SMT静电防护及作业要求.docx
《SMT静电防护及作业要求.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《SMT静电防护及作业要求.docx（18页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
SMT静电防护及作业要求
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0.15~0.25mm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
描述
最小损失
最大损失
估计平均损失
制造商
4%
97%
16-22%
分包商
3%
70%
9-15%
承包商
2%
35%
8-14%
用户
5%
70%
27-33%
数据来源：
StephenHalperin《GuidelinesforStaticControlManagement》，Eurostat，1990
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：
产生方式
10-25%RH
65-90%RH
在地毯上行走
35000V
1500V
在乙烯瓦上行走
12000V
250V
坐在椅子上的工人
6000V
100V
从椅子上拿起涤纶包
20000V
1200V
带有聚氨酯泡沫的椅子
18000V
1500V
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/m2）
式中：
Q—电量，S—表面积
3、库仑定律：
Q=CV
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：
≤105Wcm（体电阻）例：
金属
静电亚导体：
106~1010Wcm防静电器材
静电绝缘体：
≥1011Wcm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、静起电原理：
电
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：
4.18×107J＝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：
1KW（~1.5KW）
∙安全静电电压：
100V（国标SJ/T10630－95）。
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
二、
基本的ESD事件
1.对器件直接的静电放电<=>HBM、MM
2.器件自身发生静电放电<=>CDM
3.电场感应放电
三、ESD事件模型
∙人体模型（HBM）静电损伤最普遍的原因之一是通过从人体或带电材料到静电放电敏感（ESDS）器件之间的一系列有效电阻（1~1.5KΩ）发生静电电荷的直接转移。
当人走过楼面时，静电电荷
就在人体上积累。
手指与ESDS器件或组件表面的简单接触就可使人体放电，可能造成器件损坏。
用以模拟这类事件的模型就叫人体模型（HBM），其等效电路如图所示。
E—高压直流电源（0~5kV）
Rb—人体等效电阻（1.5kΩ±1%）
Cb—人体等效电容（100PF±10%）
Rs—充电限流电阻（1~10MΩ）
DUT—被试器件
K1—高压继电器
∙机器模型（MM）与HBM事件类似的放电还可发自导电物体，例如金属做的工具或设备。
机器模型源自日本，是试图建立一个最恶劣的HBM事件的结果。
这个ESD模型包含一个200pF的电容，它向未串联阻抗的一个元件直接放电。
与最恶劣的人体模型相比，机器模型也许过于严格。
然而，现实世界确实有该模型所代表的情况存在。
例如，来自充电板组件或自动测试器电缆的快速放电。
∙带电器件模型（CDM）来自ESDS器件的电荷转移也是ESD事件。
例如，一个器件可能在顺着送料器滑入自动装配机时被充电。
如果它随后接触到插头或其它导电表面，从该器件到金属物体的快速放电就可能发生。
这个事件就是带电器件模型（CDM）事件，对某些器件而言可能比HBM更具破坏性。
尽管放电持续时间非常短暂（通常小于1纳秒），但电流峰值可达几十安培，甚至数百安培。
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1ESDS器件敏感度分级——人体模型HBM（ESDSTM5.1-1998）
等级电压范围
0级＜250V
1A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2ESDS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＜25V
M1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3ESDS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〈125V
C1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~1000VHBM），M1级（25V~100VMM）和C3级（500V~1000VCDM）。
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0～1999V
II级2000～3999V
III级4000～15999V
非静电敏感≥16000V
五、一些电子器件的静电敏感度
器件类型
静电敏感度（V）
MOSFET
100~200
JFET
140~1000
GaAsFET
100~300
CMOS、EPROM
250~2000
HMOS
50~500
E/DMOS
200~1000
VMOS
30~1800
PROM
100
ECL电路
300~2500
SCL（可控硅）
680~1000
S-TTL
300~2500
DTL
380~7000
石英及压电晶体
＜10000
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、MotorolaMOS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
1.做好ESD防护设计：
器件选型、合理布线、设计保护电路等
2.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
3.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
4.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
1.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。
2.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。
3.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105～109Ω，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4Ω。
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1MΩ。
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
1.警示符号
（1）
（2）（3）
ANSIESDS8.1-1993：
（1）静电敏感；
（2）静电防护
EIA：
（1）
中国电子行业标准《电子设备制造防静电技术要求》SJ/T：
（1），（3）
一些制造商用“闪电”符号来表示ESD敏感，但由于这个符号容易与电气安全符号混淆，故不提倡在防静电领域使用。
类似地，常用于表示ESD防护的带三个指入箭头的圆环，由于它通指电磁、电磁辐射或静电场，也不提倡在防静电领域使用。
2.文字说明
∙"DoNotOpenExceptataStatic-safeWorktstaion."（interior（unit）packsandcontainersforstorageorin-planttransfer）
∙"CAUTIONNOTE：
Thisequipmentcontainspartsandassembliessensitivetodamagebyelectrostaticdischarge（ESD）.UseESDprecautionaryprocedureswhentouching,removing,orinserting."（Exteriorpacks）
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1010W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
1.用户线插件工段元件盒盛装的电容表面静电压200V
2.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
3.配套部部件车间新线体工装板表面静电压实测高达2000V
4.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
1.FT自动测试线测试部位的回转链爪表面静电压高达500V
2.ICT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
1.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
2.表面电阻测量仪：
测表面电阻，可判断是否为防静电材料
3.防静电腕待测试仪：
检测腕带的有效性
4.人体综合电阻测试仪：
检测人体系统电阻
防静电区域
以下区域列为防静电区域。
防静电区域必须悬挂或贴示防静电警示标识。
∙IPQC检验区域
∙单板生产及检验区域（含SMT、单板焊接）
∙维修区域
防静电设施和器材
生产现场防静电区域至少应配备以下防静电设施和器材：
∙防静电接地系统（含防静电母线、支线，防静电地板或地垫等）
∙防静电工作台（含台垫、防静电接地支线等）、工作椅
∙防静电工作服（含工帽）
∙防静电腕带
∙防静电工作鞋
∙防静电周转箱、周转车
∙防静电包装袋
防静电操作规程
1.接触ESSD及组件之前应戴好防静电腕带，保证腕带与皮肤接触良好，并接入防静电地线系统，在戴腕带的皮肤上不得涂护肤油、防冻油等油性物质。
2.所有接触ESSD及组件的设备和工具（如被测整机、测试设备、装置和夹具、波峰焊机、电批、电铬铁、周转车等）都必须可靠联接防静电地线。
3.所有ESSD及组件在其存储、转运过程中均必须采取合适的静电防护措施，使用防静电包装材料和容器、周转车，周转车必须可靠接地。
拒绝接收不符合防静电包装要求的ESSD及组件。
4.IC类ESSD必须盛放在专用防静电容器（如管、座）中，严禁将IC类ESSD插放在泡沫上和装在不具防静电功能的容器或包装袋中。
按需逐一取用，不得一次倒出一堆IC散乱地放在工作台面上。
5.ESSD及组件的配料、发料、转储过程，必须在防静电容器中进行。
6.对于未采取防静电包装的零部件（如紧固件、电缆等），应先消除静电（导体部分接触一下防静电地线），再进入防静电工作区。
7.手持ESSD及组件时应避免接触其导电部分，操作过程中应尽量减少对ESSD及组件的接触次数。
8.已装焊有元器件的PCB板原则上不得裸露叠放，确需暂时叠放时必须用防静电材料隔离开。
9.清洗ESSD及组件时，应用中性清洗剂或酒精清洗；手工清洗使用防静电毛刷；用清洗机清洗时，PCB板应放在金属网架上，不得悬浮在清洗箱内。
10.插拔单板之前必须断开电源，严禁带电插拔单板（有特殊操作说明者除外）。
防静电安全管理
1.接触ESSD（静电敏感器件）及组件的作业人员必须通过防静电知识上岗培训，未经培训和未通过考核的人员不允许从事需接触ESSD及其组件的岗位工作。
2.工作服
2.1所有人员进入防静电区域必须穿防静电工作服和防静电工作鞋，已配发工作帽的还必须戴好工作帽。
无防静电工作鞋的，必须穿防静电鞋套，严禁穿着不具防静电功能的塑料防尘鞋套进入防静电区域。
2.2工作服外部严禁携带除工卡和笔之外的任何金属物件，防静电鞋内不得垫鞋垫。
2.3更换工作服应在指定地点进行，不允许在生产现场更换工作服。
3.防静电腕带
3.1所有作业人员每天上岗前必须使用腕带测试仪对所配发的防静电手环带进行测试，并作好测试记录。
具体测试方法见《防静电手环测试操作指导书》，测试记录表采用附表一《防静电手环日测记录表》。
3.2各车间/工段应划定专门区域装置防静电腕带测试仪和贴挂测试记录表，供本部门员工及外来人员使用。
非长驻外来人员测试后可不用填写记录表，长驻外来人员须作测试记录。
3.3防静电腕带测试未通过者，不得进入防静电区域，更不得接触ESSD（静电敏感器件）及组件，必须立即到本部门更换或接待部门借用合格的防静电腕带。
3.4腕带测试仪必须定期检定，具体办法参照公司关于仪器检定的有关规定执行。
SMT作业具体防静电作业见生产机种各工作站SOP。
升级会员 