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无尘车间静电的危害与静电控制分析
录入时间:2018/1/22 9:37:48

       无尘车间静电的危害与静电控制分析

          以常规半导体、平面液晶显示器、光电子和生物医药为例:

         

一、无尘车间与静电

  1、无尘车间

  半导体、平面液晶显示器、光电子和生物医药都需要洁净的生产车间,通常无尘车间是指空间空气悬浮粒子浓渡被控制在规定界限内的房间或限定空间,这尘埃粒子的粒径越小和被限定的粒数越小,洁净度便越高。

  2、无尘车间的静电

  由于无尘车间的洁净度要求(常规)

  ①大量的高绝缘介质装饰材料、地面、墙、门、顶棚、隔断、工作台、椅子等等,这些 材料摩擦容易起电带电,不易泄漏释放。

  地面500V~1000V,扩散间塑料地面500V~1500V,瓷砖地面也有500V~1500V,塑料墙纸700V,塑料顶棚OV~1000V,金属活动皮芏椅面500V~3000V。

  ②人穿洁净工作服、鞋、步行或工作时,与不同物质设备器材摩擦要产生静电,人、衣服、鞋都会带电。

  人穿尼龙衣、塑料胶底鞋缓慢地在清洁的地板上走动,人身上带7000V~8000V静电压。在乙烯基地板上行走可带1200V(10%~20%RH)、250V(65%~90%RH)静电压,在地毯上行走可带35000V(10%~20%RH)、1500V(65%~90%RH),晶片装配线工人穿的工作服可达10KV。

  ③空调气流经过初效过滤器、中效过滤器、高效过滤器,无尘出口气流是带静电的。铝板送风口、回风口约为500~1000V。

  ④大量的绝缘器材、装备和工具,也是重要的静电电荷源。晶片装配生产线:晶片装料盒35KV,有机玻璃盖8KV,石英制品1.5KV,晶片托盘6KV,丙烯酸脂盖20KV,台桌面10KV,塑料存贮柜30KV,玻璃纤维晶体载料盒滑过聚丙烯桌面带10KV。

  总之:无尘车间的洁净度要求越高,静电带电便越严重。

 

  二、无尘车间静电的危害

  1、静电库仑力

  在静电库仑力的作用下,吸附的粉尘、污物造成元器件增大泄漏或形成短路,使性能受损,成品率和可靠性大大下降。如粉尘粒径>100μm,铝线宽度约100μm,氧化膜厚度在50μm时,最易使产品报废。现在线径更细,氧化膜很薄,粒径很小的尘粒子就会损害元器件,这种情形多发生在腐蚀清洗、光刻、点焊和封装等工艺过程中。

  2、静电放电

  (1)元器件的绝缘氧化膜被击穿,引线被烧断或线间熔断。若人体带上10KV(100PF)的静电荷,触摸器件脚时发生ESD,其向大地瞬间形成脉冲放电电流峰值可达20A(10~100s),不要说高密度,细线径,薄SiO2膜的Lsi、Vlsi,就是一般IC、MOS都会遭受损坏。

  一般说器件绝缘栅SiO2薄膜的耐压场强是E=(5-10)×106V/cm,如果器件SiO2膜厚度取1000,其器件输入脚施加50V-100V以上的静电压就将会被击穿,而人体带静电超过50V、100V是极平常的。

  (2)造成噪声、发射电磁波干扰! 

  ESD引起EMI其电磁波的前后峰较尖,信号强,相当于电路中几伏的能量,频率跨越几MH2甚几百MH2的强大噪声,可能引起元器件损坏,设备和传感器不正常工作,甚至引起设备死机。

  ESD引起的EMI还会引发错误信号的输入,或发生锁存现象。如无尘室中,将晶圆片的EMIF箱放在钢的手推车上,晶圆片的ESD会通过电感传给手推车,车轮是绝缘的,则EMI的扩散会引起晶圆片处理机死机。

  (3)电击人体

  人体的ESD或对人体的ESD当超过人体电击极限电流5mA以上时,人都会有各种伤害感觉,造成工作人员的情绪不安,操作错误。

  无尘车间的半导体,平面显示器,光电子等无尘车间,尽管做了很多工作,但无尘车间的静电问题仍然影响着生产安全和产品产量,影响着制造成本和效益,影响产品的质量和可靠性。据国外工业专家估计,美国每年由于静电造成产品的损失平均在8-33%,还有人估计美国每年静电对电子工业毁损价值达100亿美元;日本80年代曾对报废的电子产品进行分析,由ESD引起的损失占1/3。我国半导体、平面液晶显示、光电子等都起步较晚,但静电危害也时有发生,成品率较低。而银行、证券公司、机要数据库、监控中心,电力调度室等等,若出现ESD就很容易引起干扰,数据遗失,情形就更严重了。

 

  三、无尘车间静电控制

  1、静电控制的基本原则

  (1) 确定静电控制级别

  (2)尽量减少静电荷的产生

  (3) 泄放和中和的办法加速静电荷消散,防止静电积累

  (4)保护产品不受ESD的损坏

  2、确定静电控制的级别

  (1)元器件、组件和设备静电敏感度分级

  1级:易遭受0-1999V静电电压损坏的

  2级:易遭受2000-3999V静电电压损坏的

  3级:易遭受4000-5999V静电电压损坏的

  而敏感静电压大于16000V的,便不必采取防静电措施。

  (2)静电防护工作区的分级

  A级:允许对地静电电位不超过±100V

  B级:允许对地静电电位不超过±1000V

  实际工程中是分静电电位不超过100V、500V、1000V等对应元器件、组件和设备静电敏感电压的3级。

  3、尽量减小静电荷的产生

  这是控制静电三步曲的第一步,在这无尘工作环境中,最好的措施:

  (1)尽量采用性质相似器材,减少在接触摩擦分离过程中产生静电电荷;

  (2)尽量采用导静电型或静电耗散型材料的器材,减少接触摩擦分离过程产生积累静电荷;

  (3)尽量采用减少接触摩擦分离而产生静电荷的生产流程。

  4、泄放和中和:

  这是控制静电三步曲的第二步,在微电子生产的无尘室中最通常的措施是接地,采用导电性或耗散性材料泄放静电荷,以及离子化消电器中和静电荷。

  (1)接地

  无尘车间应设一个独立静电接地系统(包括地面接地金属网支系统、生产线工作站接地支系统),以便室内所有设备金属外壳、移动设备的金属支架、防静电器材等安全、有效地将静电荷泄放至大地。工作人员的带电则通过手腕带接地,以及通过防静电鞋或脚跟带再经防静电地面向大地泄放。地面、墙面、顶棚、隔断等是硬接地,设备外壳、移动设备(车、椅、货架等)、工作台等则属软接地。

  (2)离子化肖电器

  无尘车间中生产组装的元器件、PCB,生产线、工作站上总是难免存在一些不能接地的绝缘导体和绝缘介质材料(例如大多数普通塑料)。在某些环境下,离子化消电器常用来局部消散这些物体上的静电荷,而更经常的是借助于空气离子化来中和在绝缘介质上和孤立导体上的所带静电电荷。

  (3)导静电和静电耗散材料

  导静电材料和静电耗散材料由于其具有导静电性,也是很好的静电荷泄放材料,而且比金属导体泄放更具有安全性,通常被采用做地板、墙面、工作台、周转容器、镊子、刷子等防静电器材。

  5、防止ESD,保护产品:

  这是控制静电的三步曲中最后一步。在微电子生产的无尘室中,为阻止ESD发生在静电敏感元器件或组件、PCB上,一种方法是对元器件和组件提供合适的接地或分路以“消散”掉产品上存在的静电荷;另一种方法是用恰当的包装方法和材料来处理静电敏感器件的包装和输运。这些材料可有效地屏蔽电荷侵入产品以及减少产品在包装箱中移动而产生静电荷。

        

  国际上,半导体、平面液晶显示器,光电子发展很快,集成度越来越高,芯片线径越来越细,对防静电要求越来越高。美国ESD协会已开始修订ANS ESD S

 

20.20-1999静电放电控制大纲,对SSD静电敏感性分类已作了些修改。

  这给元器件使用者一个警示,不论在人员或设备进行装备制造时,无尘车间告诉你能需要的环境控制要求。如果EPA区域内允许电压达到25V的话,恐怕我们现有的防静电器材、装备、工具以及工程都要经过一番艰苦的努力。


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