【干货】SMT生产过程的静电防护管理规范

                                                                                                   
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序 言
    随着微电子工业制造技术的飞速发展，集成电路的集成度不断提高，采用 0.1 5~0.25m m制造工艺的CMOS和GaAs（砷化镓）器件被广泛使用，其耐击穿电压下限通常只有50V~100V。有着更高集成度的超高速、高频IC器件，采用了特殊的制造工艺，如薄膜技术、浅PN结、GaAs材料、微小封装等，其对ESD、电浪涌、机械应力、热应力等更为敏感，有的VMOS器件耐压只有30V。这就给含有上述静电敏感器件产品的生产制造过程提出了更严格的静电防护要求。
A、静电现象 一、何为静电？     静电就是物体表面过剩或不足的相对静止电荷，它是电能的一种表现形式。静电是正负电荷在局部范围内失去平衡的结果，是通过电子转移而形成的。这些不平衡的电荷，就产生了一个可以衡量其大小的电场，称为静电场，它能影响一定距离内的其它物体，使之感应带电，影响距离之远近与其电量的多少有关。二、静电放电(ESD)现象     静电放电（ESD），就是具有不同静电势的实体之间发生电荷转移。例如：1、雷电。
2、小实验：有机玻璃用丝绸或棉布摩擦后产生静电，能吸住小纸屑。
3、在空气较干燥的冬天，脱下合成纤维衣服时发出劈啪声，夜间可见火花（空气击穿场强为30KV/cm）。
4、穿化纤内衣容易皮肤过敏是怎么回事？换棉质内衣试试！三、静电的可利用之处与危害 可利用之处：力学效应 —— 异性相吸，同性相斥    静电吸附特性已被 广泛用于静电成像、复印、喷涂、植绒、除尘等实践中。静电的危害：     就电子工业而言，静电放电能够改变半导体器件的电气特性，使之退化或者完全毁掉。静电放电还可能干扰电子系统的正常运行，导致器件故障或瘫痪。1、第一艘阿波罗载人宇宙飞船，由于静电放电(ESD)导致火灾和爆炸，三名宇航名全部丧生。2、日本IC生产中的不合格器件有45%是由静电造成的。3、88年美国因ESD影响损失50亿美元。4、90年代初北京某公司试生产的高档数字万用表，由于IC没注意防静电，使其产品大部分不合格。5、华为公司：① 今年3月份某批含E-5射频放大器的GSM单板失效率达15%，失效形式表现为功能完全丧失，分析表明是受偶然的电浪涌烧伤，如漏电、ESD所致。② 也是3月份，某批CC08ASL用户板上二极管RD5和RD6不良率达90%，经分析确定为静电损伤。6、工业领域的有关专家曾作过估计，由于静电所造成的平均产品损失大约在8~33%之间，见下表：静电平均损失报告
四、静电的特点 高电位：可达数万至数十万伏，操作时常达数百和数千伏（人通常对3.5KV以下静电不易感觉到）低电量：静电流多为微安级（尖端放电例外）作用时间短：微秒级受环境影响大：特别是湿度，湿度上升则静电积累减少，静电压下降，如下表：
五、静电的度量 1、静电荷单位：库仑(C)。通常我们讲到静电势，则以“伏特(V)”为单位。2、面电荷密度： σ = Q/S （ σ 单位：C/m 2 ）式中：Q — 电量，S — 表面积3、库仑定律：Q = C V 式中：Q — 电量，C — 电容 ，V — 电压
六、从静电学来区分材料的导电情况 静电导体：≤10 5 W cm（体电阻） 例：金属静电亚导体：10 6 ~ 10 10 W cm 防静电器材静电绝缘体：≥ 10 11 W cm 普通塑料注意：由于静电的特点（电位高，电量小），因此它与普通电工学中导体和绝缘体划分有所不同。B、静电产生的物理过程 一、静电起电原理
造成不平衡电子分布的原因是电子受到外力而脱离轨道，这个外力包括各种能源，如动能、位能（势能）、热能、化学能等等，它使电子获得足够能量而做功逃逸。
二、静电的产生方式 摩擦、接触（传导）、分离、感应、冲流、辐射、压电、温差、电解等固体、液体、粉末流体都可能产生静电三、摩擦静电序列 ＋（正极）: 空气→人手→石棉→兔毛→玻璃→云母→人发→尼龙→羊毛→铅→丝绸→铝→纸→棉花→钢铁→木→琥珀→蜡→硬橡胶→镍、铜→黄铜、银→金、铂→硫黄→人造丝→聚酯→赛璐珞→奥轮→聚氨酯→聚乙稀→聚丙稀→聚氯乙稀(PVC)→二氧化硅→聚四氟乙稀 : －（负极）     上述任意两种介质摩擦后前者带正电，后者带负电，且相距较远的两种介质通常比相距较近的两种介质所产生的摩擦电量大。但也不是绝对的，与材料表面清洁程度、环境条件、接触压力、光洁程度、表面大小、分离速度等有关。
四、固体起电 除摩擦起电之外，其它表现形式：1、断裂带电：材料因机械破裂使带电粒子分离，使两侧带等量、异性电荷。
2、压电效应：石英 0.5V电位差，如：电光鞋、煤气打火器
3、热电效应：压电晶体加热时，一端带正电，一端带负电；冷却时，反极性
4、剥离起电：相互密切结合的物体剥离时，会引起电荷分离，引起分离物体双方带电，如：叠在一起的塑料袋分离时。
5、感应起电：静电场范围内的物体会因感应而带电。
6、辐射起电：射线冲击使部分电子获得能量而摆脱原子引力束缚，如：视保屏五、粉末流体起电     粉体与器壁、粉体与粉体碰撞，接触分离、摩擦、碎裂而引起的静电颗粒越小，相互作用越强烈，碰撞面积越大，起电越强烈。弹药库、纺织厂、面粉厂均须严格控制空气中的粉尘浓度。
六、液体起电 1、液体的偶电层    液相与固相界面亦能形成偶电层：液体（如石油）中的可电离杂质和其它离子被吸引到金属壁上。正负离子对金属不可能具有相同的亲和力，亲和力大的就被金属表面所吸引并吸附着，而液体中电荷量相等的异性离子留在液相内，并聚集在界面附近。在界面处形成偶电层，内层是紧贴在固体表面上的离子称固定层，而外层离子是可动的称活动层或扩散层。2、流体带电
当液体流动时，流动层的带电粒子随液体流动形成流动电流，异性带电粒子留在管道中，如管道接地则流入大地，流动的电荷形成电流。稳态时，带电粒子不断被流动液体所带走，固定层电荷经接地管道而被中和，此现象有点像电解。不同的亲和力，扩散与液体流动的综合作用取代了电解中的电场作用。影响电量大小与极性的因素有：1、液体种类及特性；2、管道材料及表面光滑度；3、流速、温度、含水量和空气、混合物及杂质微粒。
七、人体静电 人体是最主要的静电源之一人体的活动使部分机械能转换为电能，每日耗热量：4.18×10 7 J ＝ 10KWh，瞬间放电功率达90KW。人体对地电阻主要由鞋、袜、地面决定人体等效电容：100PF （电容有充放电效应）
人体等效电阻：1K W (~1.5K W )安全静电电压：100V（国标 SJ/T 10630－95）。华为公司《静电放电控制规范》（DKBA0.100.0027）已采用此标准。C、静电损伤
一、静电损伤的两种失效形式 1. 硬损伤：又称“突发性完全失效”、“一次性损坏”，约占10%表现为器件电参数突然劣化，失去原有功能。主要原因是静电放电造成过压使得介质被击穿，或过流使得内部电路金属导线熔断、硅片局部融化等。 硬损伤可通过常规的性能测试手段及时发现，相对软失效而言危害要小得多。2. 软损伤：又称“潜在性缓慢失效”、“多次损伤累积后失效”，约占90%受到软损伤的器件，虽然当时各类电参数仍合格，然而其使用寿命却大大缩短了。含有这些器件的产品或系统，可靠性变差，可能会在后续过程中（直至最终用户）继续遭受ESD软损伤或其它过应力损伤积累而过早地失效。由于软损伤是潜在的，运用目前的技术还很难证明或检测出来，特别是器件被装入整机产品之后，因此具有更大的危害性。这些产品流入市场后的维护成本和造成的其它损失，将比在生产中发生的直接损失要放大几十甚至上百倍！3. ESD损伤二极管之金相图
四、器件敏感度的分级     ESD事件导致的敏感器件受损程度，主要取决于器件耗散放电能量或承受电压的能力，即静电敏感度。 任一种测试方法均包括一个分级体系，定义器件对应指定模型的敏感度（详见表1，表2和表3）。这些分级体系有很大的利用价值，它使得我们可以根据器件的ESD敏感度来进行方便的分组和比较，并确定器件所需的ESD防护级别。表1 ESDS器件敏感度分级——人体模型HBM（ ESD STM5.1-1998）等级 电压范围0级 ＜250V1A级 250V~500V（不含500V）1B级 500V~1000V（不含1000V）1C级 1000V~2000V（不含2000V）2级 2000V~4000V（不含4000V）3A级 4000V~8000V（不含8000V）3B级 ≥8000V表2 ESDS器件敏感度分级——机器模型MM（ANSI/ESD-S5.2-1994）等级 电压范围M0级 ＜25VM1级 25V~100V（不含100V）M2级 100V~200V（不含200V）M3级 200V~400V（不含400V）M4级 400V~800V （不含800V）M5级 ≥800V表3 ESDS器件敏感度分级——带电器件模型CDM（EOS/ESD-DS5.3-1993）等级 电压范围C0级 〈125VC1级 125V~250V（不含250V）C2级 250V~500V （不含500V）C3级 500V~1000V（不含1000V）C4级 1000V~2000V（不含2000V）C5级 ≥2000V    严格来讲，一个特征描述完整的器件应当同时采用人体模型、机器模型和带电器件模型这三种模型来分级。例如，特征描述完整的某器件可能含有下列内容：1B级（500V~1000V HBM），M1级（25V~100V MM）和C3级（500V~1000V CDM）。这在警示该器件的潜在用户它需要一个受控的环境，无论是通过人还是机器来完成装配和制造操作。我们通常依据人体模型按下列标准来划分器件的静电敏感度：I 级 0～1999VII 级 2000～3999VIII 级 4000～15999V非静电敏感 ≥16000V五、一些电子器件的静电敏感度
由上表可以看出，各器件静电敏感度的范围尽管较大，但其下限一般都只有数十伏至数百伏，低于电子工业生产中操作者、工作台面、工具所带的静电压，因而有可能发生ESD损害。 装有静电敏感器件的单板也易受静电损伤，电路设计、布板、加工均需注意。六、损伤实例： 1、Motorola MOS大规模集成电路－－CPU，老化11周。开始未采用导电盒放置，拒收率为40×10－ n ，但从四周后用镀镍盒放置，则降为15×10－ n ，此实验跟踪7个多星期，平均为18×10－ n 。2、国内某厂生产CMOS电路筛选入库后，抽检发现有5%失效率，失效率模式为输入漏电流增大。经分析与ESD有关，该厂生产的CMOS电路在测试前后都放置在普通塑料盒内，塑料上的静电荷传递给CMOS电路。在测试过程中，当器件接触人体或桌面上的接地金属时就会引起放电，导致ESD损伤而失效，后来采用一系列ESD措施、改为防静电盒，现象消失。
D、静电防护的基本方法 一、ESD控制的基本原则 做好ESD防护设计：器件选型、合理布线、设计保护电路等消除和减少静电的产生：减少或消除静电产生的过程、维持过程和材料处于等电势等使静电荷泻放与中和：使用静电导体、接地、电离器来泻放与中和静电保护产品免遭ESD伤害：使用防静电材料包装和储运二、防静电区设计原则 抑制静电荷的积累和静电压的产生。如设备、仪器、工装不使用塑料、有机玻璃、普通塑料袋。安全、迅速、有效地消除已产生的静电荷，使 用有绳防静电腕带、防静电椅、防静电周转车、防静电周转箱。保证静电压小于100V。三、防静电系统要素 1、地面
    防静电地面（防静电水磨石，防静电地板）体电阻10 5 ～10 9 Ω，敷设地线网。2、工位
3、接地
    a、防静电工作区必须有安全可靠的防静电接地装置，地电阻小于4 Ω。防静电地线不得与电源零线相接，不得与防雷地线共用，使用三相五线制供电时，其地线可以作防静电地线。
    b、工作台面、地垫、坐椅和其它导静电的ESD保护设施均应通过限流电阻接入地线，腕带等应通过工作台顶面接地点与地线连接，工作台不可相互串联接地。
    c、防静电工作区接地系统，包括限流电阻和连接端子应连接可靠并具有一定载流能力，限流电阻阻值选择应保证漏泄电流不超过5mA ，下限值取为1M Ω 。4、温湿度
     20~30℃，相对湿度30~70%。5、增湿
    增湿器使空气潮湿，防止静电荷积累，此法不适于增湿后会产生有害影响的场地。6、电离器
    不能有效地泄放静电荷的场合，可采用电离器通过空气中的正负离子来防止和中和元器件和其它物体上电荷 积累，电离能力大于 250V/s 。7、人体
     穿防静电工作服、工作鞋，戴有绳防静电腕带、手套、指套等。(为什么我们要禁止使用无绳防静电腕带？)8、包装
     静电敏感器件应采取防静电保护性包装，如防静电袋、防静电盒等。9、贮存、运输
    静电敏感器件必须存放在防静电容器（箱、袋）内，并用防静电运输工具（箱、车）周转。贮运中要远离静电场、电磁场或放射场，如电脑显示器顶部。
四、防静电操作规程 （略） 五、ESD标识 警示符号
E、防静电材料的常用测试方法与时效性 1、摩擦起电法：用棉布单向摩擦被测物体表面20次，速度120次/分，随即测试其表面静电压。2、阻抗测量法：小于1010 W 为好。3、衰减常数 RC红色塑料袋与红色泡沫时效期半年，不能在阳光下晒，黑色防静电箱5年，装IC塑料管也有时效性。
F、生产现场近期发现的问题 一、 流水线用户线插件工段元件盒盛装的电容表面静电压200V电路板在经过用户线回流焊后第二工位有机玻璃时，板上电压由40V骤升至2000V配套部部件车间新线体工装板表面静电压实测高达2000V无线制造部两条流水线（日东公司提供）皮带表面静电压高达1500V二、自动线体与工装FT自动测试线测试部位的回转链爪表面静电压高达500VICT测试部分工装的内表面电阻达1011Ω三、SMT5线IPQC工位防静电台垫接地线断开，电路板放置于书本上 四、自动货柜、GSM库周转车防静电垫正反面颠倒使用 五、部分用透明塑料盘式包装的二极管在SMT进料中测得盘带表面静电压450V 六、从华为电气流入电装的红色泡沫垫，部分已失效，阻值高达1011Ω 七、从外协厂流入的兰色防静电塑料袋，内袋短于隔震外套，且没有屏蔽功能G、静电测试常用仪器
非接触式静电测量仪：测表面静电压，可检查静电是否存在及其泻放效果表面电阻测量仪：测表面电阻，可判断是否为防静电材料防静电腕待测试仪：检测腕带的有效性人体综合电阻测试仪：检测人体系统电阻H、ESD项目小组的主要工作
统筹生产现场的ESD整改已制订《静电放电控制规范》（DKBA0.100.0027）已归档ESD通用操作指导书（环境；仪器、设备、工具、工装；工作台；人员；包装、存储、转运；测试方法）已编写ESD专用操作指导书，正在归档建立现场监控与稽查制度静电敏感器件的分类建立防静电用品的认证与申购流程完善ESD培训与考核制度完善ESD日常管理体系I、参考资料
静电防护技术简介 华为电气 李文秋ESD控制 原著 The ESD Association 刘红春等译华为公司静电放电控制大纲 DKBA0.100.0027 刘红春等电子产品防静电技术 清华大学 贾松良教授ESD From A to Z (2nd Edition) John M. Kolyer Donald E. Watson


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