靜電吸附對全自動粘片的影響及控制方法

李靖旸，趙鶴然，丁紅園，康 敏

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110000）

1 引 言

靜電（Electrostatic）就是物體表面累積的相對靜止不動的電荷，是正負電荷在局部范圍內失去平衡的結果，其產生是一種自然現象。靜電會在其周圍形成靜電場從而產生力學效應、放電效應、靜電感應效應等[1]。而其中有些效應在某些條件下就會造成電氣上的損傷。近年來，靜電損傷已經成為影響航天電子產品質量和可靠性的重要因素之一[2]。隨著我國空間技術的不斷發展，航天型號產品使用的靜電敏感器件也越來越多，靜電放電問題在空間技術領域備受關注[3]。有效的系統靜電防護對保證集成電路封裝線電路的生產、制造等的質量和可靠性有著相當重要的意義[4]。

隨著集成電路小型化的發展，芯片尺寸日漸減小。然而對于較小尺寸的芯片，在全自動粘片過程中，由于靜電力學效應帶來的吸附效應會嚴重干擾芯片的拾取和放置，與理想的粘片效果產生很大的差距，大大降低產品的成品率和一致性[5-6]。如果不能及時釋放，這些靜電的積聚對后續產品的可靠性將是極大的隱患。通過理論分析與實驗研究，提出有效的控制措施，去除粘片之前和粘片過程中的電荷，對于高可靠集成電路，特別是小尺寸芯片集成電路的組裝具有重要意義。

2 靜電吸附原理

當一個帶有靜電的物體靠近另一個不帶電物體時，由于靜電感應，沒有靜電的物體內部靠近帶靜電物體的一邊會產生與帶電物體所攜帶電荷相反極性的電荷；另一側產生相同數量的同極性電荷。由于異性電荷互相吸引，會表現出靜電吸引現象，其原理如圖1 所示。

圖1 靜電吸附原理

靜電吸附力的物理表達式如下各式所示：

其中，C 為平板電容器的電容；Q 為電量；U 為電勢差；W 為靜電能；F 為靜電吸附力；m 為被吸附物體質量；g 為重力加速度。

可以看出，靜電吸附產生的加速度a 與被極化物體的質量m 成反比。因此，對于面積和質量較小的小芯片，更容易由于靜電而產生吸附效應[7-8]。

3 靜電的防控和消除方法

基于上述理論分析，為防控靜電的產生，或對已有靜電予以消除，主要可采取如下六項措施：

1) 穿戴防靜電凈化服

防靜電凈化服是為防止服裝上的靜電積累，用防靜電織物為面料而縫制的凈化服。防靜電織物是在紡織時，大致等間隔地或均勻地混入導電纖維或防靜電合成纖維或兩者混合交織而成的織物。其消電是基于電荷的泄漏與中和兩種機理[9]。

2) 戴防靜電指套

防靜電手指套由防靜電膠和乳膠混合制成，不含硅油、氨化物，除了基本的對手指的保護功能，更可有效防止靜電產生，同時還避免了人體皮膚直接接觸電子零配件而造成對元器件的污染。

3) 佩戴防靜電手環

根據電暈放電效應和尖端放電原理，當聚積的電荷超過一定閾值，會因電位差向空間放電，從而達到消除靜電的目的。利用該手環可使操作人員自身接地，在靜電損壞電子產品之前，便將人體所帶靜電導走。

4) 進凈化間前吹淋

吹淋室是操作員進入潔凈室無塵間所必備的凈化設備。用強勁潔凈的空氣，由可旋轉噴嘴從各個方向噴射至人身上，有效而迅速清除附著在衣服上的灰塵、發屑等雜物，減少人進出潔凈室所帶來的污染，同時也減少空間靜電積累。

5) 設備接地控制

接地就是直接將靜電通過導體連接從而釋放到大地。設備在生產傳輸過程中因存在摩擦，很容易產生靜電，在出口處利用銅箔將板面接地，即可消除板面上的靜電。

6) 濕度控制

靜電的積累和消散與環境的濕度關系密切。在干燥的空氣中，物體很易容產生靜電及靜電的積聚。當空氣的濕度增加時，因空氣及物體的導電性增加，在兩物體即將分離時，帶電部位會發生局部放電而中和掉剛產生的電荷，使兩物體不再帶電。一般情況下濕度控制在50%左右[10]較為理想。

4 靜電吸附對全自動粘片影響

全自動粘片的芯片拾取過程為：芯片圖像識別后，吸頭下降，接觸芯片，加壓，開啟真空，吸頭升起；芯片放置過程則為：粘接區圖像識別，吸頭下降，芯片接觸粘接區（膠體），加壓，關閉真空，吹氣，關氣，吸頭上升，粘接完畢。

在全自動粘片的過程中，發現部分批次的芯片仍然存在靜電吸附現象。據分析推斷，這一方面是芯片傳遞和擺放過程中引入的靜電；另一方面，是全自動粘片設備本身存在靜電，使吸嘴和芯片帶電。靜電發生此類影響的示意圖如圖2。

圖2 靜電吸附對全自動粘片的影響

吸嘴對于芯片吸取的不同情況如圖3 所示。其中，圖3(a)為正常吸取芯片的情況。在小尺寸芯片自動粘接過程中，當吸頭接近芯片還未接觸芯片時，由于靜電吸附，芯片會向上飛起，隨后在真空吸力作用下位置雜亂無章地吸附在吸嘴上，在這種情況下，芯片圖像識別失去意義，芯片的相對位置不可控，往往存在位置偏差和角度旋轉，如圖3(b)、圖3(c)所示。芯片拾取位置不可控，會直接導致粘接精度的失控。更嚴重的情況是，芯片會被靜電吸引脫離芯片槽，并發生翻轉，立向吸附在吸嘴上，如圖3(d)所示。

圖3 芯片吸附狀態示意圖

芯片吸取位置若發生偏移，在放置時，與膠粘劑對位也不可能正確，會減少有效的粘接面積，降低粘接強度；甚至會在放置后因為芯片一側溢膠過多而產生芯片上膠現象，嚴重時會使吸嘴上膠，導致吸嘴堵塞報廢。

芯片的立向吸附是更加致命的，由于芯片側邊相對較薄，施加較大的放置壓力很可能會損傷吸頭。

除此之外，不徹底消除靜電，還可能會引發靜電擊穿現象，對芯片的電性能造成毀滅性的影響。綜上所述，在全自動粘片之前和全自動粘片過程中徹底消除引入的靜電，是絕對必要的。

5 粘片過程中的靜電控制

為實現粘片過程中良好的靜電控制效果，首先要保證芯片吸頭及芯片載物臺可靠接地，及時排除吸頭、料盒上的靜電。有條件的，可更換防靜電吸頭，減輕吸頭帶電。必要時，可在全自動粘片機內部安裝小型去靜電離子風機裝置，產生出帶有正負電荷的離子風。當物體表面的電荷為負電荷時，會吸引氣體中的正電荷；當物體的表面電荷為正電荷時，會吸引氣體中的負電荷。因此，帶正電的粒子，會將離子風中的負電荷吸收掉，成為不帶電的粒子；帶負電的粒子，則會將離子風中的正電荷吸收掉，成為不帶電的粒子。在此過程中，不帶電粒子不吸收電荷，隨離子風中多余的電荷一同飛散到空間中。多余電荷最終被傳導到大地去，以此法即可消除工作環境中的靜電。離子風去靜電的原理示意圖如圖4。

圖4 離子風去靜電原理

采用上述方法控制后，再觀察芯片粘接過程。在吸頭接觸芯片前和放置后，未再出現靜電吸附情形。通過粘片后目檢觀察，芯片粘接一致性較高。觀察芯片表面，未發現靜電擊穿造成的燒損現象。對組裝后的電路進行電學測試，電路的電性能表現良好。

6 結 束 語

通過闡述微組裝過程中靜電產生的機理及通用的靜電防護方法，探討消除粘片前靜電的可能性。研究了全自動粘片過程中靜電作用對芯片拾取和放置的影響，明確了靜電應力效應對小尺寸芯片的作用機制，最終給出了實際的去除粘片過程中靜電的方法。通過此方法可以有效去除多余電荷，產品一致性和可靠性有效提高，通過了目檢，組裝后的產品電性能也得到了很好的保證。