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技術(shù)文章

潔凈室不允許出現(xiàn)靜電放電

潔凈室用戶不允許出現(xiàn)靜電。磁盤驅(qū)動(dòng)器制造商正在努力把潔凈室內(nèi)與靜電有關(guān)的問題降到零，半導(dǎo)體制造商、平板顯示器制造商、醫(yī)療電子產(chǎn)品制造商和制藥廠商都緊隨其后。
Novx公司行政總裁Steve Heymann說，就在一年前，大多數(shù)磁盤驅(qū)動(dòng)器制造商把容許的靜電電壓從五伏減小到兩伏或者更低。他說：“建造能夠達(dá)到這個(gè)水平的潔凈室環(huán)境，需要豐富的經(jīng)驗(yàn)。”
為了有效管理這種無靜電的環(huán)境，磁盤驅(qū)動(dòng)器行業(yè)遵循國際磁盤驅(qū)動(dòng)器、器材及原料協(xié)會(huì)（IDEMA）提出的各種ESD標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)測(cè)試程序進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并且確定產(chǎn)品之間的相互關(guān)系和基準(zhǔn)。IDEMA的標(biāo)準(zhǔn)包括磁盤驅(qū)動(dòng)器和元件的包裝標(biāo)準(zhǔn)，其中包含適合磁盤驅(qū)動(dòng)器不同生產(chǎn)階段對(duì)材料的要求，以及人體模型（HBM）的標(biāo)準(zhǔn)，它是針對(duì)裝箱發(fā)貨前測(cè)試磁阻（MR）磁頭產(chǎn)品是否合格的問題。


圖1把高壓加到**發(fā)射點(diǎn)上
（如圖所示），形成環(huán)繞在
發(fā)射器周圍的電場(chǎng)，其中，
發(fā)射器與附近氣體分子相互
作用，濟(jì)后根據(jù)施加的高壓
的類型，產(chǎn)生正離子或者負(fù)
離子。ITW/Simco提供照片。


交流/直流電離技術(shù)
要想把靈敏度限制在一伏或者兩伏，需要一個(gè)復(fù)雜的電離過程，而這個(gè)過程首先需要一個(gè)室內(nèi)系統(tǒng)離子發(fā)生器。離子發(fā)生器是在潔凈室內(nèi)防止靜電的弟一道防線，隨著靈敏度下降，電離設(shè)備會(huì)變得越來越重要。
室內(nèi)系統(tǒng)離子發(fā)生器輸出大量空氣分子，它通過極化作用與帶電的（通常是單一的）氮分子或者氧分子綁在一起，利用帶電氣體分子提高空氣的導(dǎo)電性。當(dāng)電離空氣與帶電表面接觸時(shí)，帶電表面就會(huì)吸引極性相反的離子。結(jié)果是，靜電荷減少了。
在常規(guī)的空氣離子發(fā)生器中，有三種通用的電離方法可供選擇：電暈法、阿爾法法和光電法。每一種方法都能夠產(chǎn)生空氣離子，但是電暈電離法在潔凈室中用得濟(jì)多。
用直流高壓和交流高壓來產(chǎn)生電暈電離作用。把高電壓加到**放電點(diǎn)（圖1）或者直徑很小的發(fā)射器金屬絲上，在發(fā)射器周圍形成電場(chǎng)。這個(gè)高壓電場(chǎng)與氣體分子附近的電子相互作用，根據(jù)加在發(fā)射點(diǎn)的電壓類型，形成正離子或者負(fù)離子。
交流電暈電離技術(shù)可以從同一個(gè)發(fā)射點(diǎn)同時(shí)發(fā)射正負(fù)離子，與它不同的是，直流電暈離子發(fā)生器是分別從正、負(fù)發(fā)射點(diǎn)發(fā)出離子，正負(fù)離子再結(jié)合現(xiàn)象更少。
ESD聯(lián)盟董事會(huì)成員和Ion Systems公司MKS**應(yīng)用技術(shù)專家Arnold Steinman說：“由于每種極性的離子是單獨(dú)發(fā)射的，所以才有可能監(jiān)視和控制分別從正、負(fù)發(fā)射點(diǎn)發(fā)射的離子數(shù)量，看看它們是否相等。各種類型的監(jiān)視和控制系統(tǒng)可以和直流電暈離子發(fā)生器配套使用。因此，使用直流電暈技術(shù)的離子發(fā)生器能夠提供極高的控制和微調(diào)等級(jí)。系統(tǒng)復(fù)雜性高和離子的重新結(jié)合率低還意味著直流電暈離子發(fā)生器適合對(duì)靜電放電非常靈敏的產(chǎn)品和害怕遭到污染的產(chǎn)品。”

圖2 在工藝設(shè)備內(nèi)部和周圍關(guān)鍵區(qū)
域增加額外的離子發(fā)生器，能夠進(jìn)
一步降低電壓。如圖所示，條型離
子發(fā)生器通常安裝在微環(huán)境和設(shè)備
內(nèi)部。Ion Systems公司MKS提供照片。

有兩種直流電暈電離技術(shù)：脈沖式直流電離技術(shù)和恒流式直流電離技術(shù)。恒流式直流電離技術(shù)是不間斷地把正的高電壓加到一半發(fā)射點(diǎn)上，把負(fù)的高電壓加到另一半上。離子發(fā)生器可能包含一個(gè)發(fā)射器對(duì)（用于噴霧器或者噴嘴中和天花板發(fā)射器中），或成陣列的發(fā)射器對(duì)（直流吹風(fēng)機(jī)），或成直線的發(fā)射器對(duì)（直流棒）。恒流式直流電離技術(shù)是根據(jù)分開的發(fā)射點(diǎn)間隔的遠(yuǎn)近來決定是使用低氣流還是高氣流。恒流式直流電離技術(shù)經(jīng)常用在潔凈室系統(tǒng)、層流凈化罩、吹風(fēng)機(jī)和噴霧器中。
脈沖式直流離子發(fā)生器可以交替啟動(dòng)和關(guān)閉正、負(fù)發(fā)射點(diǎn)，產(chǎn)生正離子動(dòng)和負(fù)離子。使用脈沖式直流電離技術(shù)的離子發(fā)生器能夠進(jìn)行微調(diào)，允許定時(shí)循環(huán)和兩種極性，針對(duì)具體應(yīng)用**地工作。能夠把正、負(fù)發(fā)射器設(shè)置成以數(shù)秒為時(shí)間周期交替工作。在某些區(qū)域，正極可能大于負(fù)極，反之亦然，或者電壓在正極或負(fù)極上的停留時(shí)間更長以防止可能的離子重組。

局部電離需要平衡
對(duì)許多潔凈室來說，通用室內(nèi)離子發(fā)生器只是完整的電離系統(tǒng)的一部分。Heymann說：“潔凈室運(yùn)營商過去常常會(huì)說如果有一臺(tái)離子發(fā)生器的話，一切與ESD有關(guān)的問題都迎刃而解了，但是事實(shí)恰恰相反。與ESD技術(shù)有關(guān)的問題是只是簡單地安裝上離子發(fā)生器，并不能保證它能夠持續(xù)工作**、一星期，甚至一個(gè)月?！?br> 現(xiàn)在，靈敏度閥值更低，這迫使?jié)崈羰疫\(yùn)營商加入通用室內(nèi)電離系統(tǒng)，這些系統(tǒng)能夠把空氣的電壓從1,000伏降到100伏。在工藝設(shè)備內(nèi)部和周圍關(guān)鍵區(qū)域加入額外的離子發(fā)生器，能夠把空氣的電壓降至10伏以下。工作站離子發(fā)生器，包括條型離子發(fā)生器、吹風(fēng)機(jī)和壓縮氣體釋放設(shè)備就是適合在這些規(guī)定的工作區(qū)域中使用（圖2）。無論離子發(fā)生器是安裝在操作面的上方，還是直接安裝在操作面上，這個(gè)把它與對(duì)靜電放電非常敏感的產(chǎn)品分開的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于與室內(nèi)系統(tǒng)的距離，一般不到1米。
對(duì)要求非常嚴(yán)格的環(huán)境來說，電離吹風(fēng)機(jī)可用來取代脈沖式直流系統(tǒng)，但是，這種系統(tǒng)的電壓來回?cái)[動(dòng)，不能調(diào)整到零伏（圖3）。可是問題在于，盡管吹風(fēng)機(jī)可以消除靜電，但是，它會(huì)干擾潔凈環(huán)境內(nèi)的其他的元件。Steinman說：“吹風(fēng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生空氣紊流，還會(huì)成為污染源。我們需要在污染控制和ESD控制之間協(xié)調(diào)，保證達(dá)到要求的水平。”
為了避免吹風(fēng)機(jī)的不利作用，Ion Systems公司采用了單晶硅材料生產(chǎn)的發(fā)射器點(diǎn)，按照Steinman的說法，它幾乎可以達(dá)到“ISO 1類標(biāo)準(zhǔn)”。

預(yù)警系統(tǒng)
ESD控制的困難在于，在許多情況下，某個(gè)事件已經(jīng)造成了一定的破壞，而制造商只有在之后的生產(chǎn)階段才會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題。這種失效可能在組裝磁盤驅(qū)動(dòng)之前看不出來，或者它可能是一種潛在性失效，ESD會(huì)減弱元件的作用或者損傷元件，但是在測(cè)試過程中這不足以引起故障。然而，隨著時(shí)間的過去，受到損傷的元件將降低系統(tǒng)性能并且濟(jì)終使系統(tǒng)徹底失效。因?yàn)闈撛谛允窃跐?jì)終檢查之后或者在用戶控制范圍內(nèi)失效的，所以維修的成本會(huì)非常高。
ESD聯(lián)盟研討會(huì)的總負(fù)責(zé)人、Rivers Edge技術(shù)服務(wù)公司總裁Carl Newberg說，為了解決這個(gè)問題，潔凈室用戶開始使用遠(yuǎn)程傳感器不間斷地監(jiān)視空氣和決定需要用來抑制空氣正離子或負(fù)離子的數(shù)量。他說：“傳感器之所以這么重要是因?yàn)槿绻皇褂脗鞲衅?，離子發(fā)生器會(huì)產(chǎn)生平衡偏移，使問題變得更糟?！?br> 有一種趨勢(shì)，就是在圍繞著主工作臺(tái)的加工區(qū)域設(shè)置獨(dú)立監(jiān)視，以確保電離始終工作。這些獨(dú)立的監(jiān)視器收集和采集ESD數(shù)據(jù)，向操作人員提供關(guān)于潔凈室環(huán)境的運(yùn)行報(bào)告，這個(gè)報(bào)告在ESD事件中詳細(xì)記錄在制造過程的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上所有的瞬間變化或者趨勢(shì)。
這樣，在潔凈室里，他們可以在這些問題對(duì)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響之前開始著手解決。例如，濟(jì)終的結(jié)論性報(bào)告可能顯示在**的某幾段時(shí)間內(nèi)的人員變化、工藝設(shè)備或者材料的安放或者移動(dòng)情況，或者設(shè)備接地方面的錯(cuò)誤等這些因素關(guān)聯(lián)在一起的瞬間變化。操作人員通過追蹤事件和它們的位置能夠找到出現(xiàn)問題的地方和引起這些問題的原因。
潔凈室電離系統(tǒng)制造商ITW/Simco公司電子制造事業(yè)部業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Jim Curtis 說：“當(dāng)靈敏度等級(jí)嚴(yán)格起來時(shí)，你需要把這些傳感器直接放到關(guān)鍵目標(biāo)區(qū)域的離子發(fā)生器的前面，通過反饋來保持平衡。它們始終不容許有靜電放電?！?br> 但是，記錄事件和趨勢(shì)的文件不足以保護(hù)生產(chǎn)免于ESD的破壞。一些監(jiān)視器可能只用紅燈或者綠燈表示它們正在工作。Heymann說，盡管把關(guān)于事件的數(shù)據(jù)送給了中央數(shù)據(jù)庫，如果傳感器在問題出現(xiàn)時(shí)沒有及時(shí)警告操作人員，操作人員可能要過了幾天或者幾星期才會(huì)發(fā)現(xiàn)。他說：“如果你每分鐘生產(chǎn)三個(gè)驅(qū)動(dòng)器，那么在你意識(shí)到出問題時(shí)已經(jīng)生產(chǎn)了多少驅(qū)動(dòng)器了呢？”
這類問題會(huì)影響主動(dòng)式傳感器的執(zhí)
情況，而這些傳感器是根據(jù)即時(shí)事件警報(bào)來做出反應(yīng)的，例如，需要維修的離子發(fā)生器或者失去接地的設(shè)備。在更**的系統(tǒng)中，監(jiān)視器都有一個(gè)直接工藝設(shè)備接口，使它們能夠在靜電上升到超出技術(shù)規(guī)范容許范圍時(shí)關(guān)閉工藝設(shè)備或者整條生產(chǎn)線，這樣，操作人員就有機(jī)會(huì)去解決問題，在開始繼續(xù)生產(chǎn)之前把產(chǎn)品從生產(chǎn)線上拿下來，進(jìn)行評(píng)估。Heymann說：“現(xiàn)在，如果產(chǎn)品壞掉了，你就可以在你讓它進(jìn)入后續(xù)的五十多個(gè)工藝步驟之前把它拿下來、扔掉。有了這種主動(dòng)式控制，你再不會(huì)生產(chǎn)出一個(gè)壞的驅(qū)動(dòng)器、面板或者集成電路?！?br> Curtis說，它看起來可能很特殊而且價(jià)格很貴，但是，它的回報(bào)驚人。Curtis曾經(jīng)看到幾位客戶因改進(jìn)電離程序而大量提高成品率，其中一個(gè)射頻識(shí)別設(shè)備（RFID）制造商在安裝了新的電離系統(tǒng)之后，成品率從60%提高到90%。
Curtis說，有一家客戶，因?yàn)殡婋x系統(tǒng)的價(jià)錢高達(dá)十萬美元，猶豫了兩年之久，一直在考慮這樣的投資是否劃算，盡管如此，他濟(jì)終還是接受了這個(gè)價(jià)格。他說：“盡管人們沒有充分認(rèn)識(shí)到電離系統(tǒng)的價(jià)值，但是你不能否認(rèn)它的作用。”

圖3對(duì)要求非常嚴(yán)格的環(huán)境來說，
電離送風(fēng)機(jī)是用來替代脈沖式直
流系統(tǒng)的。送風(fēng)機(jī)通常是安裝在
工作臺(tái)上和設(shè)備內(nèi)部。它們能夠
用于測(cè)試、組裝和封裝領(lǐng)域，以
及硬盤驅(qū)動(dòng)器制造領(lǐng)域。Ion
Systems公司MKS提供照片。

S20.20指導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展
對(duì)半導(dǎo)體制造商而言，ESD危機(jī)還不是濟(jì)緊迫的問題。根據(jù)不同運(yùn)作的情況，他們能夠允許存在30至200伏的靜電，而不會(huì)造成任何損害；但是，半導(dǎo)體制造商已經(jīng)在面臨著磁盤驅(qū)動(dòng)器制造商幾年前遇到的同樣的問題。
Newberg說：“半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)明了ESD這個(gè)名詞。他們很快就發(fā)現(xiàn)ESD是引起問題的原因，學(xué)會(huì)了怎樣在芯片上實(shí)現(xiàn)ESD保護(hù)?！?br> 但是，在過去的幾年里，半導(dǎo)體制造商因速度和集成電路的功能不斷增加而放棄可靠，不斷壓縮保護(hù)功能。他說：“它的靈敏度已經(jīng)降到令人吃驚的水平?！?br> Novx公司的Heymann贊同這種觀點(diǎn)，他說：“半導(dǎo)體業(yè)以和磁盤驅(qū)動(dòng)器制造商相同的發(fā)展方向向前發(fā)展。半導(dǎo)體制造商因?yàn)榉艞壛四軌虮Ｗo(hù)晶片免于ESD干擾的氧化物厚度，所以他們幾乎是在一夜之間就把電壓從3000或4000伏降低300伏或者更低?！?br> Heymann 還指出關(guān)于ESD的主要問題是前后道半導(dǎo)體制造工藝之間的根本性差別。他說：“他們?cè)诤蟮拦に嚽懈钚酒?，知道自己必需時(shí)刻關(guān)注ESD的問題，但是，仍存在一個(gè)誤區(qū)，即人們認(rèn)為在前道工藝，晶片對(duì)靜電放電不敏感?！?br> 和磁盤驅(qū)動(dòng)器業(yè)一樣，半導(dǎo)體制造商遵循ESD的控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)靜電放電控制計(jì)劃而研制的ANSI/ESD S20.20-1999標(biāo)準(zhǔn)，它覆蓋了設(shè)計(jì)、建立、執(zhí)行和持續(xù)發(fā)展的各個(gè)環(huán)節(jié)，保護(hù)電氣元件或者電子元件、總成和設(shè)備免于因HBM放電大于等于100伏時(shí)而造成的ESD損壞。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)所覆蓋的領(lǐng)域?qū)㈦S著各個(gè)行業(yè)根據(jù)它們技術(shù)路線圖的發(fā)展，擴(kuò)大到各個(gè)行業(yè)，形成重疊，預(yù)計(jì)它將會(huì)在明年進(jìn)行更新。
Steinman說，ANSI/ESD S20.20是根據(jù)產(chǎn)業(yè)界在執(zhí)行ISO 9000和ISO 14000標(biāo)準(zhǔn)得到的經(jīng)驗(yàn)而制定的指導(dǎo)性文件。這個(gè)指導(dǎo)性文件作為國際標(biāo)準(zhǔn)正在得到全世界的承認(rèn)，目前國際電工委員會(huì)（IEC）正在翻譯和起草。
因?yàn)檫@個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)在ISO參數(shù)下工作設(shè)計(jì)的，所以，從某些方面來看，它是個(gè)有用的全球性標(biāo)準(zhǔn)。Steinman說：“如果你有一個(gè)ISO質(zhì)量控制計(jì)劃，那么你就已經(jīng)擁有達(dá)到S20.20要求的基礎(chǔ)設(shè)施?，F(xiàn)在你要增加技術(shù)性。ISO資格審核人員還將審核S20.20標(biāo)準(zhǔn)?！?br> S20.20標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在已經(jīng)有了英文、中文和西班牙文三種語言的版本，而且全世界許多機(jī)構(gòu)很快都會(huì)采納這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。Steinman說：“一旦所有的問題都標(biāo)準(zhǔn)化了，人們就不需要再為是執(zhí)行它還是不執(zhí)行它而苦惱。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)成為每個(gè)人都必須執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)，而且他們對(duì)它也非常熟悉和了解。對(duì)每個(gè)電子行業(yè)的從業(yè)人員來說，**的方法是做正確的事情，而且保證他們都使用適當(dāng)?shù)燃?jí)的ESD保護(hù)措施?！?br> ESD協(xié)會(huì)目前提供一個(gè)ESD程序文件來檢查服務(wù)，ESD協(xié)會(huì)的工廠資格認(rèn)證委員會(huì)通過這個(gè)程序文件來檢查制造商的ESD程序文件，并把它和ANSI/ESD S20.20-1999規(guī)定的要求進(jìn)行比較，形成報(bào)告。這個(gè)報(bào)告對(duì)需要進(jìn)行整改的區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)說明，只有這樣才能達(dá)到ESD程序文件的要求，并與ANSI/ESD S20.20-1999A標(biāo)準(zhǔn)兼容。
Newberg說：“對(duì)任何一家公司，如果正在為工廠通過ANSI/ESD S20.20-1999資格認(rèn)證做準(zhǔn)備，這項(xiàng)服務(wù)是必不可少的。一旦獲得這項(xiàng)資格認(rèn)證，公司就能夠向他們的用戶證明他們符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。”對(duì)一些部門來說，例如，**部門和美國國家航空航天局，S20.20資格認(rèn)證已經(jīng)是開展業(yè)務(wù)必不可少的要求。

材料的選擇
有了適合設(shè)備和人員的電離設(shè)備和傳統(tǒng)接地工具，制造商還必需仔細(xì)考慮在潔凈室內(nèi)使用的材料和它們與ESD的關(guān)系。
材料上出現(xiàn)靜電荷是由于材料滑動(dòng)、摩擦或者把材料分開的結(jié)果，這是產(chǎn)生靜電電壓的根本原因。塑料、玻璃纖維、橡膠和紡織品都能夠吸收這些電荷。一旦在絕緣材料上產(chǎn)生靜電荷，電子無法流動(dòng)或者穿過它絕緣材料本身，那么越來越多的電荷就會(huì)積存在所接觸的局部區(qū)域上。這種在絕緣體上產(chǎn)生的靜電荷能夠感應(yīng)鄰近的導(dǎo)體，例如，人或者微型電路，然后，一旦導(dǎo)體與人體以完全不同的電壓接觸，它們會(huì)通過電弧或者火花放電。
RMV技術(shù)集團(tuán)公司總裁Bob Vermillion說：“磁盤驅(qū)動(dòng)器制造商通過**聚合物，想方設(shè)法降低出現(xiàn)ESD事件的可能性，這些聚合物可以用靜電逸散加熱成型的元件或者CNC陶瓷/ICP元件來取代金屬載體。這些聚合物通過提供表面電阻、體積電阻或兩點(diǎn)電阻的讀數(shù)來減少快速放電。”
潔凈室用戶和工藝設(shè)備制造商正在試驗(yàn)更多的抗ES 材料，以滿足客戶的需要。像隔離包、箔片和金屬這樣的導(dǎo)電材料越來越受歡迎，這是因?yàn)樗鼈兊碾娮璺浅５?，一般都不?×105歐姆/平方厘米（表面電阻率）和1×104歐姆-厘（體積電阻率），而且，電子還可以在表面或者在整個(gè)物體內(nèi)自由移動(dòng)。當(dāng)導(dǎo)電材料開始充電，電荷（也就是電子不足或者過多）均勻地分布在材料的整個(gè)表面。一旦帶電的導(dǎo)體材料與其他導(dǎo)體材料接觸，電子就在這兩個(gè)材料之間自由交換。如果弟二個(gè)導(dǎo)體接地，電子就會(huì)流向地，而導(dǎo)體上多余的電荷就會(huì)變少。導(dǎo)電材料一般整個(gè)都布滿了碳化微?；蛘咛蓟w維。
對(duì)防靜電材料來說，它們和所有材料一樣，電荷可能是由摩擦產(chǎn)生的。然而，防靜電材料和導(dǎo)電材料一樣，允許與大地或者其他導(dǎo)體材料交換電荷。防靜電材料交換電荷所需要的時(shí)間要大于與體積相當(dāng)?shù)膶?dǎo)體材料。放慢電荷的交換速度是防止ESD破壞的一種方法。與防靜電材料交換電荷比與絕緣體交換電荷要快得多，但是比導(dǎo)體慢。
有許多種抗靜電或者防靜電材料，但是，不是所有的材料都能夠在潔凈室中使用，以降低ESD風(fēng)險(xiǎn)，這是因?yàn)闈崈羰依锟赡艽嬖谖廴締栴}。舉個(gè)例子，塑料的表面涂有季銨鹽、變性聚酰胺或者辛酸鹽，從而具有非長久性ESD屬性，這種方法不能在潔凈室中使用。適合潔凈室使用的ESD控制材料必須經(jīng)過針對(duì)微粒產(chǎn)生、排氣作用和化學(xué)殘?jiān)膶?shí)驗(yàn)，所有在潔凈室中使用的材料都需要做這些實(shí)驗(yàn)。

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