(JFET?s)、运算放大器(OPAMP?s)、IC集成电路、超高速集成电路(UHSIC)、低功率双极型晶体管、精密电阻网络(RZ)、由实验数据确定为Ⅱ级的元器件和微电路以及使用Ⅱ级原器件的混合电路。
  (3)Ⅲ级(4 000~15 999 V)
  离散型MOSFET器件、运算放大器(OPAMP?s)、IC集成电路、超高速集成电路(UHSIC)、低功率双极型晶体管、小信号二极管、硅整流器、片状电阻器、压电晶体、光电器件、由实验数据确定为Ⅲ级的元器件和微电路以及使用Ⅲ级原器件的混合电路。静电敏感度范围超过1 600 V以上的电子元器件统称为非静电敏感度产品。在SMT实际生产过程中一定要按照SSD器件不同级别针对性制订不同的防护措施。   10 SMT作业区防静电具体措施及办法
  (1)生产车间的室温应控制在(24±3) ℃,相对湿度控制在(40%~60%)RH。严禁在湿度低于30%的环境下进行SSD器件生产。
  (2)建立起各级静电管理员制度,专人负责管理各静电防护区域的检查工作,定期对地面、工作台面、周转箱等表面电阻值进行测量。
  (3)建立一套完整的行为规章制度,在防静电区域内禁止摆放各种非生产物品。
  (4)工作人员必须穿戴好防静电工作帽、服、鞋、袜后方可进入SMT生产场所。进入防静电区域时必须佩带防静电腕带或手套,应首先需放电,然后再作安全性检测,检测合格后方能操作生产。
  (5)在测试SSD器件时,应遵循“取一测一”的原则。严禁乱堆乱放。
  (6)SSD器件在使用、运输、存储过程中都有许多特殊要求。
  (7)存放SSD器件的库房相对湿度[4]一定要控制在(30%~40%)RH。
  (8)SSD器件在运输、存储、转运过程中一定要使用由防静电材料做成的真空包装袋,并贴有防静电专用标签,尽量使用原包装。
  (9)SSD器件产品在运输工程中,严禁相互挤压、摩擦。必须采取防静电措施运输[5]。
  11 结 语
  静电防护是一项综合性工程,它涉及到SMT生产领域中各个环节。因而需要根据实际情况,采取多方面的措施方法,方能达到控制事故的目的。如果在静电防护工作中忽视,很小的细节都有可能造成不可修复的损坏。建立起一个有效的计划要求和一套有效严密的运作程序来保证所有工厂地面、人员的行为都是ESD安全的。
  

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