為了提高成品率及最終產品的長期可靠性,電子制造商們需要對生產工藝中各個關鍵部分的性能參數實行密切控制,而采用自動閉環反饋方式對工藝條件漂移(如印刷機或貼片機的性能漂移)進行實時監控,能在產量明顯下降之前就采取糾正措施。隨著ESD設備的不斷發展,現在已可以把靜電感應儀器連接起來形成一個閉合的監控網絡,使制造商能對傳統上“看不見的”ESD和普遍存在的問題進行全過程控制。

有一種現象每一家電子制造商都遇到過,不論規模大小,同時一直不能很好地對其進行測量和控制,這就是靜電放電(ESD)。當一個帶靜電荷的絕緣體靠近一個靜電電勢較低的導體(如PCB上的一個元件)時,就會引起ESD,任何一個帶電物體都要吸引相等的異性電荷來中和自身,它利用空氣中的帶電離子在兩個物體之間進行傳導形成電流,出現小型雪崩效應。

這股電流非常強烈,一般能產生足夠的熱量完全熔化掉半導體芯片的內部電路；更糟糕的是這種損傷只有十分之一會在終測前使整個元件失效,其余90%只造成電路部分損壞,也就是說它可以通過終測,使得缺陷完全被忽略,而在發貨給客戶之后導致出現早期現場失效。

ESD在現代制造環境下為什么一直難以控制有兩方面的原因。首先,ESD破壞電子元件是完全感覺不到的,要產生能聽到“啪啪”聲的放電需要約2,000V這么大的電荷積累,3,000V電荷可以感到像一次小的電擊,5,000V才可看到火花。普通電路如CMOS或EPROM芯片分別受到250V和100V的ESD電勢即可能受到損傷,而越來越多的現代電路器件包括奔騰處理器只要5V的電勢就能使之癱瘓。

其次,產生ESD損傷的主要原因實際上來自于生產員工每天的普通行為。工作臺邊工人的自然動作摩擦會形成400～600V電勢,如果他們在打開或包裝泡沫襯底紙箱或氣泡塑料袋中的PCB過程中一直接觸的都是絕緣體,其身體表面上的凈電荷積累可能達到約26,000V。

雖然這根本不是ESD本身的問題,但是如果生產線上的員工沒有嚴格遵守ESD控制制度,或者他們在處理PCB或元件時使用有故障、安裝不當或沒有足夠保護的ESD屏蔽設備,很快就會出現問題。

ESD長期以來受不到重視,但卻是電子裝配中電路板與元件損傷的常見原因之一。盡管大多數公司采用了某種形式的ESD保護措施,但它通常只能給損傷提供最低限度的保護,制造商們總是錯誤地認為他們是在ESD相當安全的環境里制造產品,實際上卻并不是這樣。

正是出于這些原因,ESD每年在成品率和早期現場失效方面使世界電子工業要蒙受數十億美元的損失。因此有效的ESD防護應和裝配工藝其他任何部分一樣,被看成是對產品產量和質量至關重要的因素之一。

最近Semtronics制造的ESD設備在聯網和防護能力上取得了一定進展,可以對ESD進行精確控制和有效監控。簡單地說,它通過將ESD防護產品連成一個網絡,用一個標準PC自動讀取重要的ESD數據并作分析,對整個生產流程進行控制。

這種聯網系統能發現發生的各個ESD事件并記錄下來,同時還找出它們發生的時間和地點(如具體的工作臺、日期和時間),以便于后續的研究。此外,只要給出失效的最終產品的序號,它就能夠把現場失效與工廠里制造該產品時的實際ESD事件聯系在一起。

雖然這種ESD處理的精確性非常高,但是聯網防護系統不管能力如何還是不能解決所有的ESD問題,要想真正有效加以控制,用戶還需要深入理解ESD損傷的原因以及如何有效實施保護。例如一個有效的ESD方案有哪些要素？現有一些什么樣的ESD監控和防護設備？怎樣才能把它們全部連接到一個閉環系統中？這些問題的答案可以徹底結束過去那種無休止的與ESD的斗爭。

操作工人由于頻繁進出劃定的ESD防護區(EPA),所以是對ESD敏感電子元件的最大威脅,因此EPA內的任何人一定要穿戴合適的衣物,如防靜電鞋、工裝褲和腳踝松緊帶等,所有這些都設計能防止員工在工廠走動時攜帶電荷。

另外在裝配過程中和裝配之后,PCB運輸期間也應受到保護不受ESD危害,有很多種電路板包裝產品可以用,包括ESD屏蔽袋、裝運箱和移動推車等。

保護PCB不受ESD危害的主要方法毫無疑問是操作員佩戴的防靜電腕帶,它可以使電壓通過一個很大的電阻(一般為1MΩ)緩慢安全地從操作工身上流向大地。但問題是整個業界并沒有對操作員腕帶的性能進行有效的監督和控制,結果作為一種防護ESD的方法常常根本起不到作用。

例如許多制造商采用自動測試儀,讓操作員將腕帶插入到里面進行測試,然后出具證明表明他們已通過測試。但是我們更經常看到的是操作員上班后,直接簽上他們的大名不做測試就走開；或者他們并未通過測試,但卻采用一種非正常方式強行通過測試(如用另一只空手抓住松弛的腕帶以達到所要求的皮膚對地接觸)。因此傳統的腕帶測試方法無法進行追查,而且易被誤用,不能使制造商知道其員工什么時候未通過測試,只是知道他們什么時候通過了測試。

現在有一種自動腕帶測試儀能解決這些問題,它還可兼做鞋和服裝測試,這種數據采集產品能讓公司的ESD工作人員在電腦上記錄腕帶測試程序的結果,具有完整的追蹤性。

自動測試儀盡管是一大進步,但還不是一個完全獨立解決ESD防護問題的方法,這是因為腕帶測試儀只在墻上的測試點測試腕帶性能合格,而沒有在員工實際接觸產品的工作臺邊進行測試。

產生ESD的另一個主要原因是工作臺和工具接地不良。雖然接地設施如接地點、工作椅和ESD耗散墊都能使EPA內的一切物品維持在同一電勢上,但接地情況卻很容易被人忽視。所以為了進一步實施ESD防護方案,需要某種方法能連續實時地監控腕帶和其他ESD設施在實際應用場合的性能。除了上述標準ESD設施外,還需要連續式ESD監控設備(可以做在ESD產品中,或者單獨另外一個),當ESD性能超出ESD安全規范以及ESD事件發生的可能性很高時,它應能自動報警。

這種裝置的另一個優點在于如果有一項ESD設施失效能很快被發現。任何ESD防護方案都不僅要保證培訓員工理解和領會ESD,從而自始至終以ESD安全的方式規范自己的行為,同時還要保證所有用于防護ESD的設施實際上都起到各自應起的作用。我們經常發現制造商在使用完全失效甚至已經沒用的ESD設施,而他們還根本不知道這一點；同樣,我們還發現有時制造商認為其ESD問題是因為設施有故障,而實際上設施本身工作正常但卻操作不當。

最后的措施

正確使用這類設施能解決90%與ESD有關的問題,但是要完成余下的10%則需要采取最后一步防護措施:離子化和全閉環過程控制。

一個常見的誤解認為,由于某人在工作臺戴上了腕帶,所以該區域的絕緣體如聚苯乙烯杯或紙箱攜帶的任何電荷都會安全地釋放掉。但是絕緣體顧名思義就是不導電的,所以它不可能釋放電荷,除非使用電離器。電離器向整個工作區吹出一股離子化空氣(正離子和負離子),以中和絕緣材料上積累的電荷。

如果帶電絕緣體仍滯留在EPA內,它會輻射出靜電場,使附近的絕緣體感應上電荷,對產品造成潛在的ESD損傷危險。盡管很多制造商嘗試在EPA內禁止使用絕緣材料,但這在實際情況下很難實施。絕緣材料在日常生活中實在太多了,從操作員舒適坐著的泡沫墊到他們用作參考的塑料封套里的制造資料。

電離器使得制造商可以容許一些絕緣體出現在EPA內,同時不斷地中和絕緣體上面出現的電荷積累。標準電子裝配中使用的電離設備有兩種基本形式:臺式(一個風扇)和吊頂式(實際上是在一個吊頂裝置內有一排風扇),如何選擇取決于需要覆蓋的面積大小,臺式電離器只能覆蓋一個工作面,而吊頂式電離器能覆蓋2到3個工作面。

最后,消滅ESD危害還要通過全閉環式數據采集,為此Semtronics推出一種新型產品靜電控制通信網絡(SCCN)及相關軟件。它采用了一系列網絡集線器(可連接16個外圍裝置),這些集線器通過RS485通信協議接到一個標準個人計算機上。

它可以使用戶實時自動獲取ESD數據并進行分析,實現全過程控制,完全消除了ESD方案中的人工維護和監控工作。這樣制造商們就能放心地知道其所有ESD設施都處于連續的測試和監控中:從操作員腕帶到工作臺上的接地點以及電離設備。

Semtronics系統還能將工廠里每個ESD設施的實際情況顯示在一個簡明的彩色現場平面圖上,任何區域出現危險都將立即報警并改變其在屏幕上的顏色。此外它還配有強大的SPC和管理統計分析功能(如一個顯示工作臺符合或超出規范的時段表),還可以定制以滿足用戶的需求。

決定采取這最后一步要根據待處理產品的ESD敏感度和應用的工藝類型。閉環監控除了能消除ESD危險,還免去了與傳統ESD方案維護有關的大量乏味工作和紙張費用,包括將準備年審的審計過程和存儲數據做自動化處理等等。

制造商們受到啟發,開始研究成品率和現場失效,并認識到由于ESD方案不好甚至無效,會造成很多產量問題和現場失效,不過只要以正確的方式應用正確的設備,ESD問題是能夠避免的。

雖然采用了好幾層防護措施,但閉環網絡化監控通過使許多日常工作自動化并確保每個設備工作正常,大大簡化了ESD方案,這樣一來就有可能第一次將ESD作為過程控制問題而不是質量控制問題來對待。

總而言之,在這樣的系統上投入時間和金錢將會在提高成品率降低現場失效上得到豐厚的回報。

Michael Gouldsmith

CEO

Metcal公司

Email:mgouldsmith@