Основные процедуры ESD-контроля и материалы

Основные принципы статического контроля

При разработке и реализации эффективных программ борьбы со статическим зарядом мы предложили сосредоточиться всего на шести основных принципах:

1. Защита путем проектирования изделий и сборок, которые должны быть максимально устойчивыми к воздействию электростатического разряда.
2. Определение уровня контроля, необходимого в вашей среде.
3. Определение зон защиты от статического электричества (EPA), зон, в которых предстоит работать с предметами, подверженными электростатическому разряду (ESDS).
4. Уменьшение генерации электростатического заряда за счет уменьшения и устранения процессов генерации статического электричества, поддержания процессов и материалов при одном и том же электростатическом потенциале, а также за счет обеспечения соответствующих путей заземления для уменьшения генерации и накопления заряда.
5. Рассеивание и нейтрализация путем заземления, ионизации и использования проводящих и рассеивающих материалов статического контроля.
6. Защита изделий от электростатического разряда с помощью надлежащего заземления или шунтирования, а также использования антистатической упаковки и средств обработки материалов.

На уровне предприятия наши усилия по борьбе с электростатическим разрядом сосредоточены на последних пяти принципах. Мы сконцентрируемся на первичных материалах и процедурах, которые уменьшают образование электростатического заряда, удаляют заряды на «землю» и нейтрализуют заряды для защиты ESDS-предметов.

Выявление проблем и уровня контроля

Один из основных вопросов, на который нам нужно ответить: насколько чувствительны к электростатическому разряду детали и/или сборки, изготовленные или обработанные нами? Эта информация поможет определить различные процедуры и материалы, необходимые для контроля электростатического разряда в вашей среде.

Как вы определяете чувствительность ваших деталей и узлов или где можете получить информацию об их классификации ESD или выдерживаемом напряжении? Первым источником может быть производитель или поставщик самого компонента или использование спецификации детали, связанной с этим компонентом. Очень важно, чтобы вы получили оценки как модели человеческого тела (HBM), так и модели заряженного устройства (CDM). Вы также можете обнаружить, что необходимо протестировать свое конкретное устройство на чувствительность к электростатическому разряду с помощью ANSI/ESDA/JEDEC JS‑001 (HBM) и ANSI/ESDA/JEDEC JS‑002 (CDM). Однако имейте в виду, что корреляция между напряжениями, используемыми для аттестации устройства, и статическими напряжениями, измеренными в полевых условиях, является слабой.

Второй вопрос, на который вам нужно ответить: какие области нашего объекта нуждаются в защите от электростатического разряда? Это позволит определить конкретные зоны защиты от статического электричества (EPA), зоны, в которых вы будете работать с чувствительными частями, и зоны, в которых понадобится реализовать принципы контроля ESD. Часто вы обнаруживаете, что существует больше областей, требующих защиты, чем вы изначально думали, обычно там, где обрабатываются открытые предметы ESDS. Типичные области, требующие защиты от электростатического разряда:

• участок приемки ЭКБ;
• зона входного контроля ЭКБ;
• склад для хранения ЭКБ;
• участок сборки;
• участок тестирования;
• рабочее место разработчика;
• участок упаковки;
• выездное сервисное обслуживание;
• офисные и лабораторные помещения;
• чистые помещения.

Заземление

Заземление особенно важно для эффективного контроля электростатического разряда. Должна быть четко определена область, где оно требуется. Также заземление должно регулярно проверяться.

Заземление позволяет привести антистатические материалы, оборудование и персонал к одинаковому электрическому потенциалу. Все проводники и рассеивающие материалы, а также сотрудники должны быть так или иначе соединены с заземлением. Это создаст эквипотенциальный баланс между всеми предметами и персоналом. Защита от ESD может поддерживаться при потенциале выше нулевого до тех пор, пора все элементы в системе находятся на том же уровне потенциала. Важно отметить, что изоляторы, по определению не являющиеся проводниками, не могут потерять свой электростатический заряд при заземлении.

Первым способом является применение защитного заземления всех компонентов рабочей области (рабочих поверхностей, оборудования и т. д.) и сотрудников. Одна и та же точка электрического заземления называется «общая точка заземления» (Common Ground Point). Она определяется как «устройство или место подключения двух или более заземляющих проводников к одному».

Эта общая точка заземления ESD должна быть правильно идентифицирована, для ее обозначения рекомендуется использовать символ, показанный на рис. 1.

Рис. 1. Символ обозначения общей точки заземления

Второй способ — применение функционального заземления, для этого необходимо подключить все элементы ESD-управления на заземляющий штырь или стержень. Подключение всех компонентов рабочей области, ответственных за контроль ESD, к защитному заземлению приводит все элементы рабочей зоны (оборудование, персонал, материалы) к единому электрическому потенциалу. То есть защитное и функциональное заземление должно быть электрически связано во избежание возникновения разности потенциалов. Если паяльник, используемый для ремонта ESDS-компонента, был подключен к электрическому заземлению, рабочая поверхность, содержащая ESDS-элементы, была подключена к вспомогательному заземлению, между паяльником и ESDS-элементом может существовать разница в электрическом потенциале. Эта разница потенциалов может вызвать повреждение элемента.

Третий способ организации заземления — эквипотенциальное соединение. Применяется в том случае, когда в производственном или складском помещении нет возможности организовать заземление в полном смысле, и заключается в том, чтобы соединить все элементы ESD-управления в общей точке, тем самым выровнять электрический потенциал на всех поверхностях. При этом необходимо соблюдать требования по пределам сопротивления между всеми элементами, согласно действующим стандартам.

Контроль статического заряда на персонале и движущемся оборудовании

Люди обычно становятся одним из основных генераторов статического электричества. Любое движение, которые вы совершаете, в том числе при монтаже или ремонте печатной платы, способно сгенерировать электростатический заряд в несколько тысяч вольт на теле человека. Если ESD не контролировать должным образом, то он может легко разрядиться в чувствительное к электростатическому разряду устройство — стандартный разряд МЧТ. Кроме того, человек может передать заряд на печатную плату или другой предмет, что сделает этот предмет уязвимым к МЗУ в последующем процессе.

Даже в высокоавтоматизированных процессах сборки и тестирования люди по-прежнему сталкиваются с ESDS: на складе, во время выездного сервисного обслуживания, в лаборатории или при транспортировке. По этой причине в программах контроля электростатических разрядов большое внимание уделяется контролю электростатического разряда, генерируемого персоналом. Точно так же перемещение мобильного оборудования (например, тележек) и другого колесного оборудования создает значительные статические заряды, передающиеся на изделия, транспортируемые на этом оборудовании.

Антистатические браслеты

Как правило, антистатические браслеты (рис. 2) служат основным средством заземления персонала. При правильном ношении и заземлении браслет уравнивает потенциал человека с потенциалом заземленных поверхностей в зоне ЕРА. Поскольку человек и другие заземленные объекты в рабочей зоне имеют одинаковый потенциал или близки к нему, между ними не может быть опасного разряда. Кроме того, статические заряды стекают с человека (на «землю») и не накапливаются. Если сотрудник сидит на стуле, который не соответствует требованиям EPA, он должен быть заземлен с помощью браслета.

Рис. 2. Антистатический браслет Desco Europe

Браслеты состоят из двух основных компонентов: самого браслета, который носится на запястье, и провода заземления, соединяющего браслет с общей точкой заземления. Большинство браслетов имеет токоограничивающий резистор, встроенный в наконечник шнура заземления, который подключается к браслету. Этот резистор обычно составляет 1 МОм, не менее 1/4 Вт с номинальным рабочим напряжением 250 В.

У браслетов есть несколько механизмов, которые часто выходят из строя, поэтому их следует регулярно проверять. Рекомендуется либо ежедневное тестирование определенным оборудованием, либо использование тестеров непрерывного мониторинга.

Напольные покрытия

Второй метод заземления сотрудника — это напольные покрытия (рис. 3), защищающие от электростатического разряда, работают они только в сочетании с антистатической обувью или ремешками для заземления на обувь. Такое сочетание проводящих или рассеивающих материалов пола и обуви обеспечивает надежное соединение проводников для рассеивания ESD, тем самым уменьшая накопление заряда на сотруднике. Помимо рассеивания заряда, некоторые покрытия для пола (или отделка пола) также уменьшают трибоэлектрический заряд. Использование напольных покрытий и обуви особенно целесообразно в тех областях, где необходима повышенная активность персонала. Кроме того, напольные покрытия могут минимизировать накопление заряда на стульях, мобильном оборудовании (например, тележках) и других объектах, перемещающихся по полу. При этом требуются рассеивающие или токопроводящие ролики или колеса для обеспечения электрического контакта с полом, а компоненты оборудования должны быть электрически соединены. При использовании в качестве системы заземления сотрудников сопротивление заземления, включая человека, обувь и пол, должно быть таким же, как указано для антистатических браслетов (<35 МОм), а также вырабатываемое напряжение тела человека в стандартном испытании на напряжение при ходьбе должно быть меньше 100 В.

Рис. 3. Антистатический линолеум

Антистатическая обувь и комплектующие для заземления через пол

Используемые в сочетании с антистатическим покрытием, антистатическая обувь для контроля статического электричества (рис. 4), ремешки для заземления на обувь, ролики и колеса обеспечивают необходимый электрический контакт между человеком или объектом и полом. Изолирующая обувь, ролики или колеса предотвращают перенос статических зарядов от человека или мобильного оборудования на пол, чего следует избегать.

Рис. 4. ESD-обувь ABEBA

Антистатическая одежда

В зонах, защищенных от ESD, в чистых помещениях и очень сухих комнатах следует помнить об одежде (рис. 5). Материалы одежды, особенно из синтетических тканей, способны генерировать электростатические заряды, которые могут разрядиться в ESDS, или же создавать электростатические поля, вызывающие заряды. Поскольку одежда обычно электрически изолирована или же изолирована от тела, заряды на тканях одежды не всегда передаются на кожу, а затем на «землю». Антистатическая одежда может изолировать или иным образом влиять на электрическое поле (зависит от одежды, которая находится под антистатической одеждой). Согласно ГОСТ Р 53734.4.9-2012 (МЭК 61340-4-9:2010), существует три типа одежды ESD:

• Категория ESD 1 — антистатическая одежда — одежда с защитой от статического электричества, не заземленная. Без заземления заряд может накапливаться на проводящих или рассеивающих элементах одежды, если они есть, что приводит к возникновению заряженного источника.
• Категория ESD 2 — заземляемая антистатическая одежда — обеспечивает более высокий уровень подавления воздействия электрического поля от одежды, носимой под ESD-одеждой.
• Категория ESD 3 — система заземляемой одежды — заземляемая одежда, которая связывает кожу человека с контрольной точкой заземления. Такая одежда может использоваться совместно с тестерами непрерывного заземления.

Рис. 5. ESD-халат

Рабочая поверхность и рабочая зона

Под рабочей поверхностью для защиты от электростатического разряда понимается рабочая зона отдельного человека, оснащенная материалами и оборудованием для предотвращения повреждений компонентов, чувствительных к электростатическому разряду. Это может быть отдельная область на складе, или в зоне сборки, или в естественных условиях. Рабочая поверхность также может быть расположена в контролируемой зоне, такой как чистое помещение. Ключевыми элементами управления электростатическим разрядом, входящими в состав большинства рабочих станций, являются рассеивающая статическое электричество рабочая поверхность, средство заземления сотрудника (обычно браслет), общая точка заземления, а также соответствующие таблички и маркировка. Стандартная рабочая поверхность показана на рис. 6.

Рис. 6. Стандартная рабочая поверхность

Рабочие поверхности с защитой от ESD и сопротивлением заземления 1 МОм – 1 ГОм обеспечивают поверхность с таким же электрическим потенциалом, что и другие элементы управления электростатическим разрядом на рабочей поверхности. Они обеспечивают электрический путь к «земле» для контролируемого рассеивания любых статических зарядов на материалах, контактирующих с поверхностью. Рабочая поверхность помогает определить конкретную рабочую область, в которой следует обрабатывать ESDS. Рабочая поверхность должна быть подключена к общей точке заземления.

Тестер непрерывного мониторинга

Тестер непрерывного мониторинга предназначен для постоянного тестирования системы браслета. Несмотря на использование ряда технологий, цель остается неизменной: электрические соединения проверяются между точкой заземления, шнуром заземления, браслетом и телом человека, в то время как пользователь работает с ESDS. Тестеры непрерывного мониторинга могут также применяться для постоянного контроля заземления рабочей поверхности ESD (антистатических ковриков) или другого оборудования (например, паяльной станции).

Стандартные программы тестирования рекомендуют ежедневно проверять антистатические браслеты перед началом работы. Однако если производимое оборудование дорогостоящее или от его корректной работы зависят человеческие жизни, следует рассмотреть вариант применения тестеров непрерывного мониторинга. Ежедневное тестирование браслета можно не проводить, если используется тестер непрерывного мониторинга.

Чистые помещения

В то время как основные методы статического контроля, обсуждаемые здесь, применимы в большинстве сред, производственные процессы в чистых помещениях требуют особого внимания.

Многие материалы, являющиеся неотъемлемой частью процесса производства полупроводников (кварц, стекло, пластик и керамика), по своей природе генерируют заряд. Поскольку эти материалы являются изоляторами, этот заряд нельзя удалить заземлением. Многие материалы для контроля статического заряда содержат частицы углерода или поверхностно-активные добавки, которые иногда ограничивают их использование в чистых помещениях. Необходимость мобильности персонала и использование одежды для чистых помещений часто затрудняют применение браслетов. В этих условиях системы напольных покрытий/обуви с защитой от электростатического разряда и ионизации становятся ключевым оружием против статического заряда.

Идентификация

Последним элементом нашей программы контроля ESD является использование соответствующих символов для обозначения элементов ESDS, а также специальных продуктов, предназначенных для контроля ESD. Наиболее широко распространены два символа для обозначения элементов ESDS или защитных материалов для защиты от электростатического разряда, как определено в стандарте ассоциации ESD ANSI/ESD S8.1 «Символы осведомленности ESD».

Символ чувствительности к электростатическому разряду (рис. 7) состоит из треугольника, протягивающейся руки и косой черты, проходящей через протягивающуюся руку.

Рис. 7. Символ чувствительности к электростатическому разряду

Треугольник означает «осторожность», а косая черта на протянутой руке означает «не трогать». Из-за его широкого распространения рука в треугольнике стала ассоциироваться с электростатическим разрядом, и этот символ буквально переводится как «вещи, чувствительные к электростатическому разряду, не трогайте». Символ устойчивости к электростатическому разряду наносится непосредственно на интегральные схемы, платы и сборки, чувствительные к электростатическому разряду. Это означает, что обращение с таким предметом или его использование может привести к повреждению от электростатического разряда, если не будут приняты надлежащие меры предосторожности. Операторы должны быть заземлены перед работой. При желании уровень чувствительности предмета может быть добавлен к этикетке.

Символ защиты от электростатического разряда (рис. 8) представляет собой протягивающуюся руку в треугольнике. Дуга вокруг треугольника заменяет косую черту. Этот «зонт» означает защиту. Символ указывает на материал для защиты от электростатического разряда. Его наносят на коврики, стулья, браслеты, одежду, упаковку и другие предметы, обеспечивающие защиту от электростатического разряда. Его можно использовать и на таком оборудовании, как ручные инструменты, конвейерные ленты или автоматизированные манипуляторы, которые специально разработаны или модифицированы для обеспечения свойств управления электростатическим разрядом (низкий заряд, проводящее/рассеивающее сопротивление и/или защита от разряда).

Рис. 8. Символ защиты от электростатического разряда

Для эффективных программ защиты от электростатического разряда требуются различные процедуры и материалы. Координатор ESD должен регулярно выпускать и контролировать список конкретных продуктов для защиты от ESD, разрешенных для использования в программе контроля ESD на объекте. Мы представили краткий обзор наиболее часто применяемых продуктов. Дополнительное подробное обсуждение отдельных материалов и процедур можно найти в таких материалах, как ESD Handbook (ESD TR20.20), опубликованный ESD Association, или в Руководстве пользователя CLC/TR 61340-5-2.