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标题: 利用闭环管理实施ESD保护方案 [打印本页]

作者: 静电小强 时间: 2012-9-21 13:01 标题: 利用闭环管理实施ESD保护方案

　　为了提高成品率及最终产品的长期可靠性，电子制造商们需要对生产工艺中各个关键部分的性能参数实行密切控制，而采用自动闭环反馈方式对工艺条件漂移(如印刷机或贴片机的性能漂移)进行实时监控，能在产量明显下降之前就采取纠正措施。随着ESD设备的不断发展，现在已可以把静电感应仪器连接起来形成一个闭合的监控网络，使制造商能对传统上“看不见的”ESD和普遍存在的问题进行全过程控制。有一种现象每一家电子制造商都遇到过，不论规模大小，同时一直不能很好地对其进行测量和控制，这就是静电放电(ESD)。当一个带静电荷的绝缘体靠近一个静电电势较低的导体(如PCB上的一个元件)时，就会引起ESD，任何一个带电物体都要吸引相等的异性电荷来中和自身，它利用空气中的带电离子在两个物体之间进行传导形成电流，出现小型雪崩效应。这股电流非常强烈，一般能产生足够的热量完全熔化掉半导体芯片的内部电路；更糟糕的是这种损伤只有十分之一会在终测前使整个元件失效，其余90%只造成电路部分损坏，也就是说它可以通过终测，使得缺陷完全被忽略，而在发货给客户之后导致出现早期现场失效。

　　ESD在现代制造环境下为什么一直难以控制有两方面的原因。首先，ESD破坏电子元件是完全感觉不到的，要产生能听到“啪啪”声的放电需要约2,000V这么大的电荷积累，3,000V电荷可以感到像一次小的电击，5,000V才可看到火花。普通电路如CMOS或EPROM芯片分别受到250V和100V的ESD电势即可能受到损伤，而越来越多的现代电路器件包括奔腾处理器只要5V的电势就能使之瘫痪。其次，产生ESD损伤的主要原因实际上来自于生产员工每天的普通行为。工作台边工人的自然动作摩擦会形成400～600V电势，如果他们在打开或包装泡沫衬底纸箱或气泡塑料袋中的PCB过程中一直接触的都是绝缘体，其身体表面上的净电荷积累可能达到约26,000V。

　　虽然这根本不是ESD本身的问题，但是如果生产线上的员工没有严格遵守ESD控制制度，或者他们在处理PCB或元件时使用有故障、安装不当或没有足够保护的ESD屏蔽设备，很快就会出现问题。 ESD长期以来受不到重视，但却是电子装配中电路板与元件损伤的常见原因之一。尽管大多数公司采用了某种形式的ESD保护措施，但它通常只能给损伤提供最低限度的保护，制造商们总是错误地认为他们是在ESD相当安全的环境里制造产品，实际上却并不是这样。正是出于这些原因，ESD每年在成品率和早期现场失效方面使世界电子工业要蒙受数十亿美元的损失。因此有效的ESD防护应和装配工艺其他任何部分一样，被看成是对产品产量和质量至关重要的因素之一。

　　最近Semtronics制造的ESD设备在联网和防护能力上取得了一定进展，可以对ESD进行精确控制和有效监控。简单地说，它通过将ESD防护产品连成一个网络，用一个标准PC自动读取重要的ESD数据并作分析，对整个生产流程进行控制。这种联网系统能发现发生的各个ESD事件并记录下来，同时还找出它们发生的时间和地点(如具体的工作台、日期和时间)，以便于后续的研究。此外，只要给出失效的最终产品的序号，它就能够把现场失效与工厂里制造该产品时的实际ESD事件联系在一起。虽然这种ESD处理的精确性非常高，但是联网防护系统不管能力如何还是不能解决所有的ESD问题，要想真正有效加以控制，用户还需要深入理解ESD损伤的原因以及如何有效实施保护。例如一个有效的ESD方案有哪些要素？现有一些什么样的ESD监控和防护设备？怎样才能把它们全部连接到一个闭环系统中？这些问题的答案可以彻底结束过去那种无休止的与ESD的斗争。操作工人由于频繁进出划定的ESD防护区(EPA)，所以是对ESD敏感电子元件的最大威胁，因此EPA内的任何人一定要穿戴合适的衣物，如防静电鞋、工装裤和脚踝松紧带等，所有这些都设计能防止员工在工厂走动时携带电荷。另外在装配过程中和装配之后，PCB运输期间也应受到保护不受ESD危害，有很多种电路板包装产品可以用，包括ESD屏蔽袋、装运箱和移动推车等。

　　保护PCB不受ESD危害的主要方法毫无疑问是操作员佩戴的防静电腕带，它可以使电压通过一个很大的电阻(一般为1MΩ)缓慢安全地从操作工身上流向大地。但问题是整个业界并没有对操作员腕带的性能进行有效的监督和控制，结果作为一种防护ESD的方法常常根本起不到作用。例如许多制造商采用自动测试仪，让操作员将腕带插入到里面进行测试，然后出具证明表明他们已通过测试。但是我们更经常看到的是操作员上班后，直接签上他们的大名不做测试就走开；或者他们并未通过测试，但却采用一种非正常方式强行通过测试(如用另一只空手抓住松弛的腕带以达到所要求的皮肤对地接触)。因此传统的腕带测试方法无法进行追查，而且易被误用，不能使制造商知道其员工什么时候未通过测试，只是知道他们什么时候通过了测试。现在有一种自动腕带测试仪能解决这些问题，它还可兼做鞋和服装测试，这种数据采集产品能让公司的ESD工作人员在电脑上记录腕带测试程序的结果，具有完整的追踪性。

　　自动测试仪尽管是一大进步，但还不是一个完全独立解决ESD防护问题的方法，这是因为腕带测试仪只在墙上的测试点测试腕带性能合格，而没有在员工实际接触产品的工作台边进行测试。产生ESD的另一个主要原因是工作台和工具接地不良。虽然接地设施如接地点、工作椅和ESD耗散垫都能使EPA内的一切物品维持在同一电势上，但接地情况却很容易被人忽视。所以为了进一步实施ESD防护方案，需要某种方法能连续实时地监控腕带和其他ESD设施在实际应用场合的性能。除了上述标准ESD设施外，还需要连续式ESD监控设备(可以做在ESD产品中，或者单独另外一个)，当ESD性能超出ESD安全规范以及ESD事件发生的可能性很高时，它应能自动报警。这种装置的另一个优点在于如果有一项ESD设施失效能很快被发现。任何ESD防护方案都不仅要保证培训员工理解和领会ESD，从而自始至终以ESD安全的方式规范自己的行为，同时还要保证所有用于防护ESD的设施实际上都起到各自应起的作用。我们经常发现制造商在使用完全失效甚至已经没用的ESD设施，而他们还根本不知道这一点；同样，我们还发现有时制造商认为其ESD问题是因为设施有故障，而实际上设施本身工作正常但却操作不当。最后的措施正确使用这类设施能解决90%与ESD有关的问题，但是要完成余下的10%则需要采取最后一步防护措施：离子化和全闭环过程控制。

　　一个常见的误解认为，由于某人在工作台戴上了腕带，所以该区域的绝缘体如聚苯乙烯杯或纸箱携带的任何电荷都会安全地释放掉。但是绝缘体顾名思义就是不导电的，所以它不可能释放电荷，除非使用电离器。电离器向整个工作区吹出一股离子化空气(正离子和负离子)，以中和绝缘材料上积累的电荷。如果带电绝缘体仍滞留在EPA内，它会辐射出静电场，使附近的绝缘体感应上电荷，对产品造成潜在的ESD损伤危险。尽管很多制造商尝试在EPA内禁止使用绝缘材料，但这在实际情况下很难实施。绝缘材料在日常生活中实在太多了，从操作员舒适坐着的泡沫垫到他们用作参考的塑料封套里的制造资料。电离器使得制造商可以容许一些绝缘体出现在EPA内，同时不断地中和绝缘体上面出现的电荷积累。标准电子装配中使用的电离设备有两种基本形式：台式(一个风扇)和吊顶式(实际上是在一个吊顶装置内有一排风扇)，如何选择取决于需要覆盖的面积大小，台式电离器只能覆盖一个工作面，而吊顶式电离器能覆盖2到3个工作面。

　　最后，消灭ESD危害还要通过全闭环式数据采集，为此Semtronics推出一种新型产品静电控制通信网络(SCCN)及相关软件。它采用了一系列网络集线器(可连接16个外围装置)，这些集线器通过RS485通信协议接到一个标准个人计算机上。它可以使用户实时自动获取ESD数据并进行分析，实现全过程控制，完全消除了ESD方案中的人工维护和监控工作。这样制造商们就能放心地知道其所有ESD设施都处于连续的测试和监控中：从操作员腕带到工作台上的接地点以及电离设备。 Semtronics系统还能将工厂里每个ESD设施的实际情况显示在一个简明的彩色现场平面图上，任何区域出现危险都将立即报警并改变其在屏幕上的颜色。此外它还配有强大的SPC和管理统计分析功能(如一个显示工作台符合或超出规范的时段表)，还可以定制以满足用户的需求。决定采取这最后一步要根据待处理产品的ESD敏感度和应用的工艺类型。闭环监控除了能消除ESD危险，还免去了与传统ESD方案维护有关的大量乏味工作和纸张费用，包括将准备年审的审计过程和存储数据做自动化处理等等。制造商们受到启发，开始研究成品率和现场失效，并认识到由于ESD方案不好甚至无效，会造成很多产量问题和现场失效，不过只要以正确的方式应用正确的设备，ESD问题是能够避免的。虽然采用了好几层防护措施，但闭环网络化监控通过使许多日常工作自动化并确保每个设备工作正常，大大简化了ESD方案，这样一来就有可能第一次将ESD作为过程控制问题而不是质量控制问题来对待。总而言之，在这样的系统上投入时间和金钱将会在提高成品率降低现场失效上得到丰厚的回报。

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