EPA的實時監控與靜電防護

摘 要:隨著電子技術高速發展，大規模集成電路大量使用，對電子元器件及其組件在包裝、運輸、儲存、電子裝聯、清洗和測試等各環節的靜電防護要求越來越嚴格。通過對靜電的產生及危害的描述，闡述了靜電防護的三要素:防——防止靜電荷的積聚;泄——建立安全的的泄放通路;控——對所有防靜電措施的有效性進行實時監控。闡述了在防靜電工作區內實施全面網絡實時監控與管理的必要性和可行性。

關鍵詞:EPA(防靜電工作區);靜電防護;ESD(靜電放電);實時監控

中圖分類號:TP274 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)03-182-04

Real-time Monitoring and ESD Protection of EPA

QU Lixin

(Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun，130033，China)

Abstract:As the high speed development of electronic technology， the widely use of VLSI， the requirement of ESD protection of the electronic component during the package， transport， storage， washing and test are more and more strict.By illustrating the generation and damage of ESD， three elements of ESD protection are given.The necessity and possibility of real-time roundly networking controlling and monitoring in all electrostatic discharge protected area are discussed.

Keywords:EPA;ESD protection;ESD;real-time monitoring

隨著電子技術的飛速發展，電子設備日趨小型化、智能化。大規模集成電路被廣泛使用，這種器件具有集成度高、運算速度快、低功耗和輸入阻抗高等特點，也對靜電越來越敏感。因而，在新產品的開發中，對靜電的防護也越來越重要[1-3]。關于研制生產中的靜電防護技術，已討論多年了，但可以說并沒有得到根本的解決。本文將結合近年來國際先進防靜電技術的發展，就EPA(Electrostatic Discharge Protected Area，防靜電工作區)靜電防護技術的原理和具體措施進行闡述。

1 靜電的產生與危害

從原理上講，靜電的產生主要有以下三種方式:摩擦起電、接觸帶電、感應帶電。對于后二種方式比較容易預防與控制。在實際生產中最難以控制的主要是第一種起電方式——摩擦起電，是由于人體的動作及設備的運動而產生的。

日常生活中人們所接觸到的靜電放電情況如下:

當人能夠聽到放電聲時，此時的靜電電壓為2～3 kV;當能夠感到靜電電擊時，電壓已達3～4 kV;而當能夠看到靜電放電火花時，電壓則至少在5 kV以上。

電子產品生產中幾項常規動作所產生的靜電電壓范圍如表1所示。

表1 不同條件下各種動作所產生的靜電情況

動作

相對濕度 /%

104055

靜電電壓 /V

人在塑膠地板上行走12 0005 0003 000

人在工作臺面上工作6 000800400

從塑料管中取出DIP2 000700400

從塑料盤中取出DIP11 5004 0002 000

從泡沫塑料中取出DIP14 5005 0003 500

從塑料包裝中取出PCB26 00020 0007 000

用泡沫塑料包裝PCB21 00011 0005 500

由此可見，一個很常見，很細微的動作，就會引起相當高的靜電電壓，這也正是在研制生產中靜電的產生防不勝防的主要原因。

靜電放電(Electrostatic Discharge，ESD)的危害:這里需要說明的是，通常所說的靜電損傷，是指由于靜電的放電而造成的損傷。換句話講，人們常說的“防靜電”，并非是防止靜電的產生(也不可能完全防止)，而主要是防止靜電放電。隨著電子元器件的小型化與功能性的不斷增強，更容易受到ESD損傷。通常，靜電放電對元器件所造成的損傷主要有:

PN結的軟擊穿，降低產品的可靠性;

擊穿芯片單晶硅金屬鍍膜，造成廢品;

擊穿器件內引線，造成廢品。

部分電子元器件對靜電的敏感度見表2。

表2 部分元器件對靜電的敏感度

元器件類型損壞電壓 /V

RF-FETS (MICROWAVE)1～5

MR-HEADS5

PENTIUM5

V.MOS30

MOSFET100

EPROM100

J.FET140

SAW150

OP AMP190

CMOS250

因此，按國軍標規定[9]，A級防靜電工作區的靜電電位不超過±100 V，B級防靜電工作區的靜電電位不超過±1 000 V。而對于特殊產品(如磁頭)的生產，則要求人體所帶的靜電電壓值確保不能高于5 V。對于這一要求，常規的處理方式很難達到，必須采取特殊的方式加以保證。

2 防止靜電損傷的措施

根據靜電放電發生的原理與規律，提出防止靜電放電損傷的基本三要素:

防——防止靜電荷的積聚;

泄——建立安全的的泄放通路;

控——對所有防靜電措施的有效性進行實時監控。

這里需要說明的是第三條要素是在多年防靜電技術的發展與總結的基礎上提出的，是實現完全、徹底防止靜電放電損傷的關鍵措施。遺憾的是，目前在大多數廠家，對于有效性監控還沒有得到應有的重視。但是如果沒有有效性監控，其他各項措施的有效性就得不到確認與保證，這也正是多年來防靜電問題一直沒有得到完全解決的主要原因。以下將就上述三項措施的原理與方法進行詳細討論。

2.1 防止靜電荷的積聚

由前述可知，靜電主要是因磨擦而引起。不同材料在磨擦后所產生的靜電電荷量也各不相同，即不同材料的表面起電量不同。因此，對因起電量大而容易產生靜電荷積聚的表面覆蓋一層起電量小、甚至不起電的材料，即可減少、甚至不會產生靜電。

防止靜電荷積聚的第二種方法是離子中和法。首先介紹一個概念——表面電阻率，即材料表面的單位面積上的表面電阻。由于靜電荷的產生與積聚均在材料的表面，因此表面電阻率決定了材料本身防靜電的技術特性。

按國軍標規定，按照材料的表面電阻率的不同范圍，將材料劃分為以下三種:

導電體:表面電阻率小于105 Ω/m2;

靜電耗散材料:表面電阻率為105~1012 Ω/m2，也就是常說的防靜電材料;

絕緣體:表面電阻率大于1012 Ω/m2。

對于導電體與靜電耗散材料靜電荷可通過泄放通路得到泄放，而對于絕緣體而言，由于靜電荷在其表面不能發生遷移運動，所產生靜電荷不能通過泄放的方式消除，此時，惟一行之有效的方法就是采用離子中和法。

離子中和法的原理是:絕緣體表面所產生的靜電荷以正、負電荷對稱產生，離子中和法是采用風機向靜電荷積聚區吹送經電離的、含有正、負離子的空氣氣流，氣流中的正、負離子將遵循同性相斥、異性相吸的原理與絕緣體表面所積聚的靜電電荷進行中和，從而徹底將靜電消除。

離子中和法還可應用于佩戴腕帶操作不方便的工位，如設備操作及總裝或調試工位等。在這些工位，可以將離子風機懸吊于工位上方，離子風機可以將人體及其他工具上產生的靜電荷即時中和。

目前世界上使用的離子風機主要分為直流與交流兩類，其中直流風機又可分為穩態直流和脈沖直流兩種，目前穩態直流由于具有獨特優勢而被眾多企業廣泛采用，其主要優勢在于:

正、負離子發射頭分開設置，離子自中和可能性降低;

可在低氣流量下正常發揮效用;

可近距離操作而不損傷敏感元器件。

2.2 建立安全的泄放通路

由上節可知，材料可以分為導電體、靜電耗散材料和絕緣體三大類。其中絕緣體表面的靜電荷主要靠離子中和法消除，以防止靜電積聚;而對于導電體與靜電耗散材料而言，由于靜電荷能夠遷移，從而可以通過接地的方式將生產中所產生的靜電荷泄放。但是為保證泄放的安全性，靜電的泄放必須通過靜電耗散材料進行[5，6]。所謂的安全性是指無論對元器件，還是對人身都必須保證絕對的安全。安全性有二個指標:一是靜電電壓必須在10 s內降至100 V;二是放電電流不能高于50 mA。也就是說，靜電的泄放既要快，又不能過快，過快的泄放即是放電。因此，在靜電的泄放路徑中需有一定的阻值。這也就是為什么在導電體與絕緣體之間分出了一個靜電耗散材料范圍的原因。

另一個需要強調的問題是接“地”。通常實驗室有多個“地”，按標準規定，防靜電“地”必須與其他“地”嚴格分開，而且“地”的埋設方法、位置、深度等均有標準規定。

2.3 有效性的實時監控

提起防靜電，人們都會想到接地。接地是靜電防護技術的主要內容之一，但多年來，許多電子企業均在此方面投入了大量的資金，收效卻不很理想，原因就是在進行靜電防護改造時，只注重了地面與桌面等設施的接地，而沒有安裝或者不知道需要安裝實時監控系統，從而對靜電控制裝置是否有效，是否所有的接地系統均正常等問題沒有絕對的把握。

防靜電是一個系統工程，當前國際先進企業的管理方法是將工作區劃分出非靜電防護區與靜電防護區(EPA)，在EPA內不但需要采取相應的防靜電措施，如鋪設防靜電地面、選用防靜電工作臺與工作椅、設立正確的接地系統、操作人員的接地腕帶等之外，還安裝著靜電設施有效性實時監控裝置[7，8]。隨著網絡技術的發展，目前已能夠將所有孤立的監控裝置(包括溫度與濕度)組成局域網，實時提供給管理人員。

防靜電監控設備可以安裝在EPA與EPA門庭。

2.3.1 防靜電工作區(EPA)門庭

按ISO9000質量管理體系的要求，EPA入門處必須安裝人體靜電測試裝置并將測試結果記入生產檔案。因此，通常會安裝一個靜電電壓測量儀，相應地在旁邊安裝有一個接地的金屬裝置(靜電釋放柱)[4，9，10]。如果人員被測出身體所帶靜電電壓超標，就必須觸摸一下接地金屬，以泄放掉身體上的靜電，然后在桌上的表格內簽名、打鉤后進行入EPA。看起來似乎很合理，但實際上并不科學。原因是:(1) 人體所帶靜電是由于人體的不斷動作而產生的，進行EPA后，人不可能不動，動就會產生靜電，這些靜電能否及時泄放，完全取決于人員本身的對地電阻是否合格。人體靜電電壓測量、泄放法只解決了入門的瞬間人體上的靜電荷泄放問題。進入EPA后，如果人體的接地電阻不合格，所產生的靜電就不能及時得以泄放，同樣會造成ESD損傷。(2) 在簽名冊上的記錄，由于存在人為因素，所得結果不僅沒有任何的參考價值，而且統計、查詢都相當困難，還造成大量的紙張浪費。

防靜電門禁系統則根本不同，其的原理不是測量人體所帶靜電電壓，而是測量人體的接地電阻值——如圖1所示。欲進入EPA的人員，必須經過該系統的測試-通過佩戴手腕帶和/或腳腕帶測量人體的接地電阻是否符合要求。只有測試合格的人員，才能通過由測試系統控制的門禁系統進入EPA。同時，記錄儀將被測試人員的卡號與測試時間、測試結果等自動存儲起來。管理人員可以定期將其下載至計算機中，按所喜歡的數據庫格式存檔備查(見圖2)。測試合格，說明人體對地電阻合格，則其無論進入EPA后產生多少靜電荷，均能得到及時、安全地泄放，從根本上防止了ESD損傷的發生。

圖1 門禁系統

圖2 記錄數據

2.3.2 防靜電工作區(EPA)

由于進入EPA人員的肢體動作，靜電還在隨時產生，惟一的泄放路徑是通過手腕帶或腳腕帶與地連接進行泄放。此時的關鍵就在于人體-腕帶、腕帶-地及桌面-地等環節是否連接良好。如果這幾個環節中有一處出現問題，就會導致靜電無法安全泄放，也就會產生ESD損傷，這也正是許多部門靜電防護效果不理想的主要原因之一，具體歸納如下:

(1) 防靜電設施與地的連接可能會產生松動或脫落(接觸不良);

(2) 防靜電桌面隨著使用時間的增長而發生的失效;

(3) 腕帶損壞;

(4) 腕帶的佩戴不規范，如不戴、松馳、沒有緊貼皮膚等。

防止這些現象的發生是從根本上防止ESD損傷的關鍵所在。為此，可采用腕帶實時監控儀:

(1) 可以同時監控二個工位的二條腕帶和二個桌面;

(2) 通過測量人體的對地電阻值來監控，不會發生誤判;

(3) 可監控接地電阻值的上極限與下極限，同時保證元件與人身安全，且可自行調整;

(4) 具有網絡接口，可以實現全面網絡化實時監控與管理。

2.3.3 全面網絡實時監控與管理

靜電防護工作的另外一個主要措施是實行科學有效的管理與監督機制[6，7]，行之有效的手段之一即是對EPA實現全面網絡實時監控與管理。對EPA所有的靜電控制設備進行實時監控。各種相關條件(如溫度、濕度等)及各裝置的狀態(如正常、高阻、低阻等)，均以相應的圖形符號和顏色在計算機顯示器上顯示出來，監控結果可以存入計算機中，作為產品的靜電控制檔案備查。實施這種管理可以使管理人員不用離開辦公桌即可對整個EPA中防靜電設施的工作狀態一目了然(見圖3)。計算機中所記錄的文件可以隨時調用，通過對這些文件進行科學的分析與判斷，才能找出并確認真正的故障原因。

圖3 實時監控界面

3 結 語

靜電的產生防不勝防，靜電防護工作是一項系統工程，因此需要對每個環節都同樣重視。靜電防護工程所涉及的部門很多，因此需要相互協調，共同努力。靜電防護工程所涉及的專業也很多，技術含量高，因此需要由技術部門總負責，提出要求、監督施工與技術驗收。

防靜電工作區EPA的防靜電改造通常包括以下內容:

(1) 防靜電地的埋設，這是整個防靜電系統的基礎與根本，必須嚴格按標準規定埋設與安裝;

(2) 防靜電地面的鋪設，防靜電地面是包括人體靜電在內的許多靜電的主要泄放通道，可靠性與耐久性是選材的主要指標;

(3) 工作臺、工作椅的購置，合理而可靠的接地通路是這類裝備的關鍵;

(4) 防靜電用輔助設施如料箱、周轉箱、周轉車等，在專業廠家選購;

(5) 防靜電工作服、工作鞋、手腕帶、腳腕帶等的選購;

(6) 防靜電工作區內，按國軍標要求進行溫度、濕度控制，配備靜電消除器;

(7) 靜電實時監控裝置的購置，這是確認接地系統是否正常有效的惟一方法，安全、方便、準確、可靠是對這類裝置的基本要求;

(8) 靜電測試儀表的購置，可用于定期檢查EPA局部的靜電量和防靜電材料的磨損狀況;

(9) 組成靜電實時監控網絡，是實現靜電控制網絡化、系統化、正規化的有效手段;

(10) 防靜電工作區EPA為明確劃定邊界的場所，有明顯標記;

(11) 合理而嚴格并被認真執行的管理制度，這是保證所有靜電防護系統正常運作的必要條件;

(12) 其他相關工作。

參考文獻

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