靜電愛護(ESD)包裝選用的技術(shù)思考

千里之行，始于足下。第2頁/共2頁精品文檔推薦靜電愛護(ESD)包裝選用的技術(shù)思考靜電愛護(ESD)包裝選用的技術(shù)思考

2009年12月22日

22:44

靜電愛護(ESD)包裝選用的技術(shù)思考

上網(wǎng)時刻：2007-01-22

明白包裝術(shù)語，知道得特定事情下包裝的使用是實施和保持有效的ESD操縱體系的關(guān)鍵。

建立和實施有效的ESD愛護包裝程序，首先要了解敏感器件在包裝及往后過程中是怎么被損傷的，以及防護過程是怎么舉行的。造成微電子器件損傷有兩個基本過程：充電(經(jīng)過摩擦帶電或接觸靜電源)和放電。理論上說，我們能夠經(jīng)過防止摩擦起電的動作，盡量減少與絕緣材料的接觸以及讓所有表面處于等電位等措施來幸免這兩個過程的浮現(xiàn)，但實際上這些做法還別腳以提供有效的愛護。

電子產(chǎn)品創(chuàng)造的整個過程中都別可幸免要有運動，器件從一具地點挪移到另一具地點，在挪移過程當(dāng)中它們會與各種各樣的材料接觸。結(jié)果，即使是最明顯的防護措施，如手腕帶，也別能保證為ESD敏感器件可以提供腳夠的愛護。在缺少離子風(fēng)機事情下，或0級(小于200V)敏感度的器件，必須使用靜電操縱材料或采納特殊的ESD操縱措施。

本文描述了ESD防護包裝及工作表面使用材料必須思考的基本技術(shù)咨詢題。這些基本原理可用于傳統(tǒng)的包裝材料如紙箱、包裝袋和周轉(zhuǎn)箱，也能夠用于臨時性包裝材料，如創(chuàng)造過程中的周轉(zhuǎn)包裝袋。這些原理同樣也能夠用于器件在組裝過程中也許接觸到的工作臺臺面和傳送帶。

基本術(shù)語

按照特定的辦法解決ESD咨詢題的材料有特意的術(shù)語來表述，盡管通過多年，這些術(shù)語的準確定義變化并別大：

抗靜電材料(Antistatic)：可以有效地阻撓靜電荷在自身及與其接觸材料上積存的材料。

靜電耗散材料(StaticDissipative)：用于減緩帶電器件模型(CDM)下快速放電的材

料。按照靜電協(xié)會(ESDA)和電子工業(yè)聯(lián)合會(EIA)的定義，其表面電阻在105

~1012Ω/sq之間。

抗靜電材料和靜電耗散材料可直截了當(dāng)用于多數(shù)充電和放電失效過程中防護，甚至包括了自動生產(chǎn)線。固然在使用當(dāng)中須通過簡單的測試。只是，這并別時講它們是萬能的，有時我們也需要使用導(dǎo)靜電材料。

導(dǎo)靜電材料(Conductive)：按照定義，是指表面電阻率小于105Ω/sq的材料。它們通常被用于器件與同電位分流連接，在某些時候，它們還被用于區(qū)域的靜電場屏蔽。

非常少有實例表明，器件會對純粹的靜電場敏感。實際當(dāng)中，使用導(dǎo)靜電材料僅僅對表面聲波(SAW)過濾的器件和光掩膜集成電路(IC)的器件是必要的，因為它們金屬尖端結(jié)構(gòu)中有弱小的空氣間隙(這種結(jié)構(gòu)會讓靜電場增強)。此外，非延續(xù)型金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)器件在有很長的天線引入線接觸器件時，由于場強妨礙放大，也會被靜電場損壞。

在對這三種材料的明白上容易有一些誤區(qū)。如，許多材料既是抗靜電材料又是靜電耗散材料，而通常導(dǎo)電材料與一些絕緣材料也會產(chǎn)生靜電，但這些材料別能視為抗靜電材料。

要清晰材料的區(qū)不，知道得在它們在啥事情下的應(yīng)用，關(guān)于實施和保持有效的ESD操縱體系很關(guān)鍵，并且也是正確評價防靜電材料供應(yīng)商產(chǎn)品有效性的關(guān)鍵因素。這些材料特性別能對正常的生產(chǎn)過程造成妨礙。此外，耐磨損性，熱穩(wěn)定性，污染的妨礙以及其他非常多其他特性也應(yīng)當(dāng)成為評價材料特性時需要思考的因素。

抗靜電材料的特性和使用

絕緣材料與其他材料相接觸會產(chǎn)生靜電，這是因為物體接觸時，會發(fā)生電荷(電子或分子離子)的遷移?？轨o電材料可以讓這種電荷的遷移最小化。然而，因為摩擦起電取決于相互作用的兩種物質(zhì)或物體，因此單獨講某種材料是抗靜電的并別準確。

準確的講法應(yīng)該是，該種材料對另一種材料來說是抗靜電的。實際當(dāng)中，所指其他材料既有絕緣材料，如印刷線路板(PWB)環(huán)氧樹脂基材，也有導(dǎo)電材料，如PWB上的銅帶。它們在某些過程及取放當(dāng)中都也許帶電。

多數(shù)商用抗靜電材料是對生產(chǎn)過程中的多數(shù)材料是抗靜電材料的材料，所以才被稱為抗靜電材料。它們有三種別同類型：

(1)經(jīng)過抗靜電劑表面處理；

(2)合成時混入抗靜電劑在表面形成抗靜電膜的材料

(3)本身就有抗靜電性的材料。

常用的抗靜電劑可以減少許多材料的靜電，所以應(yīng)用廣泛。它們普通是溶劑或載體溶液混入抗靜電表面活性劑，如季銨化合物、胺類、乙二醇、月桂酸氨基化合物等而制成。使用抗靜電劑可以在材料之間形成一層主導(dǎo)材料表面特性的薄膜。這些抗靜電劑基本上表面活性劑，其減少摩擦電壓的機理還別得而知。但是，研究發(fā)覺，這些表面活性劑都具有汲取水分子的特性，它們可以促使材料表面汲取水分。實際應(yīng)用同樣也是，抗靜電劑的效果受環(huán)境濕度的妨礙非常大。此外，抗靜電劑也可減少摩擦力，有利于減少摩擦電壓。

因為抗靜電劑具有一定的導(dǎo)電性能，因此在適當(dāng)濕度的條件下，它們可以經(jīng)過耗散來泄放靜電。但在實際當(dāng)中，后一種特性也許更容易得到重視，因而它也就成為了評估抗靜電材料的最要緊的指標。然而，抗靜電材料更重要的功能應(yīng)當(dāng)是其在沒有接地的狀態(tài)下減少靜電產(chǎn)生的功能，而別是導(dǎo)電性。

靜電耗散材料的特性和使用

非常多時候靜電的產(chǎn)生別可幸免，所以安全地消除靜電顯得更為重要。許多抗靜電材料在接地或與地板等大的平面導(dǎo)體接觸的時候也具備靜電耗散功能。靜電耗散材料具有相似的體積電阻，或用導(dǎo)電材料覆蓋，如用于工作臺的臺墊等。耗散材料在接觸帶電器件時，可以使放電的電流得到限制。

EIA和ESDA對靜電耗散材料的定義是，表面電阻率在105~1012Ω/sq的材料。Bossard等學(xué)者的研究表明，105Ω/sq下限電阻關(guān)于能量敏感器件的愛護來說是適當(dāng)?shù)?，這類器件會因熱熔導(dǎo)致失效。

除表面電阻率之外，靜電耗散材料另一具重要特性是將其將靜電荷從物體上泄放的能力，而描述這一特性的技術(shù)指標是靜電衰減率。按照孤立導(dǎo)體靜電衰減模型，靜電衰減周期與其泄放電路的電阻與電容乘積(RC)成指數(shù)關(guān)系：

V(t)=V0e-t/τ

式中V(t)為衰減后靜電電壓，V0是衰減前靜電電壓，t為時刻，τ=RC是時刻常數(shù)。

研究靜電泄放能力，典型的假設(shè)是，在特定的時刻內(nèi)，如2秒內(nèi)，將靜電電壓衰減到一具特定的百分比，如1%。對一具盛放PWB的周轉(zhuǎn)箱來講，其電容大約為

50pF，這時其電阻應(yīng)為：

那個數(shù)字正好是靜電耗散材料阻值范圍中的值。此外，對靜電耗散材料來講，相對

濕度也是重要的因素，在靜電衰減測試當(dāng)中要予以操縱和記錄。

導(dǎo)靜電材料的特性和使用

表面電阻率小于1×105Ω/sq的材料被定義為導(dǎo)靜電材料。導(dǎo)靜電材料能夠?qū)?dǎo)靜電材料或靜電耗散材料上的靜電轉(zhuǎn)移到自身的表面。它通常用于分流目的，將器件的引足連接到一起以保證引足之間的電位相同。

要想達到分流的目的，須保證兩點：

第一，在快速放電中保持等電位。這一限制與材料的電感有關(guān)。測試實驗中發(fā)覺，8000V的脈沖電壓能將放在導(dǎo)靜電泡沫材料中的，對HBM放電很敏感的器件(小于50V)的器件損壞。盡管測試證明，對器件引足舉行分流愛護在工廠生產(chǎn)環(huán)境中差不多腳夠，然而有證據(jù)表明，分流愛護仍然別能排除也許的損傷。最近發(fā)布的一些實驗數(shù)據(jù)證明了這一點。

第二，分流必須讓器件引足閉合。許多靜電放電，特殊是帶電器件模型(CDM)下的放電，放電的時刻惟獨1ns，假如分流用物體距離器件幾英寸遠，此刻器件引足上的ESD會在電流流過分流導(dǎo)電材料形成的等電位連接之前就損傷了器件。

典型的導(dǎo)靜電材料是混入了碳粉的高分子聚合材料(如前面所提到的導(dǎo)電泡棉)或采納真空熏鍍金屬層的材料(如屏蔽袋)。盡管，105Ω/sq是導(dǎo)靜電材料和靜電耗散材料的界限值，它并別是提供CDM愛護的下限值。這一點，在惟獨10-104Ω/sq導(dǎo)電材料能夠挑選時很實用。使用導(dǎo)靜電材料會導(dǎo)致CDM損傷的風(fēng)險增加。

幾種典型的包裝應(yīng)用

1.卷盤包裝

由于表面貼裝工藝(SMT)的大量使用，卷盤成為集成電路(IC)取放方式的首選包裝。因為卷盤可以大幅提高生產(chǎn)能力，并能減少操作人為妨礙，這種包裝方式迅速取代了IC包裝管。但是，制作包裝的材料會與ESD敏感器件長時刻接觸，因此它也就成為器件ESD安全的關(guān)鍵因素。

卷盤包裝最早用于分立型被動器件，如片式電阻的包裝，因為這些器件通常別是ESD敏感器件。早期的卷盤包裝別是防靜電的，結(jié)果，在將卷盤覆蓋層從載帶剝離時經(jīng)常會產(chǎn)生超過10,000V的靜電。此刻片狀器件甚至?xí)莒o電引力在載帶上直立起來，這對自動化的生產(chǎn)過程有極大的危害。這一點要求卷盤生產(chǎn)中與IC相接觸的材料必須使用安全的材料。因為會增加器件的潛在損傷原因，我們努力尋覓合適的材料來解決這一咨詢題。有一點是明確的，卷盤材料對器件產(chǎn)生的靜電比包裝管對器件產(chǎn)生的靜電真的要高，盡管在它們的廣告上講是ESD安全的，或者講是按照EIA541之類標準制作的。

一些卷盤帶上的確使用了抗靜電材料，但這些材料僅僅是在外頭的非粘貼層，粘貼面與器件接觸后，仍會產(chǎn)生超出預(yù)料的高靜電壓。

除此之外，另外一點需要注意的是，載帶材料的導(dǎo)電性過強，還也許會導(dǎo)致場感應(yīng)的CDM失效。其緣故是，當(dāng)時沒有能與典型的抗靜電材料相匹配的粘膠。

導(dǎo)電材料載帶的這種缺陷在CDM敏感器件(150V)的一系列實驗中能夠得到證實。將敏感器件裝入表面電阻率為1~100Ω/sq材料的載帶，做振動試驗，以模擬器件的運輸和取放過程，然后測試其是否失效。結(jié)果顯示，器件中有相當(dāng)大的數(shù)量擊穿電壓等電性能顯著下落；相反，使用104Ω/sq載帶和絕緣材料的覆蓋帶做同樣的實驗，卻沒有浮現(xiàn)電性能的下落。圖1是實驗結(jié)果的匯總。

2.防靜電包裝袋

關(guān)于屏蔽袋的使用，在ESD行業(yè)曾經(jīng)有許多誤區(qū)。這些誤區(qū)要緊與早期的靜電場敏感器件有關(guān)。雖然在ESD愛護環(huán)境中，非常難發(fā)生無愛護的MOSFET的器件失效，然而人們依然普遍相信這些器件會在靜電場中損壞。

如今這些觀點差不多基本被摒棄了，然而一些產(chǎn)業(yè)仍然保留著使用屏蔽袋的要求。雖然器件會因感應(yīng)帶電，這取決于其在電場中停留的時刻，而屏蔽層真的能夠減少感應(yīng)的妨礙，但這些屏蔽層既別是唯一的解決方法，也別是最佳的解決方法。表2是幾種包裝抗靜電能力的測試結(jié)果。事實上驗基本辦法是，將HBM敏感度200V的敏感器件或同等電壓敏感度的探頭放在包裝袋中，再使用HBM模擬器放電測試其靜電破壞事情。數(shù)值指示的是器件在袋中被損壞時施加電壓。

這些數(shù)據(jù)表明，在一具常規(guī)的ESD操縱條件下的環(huán)境中，如電子產(chǎn)品生產(chǎn)車間，表中所列的任何一種材料都能夠使用。此環(huán)境的靜電壓徹底能夠保持在2500V以下，低于最小的靜電損傷電壓。以此來看，愛護包裝的外表變得毫無意義。屏蔽包裝袋在使用后效果會大大減弱，因為折疊或彎曲都會造成金屬層穿孔和破碎。所以，包裝袋或盒最重要的特性是它們的抗靜電性、靜電耗散性以及物理愛護性能。表2的數(shù)據(jù)還講明，包裝袋別是解決電子產(chǎn)品在非操縱環(huán)境中取放的最理想的材料。相比之下，剛性材料的包裝能夠提供適當(dāng)?shù)目障?，對器件的ESD愛護和物理愛護都能收到較好的效果。

電容耦合和空氣間隙

導(dǎo)電和屏蔽材料多數(shù)事情下別是必須的包裝材料，其中一具緣故是，器件相關(guān)于靜電源的方位能夠最大限度地減少其受到的妨礙。圖2中所列示的材料都可以經(jīng)過空氣間隙達到這一目的，接下來我們逐一討論。

1.集成電路(IC)包裝管

圖3是放置在IC包裝管中的器件受到外界靜電場妨礙的示意圖。其中，VS是靜電源的電壓，CC是靜電源與器件之間的電容，CD是器件對地的電容，此刻器件的電壓能夠以下公式計算：

從式中能夠看到，剛性結(jié)構(gòu)的包裝管會有空隙間距，有助于減少VD。雖然Unger對此有別同認識，普通以為VD/VS的比值通常為1:50。以此計算，在這種結(jié)構(gòu)下，靜電耐受能力大于100V的器件放在包裝管中，外界5000V的靜電也不可能對其形成威脅。從這一點說，除非器件極端敏感或包裝放在非常高的靜電場中，導(dǎo)電材料或金屬材料的IC包裝管徹底沒有必要。其實，Unger的研究表明，導(dǎo)電材料的包裝管更容易將電荷傳導(dǎo)到器件上，因為它們允許電荷在整個包裝管上快速流淌。

2.周轉(zhuǎn)箱

多數(shù)的周轉(zhuǎn)箱使用靜電耗散材料制作，其表面的靜電荷能夠經(jīng)過接地，或放置在靜電耗散材料或?qū)щ姴牧系淖烂嫔闲?。圖4是存放線路板的耗散材料周轉(zhuǎn)箱的示意圖，其外側(cè)及周邊周轉(zhuǎn)箱的電荷也許無法經(jīng)過接地消除，但箱子的結(jié)構(gòu)及線路板的方位能夠讓其與這些靜電源的耦合最?。?/p>

從平行電容模型來看，周轉(zhuǎn)箱與線路板接觸的部分與后者垂直，可以將電容落低到最小，因而耦合較弱，而與線路板平行的表面，由于線路板與箱面之間能保持大約為1/2英寸以上的距離，因而也可以落低其電容值，有效減少耦合。

這種結(jié)構(gòu)可以提供的愛護非常難量化。相比線路板放水平面靜電源上的耦合，這種結(jié)構(gòu)通常事情下可以讓其耦合減少一半。因為箱體經(jīng)常需要舉行滑動，而其摩擦所產(chǎn)生的靜電會在表面停留，從這一點來講，圖4是方式是能夠同意的。

3.發(fā)泡包裝與(屏蔽)包裝袋

使用剛性或半剛性包裝材料時，可以在運輸和取放時讓器件與外界保持適當(dāng)?shù)目障?，這些空隙能夠讓包裝在別使用導(dǎo)電材料的前提下，提供物理性愛護的并且減少場強的妨礙。我們所看到的多數(shù)對屏蔽研究的文獻，是假設(shè)包裝袋處于極端惡劣的環(huán)境下，身邊的靜電源高達15,000-35,000V，得出的結(jié)論，實際在通常的事情下，剛性包裝與其他的包裝結(jié)合使用差不多腳夠減少ESD的損壞。

三類ESD失效事情的對策

我們將引起ESD損傷的事情分為三類，對它們的分析和對策如表3。在這些措施中，理論上使用其中任意一具關(guān)于減少ESD損傷的靜電壓都有效，但實際上卻非常難做到。首先，沒有任何技術(shù)可以保證萬無一失?？轨o電劑會有一定的時效性，過期就會失效，此刻接地會時好時壞，或徹底斷開。

其次，某些措施也許限制一些防護措施的使用，或甚至將其徹底排除在外。例如，卷盤包裝的覆蓋帶的粘貼面必須使用絕緣材料，才干將與載帶粘合在一起。

1.事情A

兩個表面間的運動產(chǎn)生靜電，敏感器件被放置在其電場中，而器件隨后又舉行了接地。將接觸的表面使用抗靜電材料能夠解決操作1的咨詢題。表面所產(chǎn)生的靜電能夠經(jīng)過靜電耗散材料、空氣離子化中和、使用空隙間隔或靜電屏蔽來消除。操作3的咨詢題，能夠經(jīng)過使用靜電耗散材料，來操縱靜電泄放的速度得到解決。

2.事情B

事情A中，能夠有多種途徑來解決操作3的咨詢題，而事情B則別同，它是器件與其他材料接觸后自身帶電的事情。在事情A中，操作1的咨詢題能夠經(jīng)過使用抗靜電材料或靜電耗散材料來解決，但關(guān)于事情B，器件本身的材料別可替換，不會使用這兩種材料來解決咨詢題。要滿腳電路要求，制作器件的陶瓷或塑料材料須是高絕緣材料，并且關(guān)于防潮和防腐蝕也對材料提出了相應(yīng)的要求。這些關(guān)于操作2咨詢題的解決都有限制。此刻器件包裝上有靜電荷，除非允許長時刻，唯一的去除辦法算是使用空氣離子化。操作3咨詢題是導(dǎo)致失效操作，唯一可行的愛護方法算是幸免導(dǎo)體接觸放電的器件，而改用靜電耗散材料與器件接觸。

關(guān)于像工作臺面這類大的材料，單獨使用一具105-1012Ω阻值的外接電阻并別是好的替代辦法，這是因為離散電阻會產(chǎn)生寄生電容，它允許高頻大電流，導(dǎo)致典型的CDM的靜電損傷。

事情A和B由運動所導(dǎo)致，生產(chǎn)中經(jīng)常會在器件的操作當(dāng)中產(chǎn)生。我們所熟知的人為