利用閉環(huán)管理實(shí)施ESD保護(hù)方案
2007-11-7 18:30:00  互連網(wǎng)

為了提高成品率及zui終產(chǎn)品的長期可靠性，電子制造商們需要對(duì)生產(chǎn)工藝中各個(gè)關(guān)鍵部分的性能參數(shù)實(shí)行密切控制，而采用自動(dòng)閉環(huán)反饋方式對(duì)工藝條件漂移(如印刷機(jī)或貼片機(jī)的性能漂移)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能在產(chǎn)量明顯下降之前就采取糾正措施。隨著ESD設(shè)備的不斷發(fā)展，現(xiàn)在已可以把靜電感應(yīng)儀器連接起來形成一個(gè)閉合的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，使制造商能對(duì)傳統(tǒng)上“看不見的”ESD和普遍存在的問題進(jìn)行全過程控制。

有一種現(xiàn)象每一家電子制造商都遇到過，不論規(guī)模大小，同時(shí)一直不能很好地對(duì)其進(jìn)行測(cè)量和控制，這就是靜電放電(ESD)。當(dāng)一個(gè)帶靜電荷的絕緣體靠近一個(gè)靜電電勢(shì)較低的導(dǎo)體(如PCB上的一個(gè)元件)時(shí)，就會(huì)引起ESD，任何一個(gè)帶電物體都要吸引相等的異性電荷來中和自身，它利用空氣中的帶電離子在兩個(gè)物體之間進(jìn)行傳導(dǎo)形成電流，出現(xiàn)小型雪崩效應(yīng)。

這股電流非常強(qiáng)烈，一般能產(chǎn)生足夠的熱量*熔化掉半導(dǎo)體芯片的內(nèi)部電路；更糟糕的是這種損傷只有十分之一會(huì)在終測(cè)前使整個(gè)元件失效，其余90%只造成電路部分損壞，也就是說它可以通過終測(cè)，使得缺陷*被忽略，而在發(fā)貨給客戶之后導(dǎo)致出現(xiàn)早期現(xiàn)場(chǎng)失效。

ESD在現(xiàn)代制造環(huán)境下為什么一直難以控制有兩方面的原因。首先，ESD破壞電子元件是*感覺不到的，要產(chǎn)生能聽到“啪啪”聲的放電需要約2,000V這么大的電荷積累，3,000V電荷可以感到像一次小的電擊，5,000V才可看到火花。普通電路如CMOS或EPROM芯片分別受到250V和100V的ESD電勢(shì)即可能受到損傷，而越來越多的現(xiàn)代電路器件包括奔騰處理器只要5V的電勢(shì)就能使之癱瘓。

其次，產(chǎn)生ESD損傷的主要原因?qū)嶋H上來自于生產(chǎn)員工每天的普通行為。工作臺(tái)邊工人的自然動(dòng)作摩擦?xí)纬?00～600V電勢(shì)，如果他們?cè)诖蜷_或包裝泡沫襯底紙箱或氣泡塑料袋中的PCB過程中一直接觸的都是絕緣體，其身體表面上的凈電荷積累可能達(dá)到約26,000V。

雖然這根本不是ESD本身的問題，但是如果生產(chǎn)線上的員工沒有嚴(yán)格遵守ESD控制制度，或者他們?cè)谔幚鞵CB或元件時(shí)使用有故障、安裝不當(dāng)或沒有足夠保護(hù)的ESD屏蔽設(shè)備，很快就會(huì)出現(xiàn)問題。

ESD長期以來受不到重視，但卻是電子裝配中電路板與元件損傷的常見原因之一。盡管大多數(shù)公司采用了某種形式的ESD保護(hù)措施，但它通常只能給損傷提供zui低限度的保護(hù)，制造商們總是錯(cuò)誤地認(rèn)為他們是在ESD相當(dāng)安全的環(huán)境里制造產(chǎn)品，實(shí)際上卻并不是這樣。

正是出于這些原因，ESD每年在成品率和早期現(xiàn)場(chǎng)失效方面使世界電子工業(yè)要蒙受數(shù)十億美元的損失。因此有效的ESD防護(hù)應(yīng)和裝配工藝其他任何部分一樣，被看成是對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量至關(guān)重要的因素之一。

zui近Semtronics制造的ESD設(shè)備在聯(lián)網(wǎng)和防護(hù)能力上取得了一定進(jìn)展，可以對(duì)ESD進(jìn)行控制和有效監(jiān)控。簡單地說，它通過將ESD防護(hù)產(chǎn)品連成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)PC自動(dòng)讀取重要的ESD數(shù)據(jù)并作分析，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程進(jìn)行控制。

這種聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能發(fā)現(xiàn)發(fā)生的各個(gè)ESD事件并記錄下來，同時(shí)還找出它們發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)(如具體的工作臺(tái)、日期和時(shí)間)，以便于后續(xù)的研究。此外，只要給出失效的zui終產(chǎn)品的序號(hào)，它就能夠把現(xiàn)場(chǎng)失效與工廠里制造該產(chǎn)品時(shí)的實(shí)際ESD事件在一起。

雖然這種ESD處理的性非常高，但是聯(lián)網(wǎng)防護(hù)系統(tǒng)不管能力如何還是不能解決所有的ESD問題，要想真正有效加以控制，用戶還需要深入理解ESD損傷的原因以及如何有效實(shí)施保護(hù)。例如一個(gè)有效的ESD方案有哪些要素？現(xiàn)有一些什么樣的ESD監(jiān)控和防護(hù)設(shè)備？怎樣才能把它們?nèi)窟B接到一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)中？這些問題的答案可以*結(jié)束過去那種無休止的與ESD的斗爭。

操作工人由于頻繁進(jìn)出劃定的ESD防護(hù)區(qū)(EPA)，所以是對(duì)ESD敏感電子元件的zui大威脅，因此EPA內(nèi)的任何人一定要穿戴合適的衣物，如防靜電鞋、工裝褲和腳踝松緊帶等，所有這些都設(shè)計(jì)能防止員工在工廠走動(dòng)時(shí)攜帶電荷。

另外在裝配過程中和裝配之后，PCB運(yùn)輸期間也應(yīng)受到保護(hù)不受ESD危害，有很多種電路板包裝產(chǎn)品可以用，包括ESD屏蔽袋、裝運(yùn)箱和移動(dòng)推車等。

保護(hù)PCB不受ESD危害的主要方法毫無疑問是操作員佩戴的防靜電腕帶，它可以使電壓通過一個(gè)很大的電阻(一般為1MΩ)緩慢安全地從操作工身上流向大地。但問題是整個(gè)業(yè)界并沒有對(duì)操作員腕帶的性能進(jìn)行有效的監(jiān)督和控制，結(jié)果作為一種防護(hù)ESD的方法常常根本起不到作用。

例如許多制造商采用自動(dòng)測(cè)試儀，讓操作員將腕帶插入到里面進(jìn)行測(cè)試，然后出具證明表明他們已通過測(cè)試。但是我們更經(jīng)?？吹降氖遣僮鲉T上班后，直接簽上他們的大名不做測(cè)試就走開；或者他們并未通過測(cè)試，但卻采用一種非正常方式強(qiáng)行通過測(cè)試(如用另一只空手抓住松弛的腕帶以達(dá)到所要求的皮膚對(duì)地接觸)。因此傳統(tǒng)的腕帶測(cè)試方法無法進(jìn)行追查，而且易被誤用，不能使制造商知道其員工什么時(shí)候未通過測(cè)試，只是知道他們什么時(shí)候通過了測(cè)試。

現(xiàn)在有一種自動(dòng)腕帶測(cè)試儀能解決這些問題，它還可兼做鞋和服裝測(cè)試，這種數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品能讓公司的ESD工作人員在電腦上記錄腕帶測(cè)試程序的結(jié)果，具有完整的追蹤性。

自動(dòng)測(cè)試儀盡管是一大進(jìn)步，但還不是一個(gè)*獨(dú)立解決ESD防護(hù)問題的方法，這是因?yàn)橥髱y(cè)試儀只在墻上的測(cè)試點(diǎn)測(cè)試腕帶性能合格，而沒有在員工實(shí)際接觸產(chǎn)品的工作臺(tái)邊進(jìn)行測(cè)試。

產(chǎn)生ESD的另一個(gè)主要原因是工作臺(tái)和工具接地不良。雖然接地設(shè)施如接地點(diǎn)、工作椅和ESD耗散墊都能使EPA內(nèi)的一切物品維持在同一電勢(shì)上，但接地情況卻很容易被人忽視。所以為了進(jìn)一步實(shí)施ESD防護(hù)方案，需要某種方法能連續(xù)實(shí)時(shí)地監(jiān)控腕帶和其他ESD設(shè)施在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的性能。除了上述標(biāo)準(zhǔn)ESD設(shè)施外，還需要連續(xù)式ESD監(jiān)控設(shè)備(可以做在ESD產(chǎn)品中，或者單獨(dú)另外一個(gè))，當(dāng)ESD性能超出ESD安全規(guī)范以及ESD事件發(fā)生的可能性很高時(shí)，它應(yīng)能自動(dòng)報(bào)警。

這種裝置的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于如果有一項(xiàng)ESD設(shè)施失效能很快被發(fā)現(xiàn)。任何ESD防護(hù)方案都不僅要保證培訓(xùn)員工理解和領(lǐng)會(huì)ESD，從而自始至終以ESD安全的方式規(guī)范自己的行為，同時(shí)還要保證所有用于防護(hù)ESD的設(shè)施實(shí)際上都起到各自應(yīng)起的作用。我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)制造商在使用*失效甚至已經(jīng)沒用的ESD設(shè)施，而他們還根本不知道這一點(diǎn)；同樣，我們還發(fā)現(xiàn)有時(shí)制造商認(rèn)為其ESD問題是因?yàn)樵O(shè)施有故障，而實(shí)際上設(shè)施本身工作正常但卻操作不當(dāng)。

zui后的措施

正確使用這類設(shè)施能解決90%與ESD有關(guān)的問題，但是要完成余下的10%則需要采取zui后一步防護(hù)措施：離子化和全閉環(huán)過程控制。

一個(gè)常見的誤解認(rèn)為，由于某人在工作臺(tái)戴上了腕帶，所以該區(qū)域的絕緣體如聚苯乙烯杯或紙箱攜帶的任何電荷都會(huì)安全地釋放掉。但是絕緣體顧名思義就是不導(dǎo)電的，所以它不可能釋放電荷，除非使用電離器。電離器向整個(gè)工作區(qū)吹出一股離子化空氣(正離子和負(fù)離子)，以中和絕緣材料上積累的電荷。

如果帶電絕緣體仍滯留在EPA內(nèi)，它會(huì)輻射出靜電場(chǎng)，使附近的絕緣體感應(yīng)上電荷，對(duì)產(chǎn)品造成潛在的ESD損傷危險(xiǎn)。盡管很多制造商嘗試在EPA內(nèi)禁止使用絕緣材料，但這在實(shí)際情況下很難實(shí)施。絕緣材料在日常生活中實(shí)在太多了，從操作員舒適坐著的泡沫墊到他們用作參考的塑料封套里的制造資料。

電離器使得制造商可以容許一些絕緣體出現(xiàn)在EPA內(nèi)，同時(shí)不斷地中和絕緣體上面出現(xiàn)的電荷積累。標(biāo)準(zhǔn)電子裝配中使用的電離設(shè)備有兩種基本形式：臺(tái)式(一個(gè)風(fēng)扇)和吊頂式(實(shí)際上是在一個(gè)吊頂裝置內(nèi)有一排風(fēng)扇)，如何選擇取決于需要覆蓋的面積大小，臺(tái)式電離器只能覆蓋一個(gè)工作面，而吊頂式電離器能覆蓋2到3個(gè)工作面。

zui后，消滅ESD危害還要通過全閉環(huán)式數(shù)據(jù)采集，為此Semtronics推出一種新型產(chǎn)品靜電控制通信網(wǎng)絡(luò)(SCCN)及相關(guān)軟件。它采用了一系列網(wǎng)絡(luò)集線器(可連接16個(gè)外圍裝置)，這些集線器通過RS485通信協(xié)議接到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)個(gè)人計(jì)算機(jī)上。

它可以使用戶實(shí)時(shí)自動(dòng)獲取ESD數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)全過程控制，*消除了ESD方案中的人工維護(hù)和監(jiān)控工作。這樣制造商們就能放心地知道其所有ESD設(shè)施都處于連續(xù)的測(cè)試和監(jiān)控中：從操作員腕帶到工作臺(tái)上的接地點(diǎn)以及電離設(shè)備。

Semtronics系統(tǒng)還能將工廠里每個(gè)ESD設(shè)施的實(shí)際情況顯示在一個(gè)簡明的彩色現(xiàn)場(chǎng)平面圖上，任何區(qū)域出現(xiàn)危險(xiǎn)都將立即報(bào)警并改變其在屏幕上的顏色。此外它還配有強(qiáng)大的SPC和管理統(tǒng)計(jì)分析功能(如一個(gè)顯示工作臺(tái)符合或超出規(guī)范的時(shí)段表)，還可以定制以滿足用戶的需求。

決定采取這zui后一步要根據(jù)待處理產(chǎn)品的ESD敏感度和應(yīng)用的工藝類型。閉環(huán)監(jiān)控除了能消除ESD危險(xiǎn)，還免去了與傳統(tǒng)ESD方案維護(hù)有關(guān)的大量乏味工作和紙張費(fèi)用，包括將準(zhǔn)備年審的審計(jì)過程和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)做自動(dòng)化處理等等。

制造商們受到啟發(fā)，開始研究成品率和現(xiàn)場(chǎng)失效，并認(rèn)識(shí)到由于ESD方案不好甚至無效，會(huì)造成很多產(chǎn)量問題和現(xiàn)場(chǎng)失效，不過只要以正確的方式應(yīng)用正確的設(shè)備，ESD問題是能夠避免的。

雖然采用了好幾層防護(hù)措施，但閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控通過使許多日常工作自動(dòng)化并確保每個(gè)設(shè)備工作正常，大大簡化了ESD方案，這樣一來就有可能*次將ESD作為過程控制問題而不是質(zhì)量控制問題來對(duì)待。

總而言之，在這樣的系統(tǒng)上投入時(shí)間和金錢將會(huì)在提高成品率降低現(xiàn)場(chǎng)失效上得到豐厚的回報(bào)

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