SMT制造中的防静电.ppt

十 SMT生产中的静电防护技术,1 静电和静电的危害 静电(Electrostatic)是物体表面过剩或不足的静止电荷。是一种电能，它存留于物体表面；是正负电荷在局部范围内失去平衡的结果，是通过电子或离子的转换而形成的。静电现象是电荷在产生和消失过程中产生的电现象的总称。如摩檫起电、人体起电等现象。随着科技发展，静电现象已在静电喷涂、静电纺织、静电分选、静电成像等领域得到广泛应用。但在另一方面，静电在许多领域带来重大危害和损失。例如第一个阿波罗载人宇宙飞船由于静电放电（ESD）导致爆炸，使三名宇航员丧生；在火药制造过程中由于静电放电，造成机毁人亡的事故时有发生；,在电子工业中，随着集成度越来越高集成电路的内绝缘层越来越薄，互连导线宽度与间距越来越小。例如CMOS器件绝缘层的典型厚度约为0.1m，其相应耐击穿电压在80100V；VMOS器件的绝缘层更薄，击穿电压在30V；而在电子产品制造中以及运输、存储等过程中所产生的静电电压远远超过MOS器件的击穿电压，往往会使器件产生硬击穿或软（器件局部损伤）击穿现象。使其失效或严重影响产品的可靠性。据有关统计，在导致电子产品失效的因素中，静电占833%，每年静电的损失高达10亿美圆。,为了控制和消除ESD，美国、西欧和日本等发达国家均制定了国家、军用或企业标准或规定。从静电敏感元器件的设计、制造、购买、入库、检验、仓储、装配、调试、半成品与成品的包装、运输等均有相应规定，对静电防护器材的制造使用和管理也有较严格的规章制度要求。我国也参照国际标准制定了军用和企业标准。例如有航天部、机电部、石油部等标准。,2 静电敏感元器件（SSD）对静电反应敏感的元器件称为静电敏感元器件（SSD）。静电敏感元器件主要是指超大规模集成电路，特别是金属化膜半导体（MOS电路）。例如：MOSFET金属氧化物半导体场效应晶体管静电敏感范围100200V、场效应管为14010,000V、CMOS 电路为25020,000V。根据SSD能够承受而且不至于损坏的静电极限电压值（也可称为静电敏感度）将静电敏感元器件分为三级。针对不同级别的SSD器件，应采取不同的静电防护措施。,静电敏感元器件的分级表,3 电子产品制造中的静电源(1)人体静电人体活动，人与衣服、鞋、袜等物体之间的摩檫、接触和分离等产生的静电是电子产品制造中主要静电源之一。人体活动产生的静电电压约25012,000V。空气湿度对静电电压影响很大，若在干燥环境中还要上升1个数量级。人体带电后触摸到地线，会产生放电现象。人体对静电放电会产生不同程度的电击感反应，其反应的程度称为电击感度。,相对湿度对与人体活动带电关系,(2)工作服化纤或棉制工作服与工作台面、坐椅摩擦时，可在服装表面产生6000V以上的静电电压，并使人体带电，此时与器件接触时，会导致放电，容易损坏器件。(3)工作鞋橡胶或塑料鞋底的绝缘电阻高达1013，当与地面摩擦时产生静电，并使人体带电。(4)树脂、漆膜、塑料膜封装的器件放入包装中运输时，器件表面与包装材料摩擦能产生几百伏的静电电压，对敏感器件放电。,(5)用PP（聚丙烯）、PE（聚乙烯）、PS（聚丙乙烯）、PVR（聚胺脂）、PVC和聚脂、树脂等高分子材料制作的各种包装、料盒、周转箱、PCB架等都可能因摩擦、冲击产生13.5KV静电电压，对敏感器件放电。(6)普通工作台面，受到摩擦产生静电。(7)混凝土、打腊抛光地板、橡胶板等绝缘地面的绝缘电阻高，人体上的静电荷不易泄漏。,(8)电子生产设备和工具方面：例如电烙铁、波峰焊机、再流焊炉、贴装机、调试和检测等设备内的高压变压器、交、直流电路都会在设备上感应出静电。如果设备静电泄漏措施不好，都会引起敏感器件在制造过程中失效。烘箱内热空气循环流动与箱体摩檫、CO2低温箱冷却箱内的CO2蒸汽均会产生大量的静电荷。,人体带电电位与电击感度,从以上数据可以看出,人体在活动、工作服、工作鞋、包装、料盒、周转箱、PCB架、工作台面，地面、电烙铁、波峰焊机、再流焊炉、贴装机、调试和检测等设备等都有可能产生10035,000V静电。但大多数情况人体毫无感觉。达到25,000V以上人体才能有电击感，静电敏感元器件（SSD）在运输、存储、使用过程中有可能不知不觉的产生硬击穿或软击穿。因此有人称静电为“无形杀手”并不过分。,4 静电防护原理 电子产品制造中，不产生静电是不可能的。产生静电不是危害所在，其危害在于静电积聚以及由此产生的静电放电。静电防护原理：(1)对可能产生静电的地方要防止静电积聚。采取措施，使静电边产生，边泄放，并将静电电压控制在安全范围内。(2)对已经存在的静电积聚迅速消除掉，即时释放。静电防护的核心是“静电消除”。,5 静电防护方法(1)使用防静电材料 金属是导体，因导体的漏放电流大，会损坏器件。另外由于绝缘材料容易产生摩擦起电，因此不能采用金属和绝缘材料作防静电材料。而是采用表面电阻1105.cm以下的所谓静电导体，以及表面电阻11051108.cm的静电亚导体作为防静电材料。例如常用的静电防护材料是在橡胶中混入导电碳黑来实现的，将表面电阻控制在1106.cm以下。,(2)泄漏与接地 对可能产生或已经产生静电的部位进行接地，提供静电释放通道。采用埋大地线的方法建立“独立”地线。使地线与大地之间的电阻10。（参见GBJ179或SJ/T10694-1996）静电防护材料的方法：将静电防护材料（如工作台面垫、地垫、防静电腕带等）通过1M的电阻接到通向独立大地线的导体上（参见SJ/T10630-1995）。串接1M电阻是为了确保对地泄放5mA的电流，称为软接地。设备外壳和静电屏蔽罩通常是直接接地，称为硬接地。,IPC-A610C标准中推荐的防静电工作台接地方法,理想的EOS/ESD安全工作台 可接收的EOS/ESD安全工作台 图12-1 IPC-A610C标准中推荐的防静电工作台接地方法,(3)导体带静电的消除用接地的方法,导体上的静电可以用接地的方法使静电泄漏到大地。放电体上的电压与释放时间可用下式表示：Ut=U0e-t/RC式中：Utt时刻的电压（V）（释放时间t=1s）U0起始电压（V）R等效电阻（）C导体等效电容（pf）e自然对数的底,静电安全作业区（点）的安全电阻的确定,根据人体受到电击时，安全电流应1016mA，为了安全，取安全电流I=5mA。设U=220380V R=U/I 计算得到 R=4.410 47.610 4 取安全电阻R值1.010 5,防静电系统的泄漏条件分析,资料表明：临时进入防静电作业区（点）的外来人员，踏在防静电地垫上，距离工作台上静电敏感器件有一步距离时，只需要1s就有可能对器件导致损害。因此防静电泄漏系统应考虑最大允许接地电阻，即要求1s的时间内将电压降至100V以下。另外，物体放电时，除了需要通过接地电阻外，放电物体的电容量也影响放电时间。人体的等效电容大约为1004000Pf，一些防静电器具对地的等效电容约为35300Pf，因此取平均值200pF。物体放电的初始电压是不同的，国际上一般规定为5000V。,防静电系统的最大允许接地电阻计算,根据以上分析，将t=1s、Ut=100V、U0=5000V、C=200pF代入公式 Ut=U0e-t/RC 计算结果：R=1.28109 因此，只要防静电系统的接地电阻109，即可保证在1s内将静电泄漏，即1s内将电压降至100V以下的安全区。这就最大限度地减少了SSD在静电作用下损坏机会。,防静电腕带接地电阻的要求,要求腕带放电速度与人体上产生静电荷的速度相同，不要因为静电积聚形成高电位。因此要求防静电腕带接地电阻必须保证操作者在任何情况下（包括移动时）人体电位都能在0.1s内降至100V以下。通过公式Ut=U0e-t/RC计算得到结论：腕带接地电阻应在105108之间。为了获得最佳静电安全和对人体保护，腕带接地电阻取106。,总结：导体上的静电可以用接地的方法使静电泄漏到大地,a 一般要求在1s内将静电泄漏。即1s内将电压降至100V以下的安全区。这样可以防止泄漏速度过快、泄漏电流过大对SSD造成损坏。b 若U0=5000V，C=200pf，想在1s内使Ut达到100V以下，则要求防静电系统的最大允许接地电阻R=1.28109，一般取R109。c 静电防护系统中通常用1M的限流电阻，将泄放电流限制在5mA以下。这是为操作安全设计的。如果操作人员在静电防护系统中，不小心触及到220V工业电压，也不会带来危险。,(4)非导体带静电的消除不能用接地的方法 对于绝缘体上的静电，由于电荷不能在绝缘体上流动，因此不能用接地的方法消除静电。可采用以下措施：(a)使用离子风机离子风机产生正、负离子，可以中和静电源的静电。可设置在空间和贴装机贴片头附近。(b)使用静电消除剂静电消除剂属于表面活性剂。可用静电消除剂檫洗仪器和物体表面，能迅速消除物体表面的静电。(c)控制环境湿度增加湿度可提高非导体材料的表面电导率，使物体表面不易积聚静电。例如北方干燥环境可采取加湿通风的措施。(d)采用静电屏蔽对易产生静电的设备可采用屏蔽罩（笼），并将屏蔽罩（笼）有效接地。,(5)工艺控制法 为了在电子产品制造中尽量少的产生静电，控制静电荷积聚，对已经存在的静电积聚迅速消除掉，即时释放，应从厂房设计、设备安装、操作、管理制度等方面采取有效措施。,6 静电防护器材(1)人体防静电系统包括防静电腕带、工作服、帽、手套、鞋、袜等(2)防静电地面包括防静电水磨石地面、防静电橡胶地面、PVC防静电塑料地板、防静电地毯、防静电活动地板等。(3)防静电操作系列包括防静电工作台垫、防静电包装代、防静电、物流小车、防静电烙铁及工具等。,7 静电测量仪器(1)静电场测试仪用于测量台面、地面等表面电阻值。平面结构场合和非平面场合要选择不同规格的测量仪。(2)腕带测试仪测量腕带是否有效。(3)人体静电测试仪用于测量人体携带的静电量，人体双脚之间的阻抗，测量人体之间的静电差，腕带、接地插头、工作服等是否防护有效。还可以作为入门放电，把人体静电隔在车间之外。(4)兆欧表用于测量所有导电型、抗静电型及静电泄放型表面的阻抗或电阻。,8 电子产品制造中防静电技术指标要求 a 防静电地极接地电阻 10。b 地面或地垫表面电阻值1051010；摩擦电压100V。c 墙壁电阻值5104 109。d 工作台面或垫表面电阻值106109；摩擦电压100V；对地系统电阻106 108。e 工作椅面对脚轮电阻106 108。f 工作服、帽、手套摩擦电压300V；鞋底摩擦电压100V。G 腕带连接电缆电阻 1M；佩带腕带时系统电阻110M。脚跟带（鞋束）系统电阻0.5105108。h 物流车台面对车轮系统电阻106109。i 料盒、周转箱、PCB架等物流传递器具表面电阻值103108；摩擦电压100V。j 包装代、盒摩擦电压100V。k 人体综合电阻106108。,9 电子产品制造中防静电措施及静电作业区（点）的一般要求 SMT生产设备必须接地良好，贴装机应采用三相五线制接地法并独立接地。生产场所的地面、工作台面垫、坐椅等均应符合防静电要求。车间内保持恒温、恒湿的环境。应配备防静电料盒、周转箱、PCB架、物流小车、防静电包装代、防静电腕带、防静电烙铁及工具等设施。,a 根据防静电要求设置防静电区域，并有明显的防静电警示标志。防静电作业区（点）标志（表示该区域或物体经过专门设计具有防静电保护能力）按作业区所使用器件的静电敏感程度分成1、2、3级，根据不同级别制订不同的防护措施。1级静电敏感程度范围：01999V 2级静电敏感程度范围：20003999V 3级静电敏感程度范围：400015999V 16000V以上是非静电敏感产品。,b 静电安全区（点）的室温为233，相对湿度为 4570%RH。禁止在低于30%的环境内操作SSD（静电敏感元器件）。c 定期测量地面、桌面、周转箱等表面电阻值。d 静电安全区（点）的工作台上禁止放置非生产物品，如餐具、茶具、提包、毛织物、报纸、橡胶手套等：。e 工作人员进入防静电区域，需放电。操作人员进行操作时，必须穿防静电工作服、鞋、袜。每次上岗操作前必须作静电防护安全性检查，合格后才能生产。f 操作时要戴防静电腕带，每天测量腕带是否有效。,g 测试SSD时应从包装盒、管、盘中取一块，测一块，放一块，不要堆在桌子上。经测试不合格器件应退库。h 加电测试时必须遵循加电和去电顺序。加电顺序：低电压高电压信号电压的顺序进行。去电顺序与此相反。同时注意电源极性不可颠倒，电源电压不得超过额定值。i 检验人员应熟悉SSD的型号、品种、测试知识，了解静电保护的基本知识。,10 静电敏感元器件（SSD）运输、存储、使用要求(a)SSD运输过程中不得掉落在地，不得任意脱离包装。(b)存放SSD的库房相对湿度：3040%RH。(c)SSD存放过程中保持原包装，若须更换包装时，要使用具有防静电性能的容器。(d)库房里，在放置SSD器件的位置上应贴有防静电专用标签。静电敏感符号（表示该物体对静电敏感）,(e)发放SSD器件时应用目测的方法，在SSD器件的原包装内清点数量。(f)对EPROM进行写、檫及信息保护操作时，应将写入器/檫除器充分接地，要带防静电手镯。(g)装配、焊接、修板、调试等操作人员都必须严格按照静电防护要求进行操作。(h)测试、检验合格的印制电路板在封装前应用离子喷枪喷射一次，以消除可能积聚的静电荷。,11 防静电工作区的管理与维护(a)制订防静电管理制度，并有专人负责。(b)备用防静电工作服、鞋、手镯等个人用品，以备外来人员使用。(c)定期维护、检查防静电设施的有效性。(d)腕带每周（或每天）检查一次。(e)桌垫、地垫的接地性、静电消除器的性能每月检查一次。(f)防静电元器件架、印制板架、周转箱、运输车、桌垫、地垫的防静电性能每六个月检查一次。,国际静电防护协会推荐6个原则降低ESD带来的损失,采用防静电设计根据制造环境制定静电控制计划定义并标出静电防范区域防止静电的产生和积聚静电驱散和中和保护加工好的产品,随着SMT组装密度不断升级，电子制造中电气保护技术又面临新的挑战。例如高密度PCB需要采用尺寸更小、电压更低的芯片和元器件，在生产和测试中受到更大的ESD（静电放电）和EOS（电气过应力）风险。因此我们要从设计、采购、运输、存储、备料、装配、焊接、修板、检测、调试等整个制造环节都要考虑到静电防护，从生产线的工程师到操作人员每个人都要重视静电防护，尽量把静电放电的危害降到最低！,