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    技術文章

    潔淨室不允許出現靜電放電

    潔淨室用戶不允許出現靜電。磁盤驅動器製造商正在努力把潔淨室內與靜電有關的問題降到零，半導體製造商、平板顯示器製造商、醫療電子產品製造商和製藥廠商都緊隨其後。
    Novx公司行政總裁Steve Heymann說，就在一年前，大多數磁盤驅動器製造商把容許的靜電電壓從五伏減小到兩伏或者更低。他說：“建造能夠達到這個水平的潔淨室環境，需要豐富的經驗。”
    為了有效管理這種無靜電的環境，磁盤驅動器行業遵循國際磁盤驅動器、器材及原料協會（IDEMA）提出的各種ESD標準，對測試程序進行標準化，並且確定產品之間的相互關係和基準。IDEMA的標準包括磁盤驅動器和元件的包裝標準，其中包含適合磁盤驅動器不同生產階段對材料的要求，以及人體模型（HBM）的標準，它是針對裝箱發貨前測試磁阻（MR）磁頭產品是否合格的問題。


    圖1把高壓加到**發射點上
    （如圖所示），形成環繞在
    發射器周圍的電場，其中，
    發射器與附近氣體分子相互
    作用，濟後根據施加的高壓
    的類型，產生正離子或者負
    離子。ITW/Simco提供照片。


    交流/直流電離技術
    要想把靈敏度限製在一伏或者兩伏，需要一個複雜的電離過程，而這個過程首先需要一個室內係統離子發生器。離子發生器是在潔淨室內防止靜電的弟一道防線，隨著靈敏度下降，電離設備會變得越來越重要。
    室內係統離子發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電性。當電離空氣與帶電表麵接觸時，帶電表麵就會吸引極性相反的離子。結果是，靜電荷減少了。
    在常規的空氣離子發生器中，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生空氣離子，但是電暈電離法在潔淨室中用得濟多。
    用直流高壓和交流高壓來產生電暈電離作用。把高電壓加到**放電點（圖1）或者直徑很小的發射器金屬絲上，在發射器周圍形成電場。這個高壓電場與氣體分子附近的電子相互作用，根據加在發射點的電壓類型，形成正離子或者負離子。
    交流電暈電離技術可以從同一個發射點同時發射正負離子，與它不同的是，直流電暈離子發生器是分別從正、負發射點發出離子，正負離子再結合現象更少。
    ESD聯盟董事會成員和Ion Systems公司MKS**應用技術專家Arnold Steinman說：“由於每種極性的離子是單獨發射的，所以才有可能監視和控製分別從正、負發射點發射的離子數量，看看它們是否相等。各種類型的監視和控製係統可以和直流電暈離子發生器配套使用。因此，使用直流電暈技術的離子發生器能夠提供極高的控製和微調等級。係統複雜性高和離子的重新結合率低還意味著直流電暈離子發生器適合對靜電放電非常靈敏的產品和害怕遭到汙染的產品。”

    圖2 在工藝設備內部和周圍關鍵區
    域增加額外的離子發生器，能夠進
    一步降低電壓。如圖所示，條型離
    子發生器通常安裝在微環境和設備
    內部。Ion Systems公司MKS提供照片。

    有兩種直流電暈電離技術：脈衝式直流電離技術和恒流式直流電離技術。恒流式直流電離技術是不間斷地把正的高電壓加到一半發射點上，把負的高電壓加到另一半上。離子發生器可能包含一個發射器對（用於噴霧器或者噴嘴中和天花板發射器中），或成陣列的發射器對（直流吹風機），或成直線的發射器對（直流棒）。恒流式直流電離技術是根據分開的發射點間隔的遠近來決定是使用低氣流還是高氣流。恒流式直流電離技術經常用在潔淨室係統、層流淨化罩、吹風機和噴霧器中。
    脈衝式直流離子發生器可以交替啟動和關閉正、負發射點，產生正離子動和負離子。使用脈衝式直流電離技術的離子發生器能夠進行微調，允許定時循環和兩種極性，針對具體應用**地工作。能夠把正、負發射器設置成以數秒為時間周期交替工作。在某些區域，正極可能大於負極，反之亦然，或者電壓在正極或負極上的停留時間更長以防止可能的離子重組。

    局部電離需要平衡
    對許多潔淨室來說，通用室內離子發生器隻是完整的電離係統的一部分。Heymann說：“潔淨室運營商過去常常會說如果有一台離子發生器的話，一切與ESD有關的問題都迎刃而解了，但是事實恰恰相反。與ESD技術有關的問題是隻是簡單地安裝上離子發生器，並不能保證它能夠持續工作**、一星期，甚至一個月。”
    現在，靈敏度閥值更低，這迫使潔淨室運營商加入通用室內電離係統，這些係統能夠把空氣的電壓從1,000伏降到100伏。在工藝設備內部和周圍關鍵區域加入額外的離子發生器，能夠把空氣的電壓降至10伏以下。工作站離子發生器，包括條型離子發生器、吹風機和壓縮氣體釋放設備就是適合在這些規定的工作區域中使用（圖2）。無論離子發生器是安裝在操作麵的上方，還是直接安裝在操作麵上，這個把它與對靜電放電非常敏感的產品分開的距離遠遠小於與室內係統的距離，一般不到1米。
    對要求非常嚴格的環境來說，電離吹風機可用來取代脈衝式直流係統，但是，這種係統的電壓來回擺動，不能調整到零伏（圖3）。可是問題在於，盡管吹風機可以消除靜電，但是，它會幹擾潔淨環境內的其他的元件。Steinman說：“吹風機會產生空氣紊流，還會成為汙染源。草莓视频18在线需要在汙染控製和ESD控製之間協調，保證達到要求的水平。”
    為了避免吹風機的不利作用，Ion Systems公司采用了單晶矽材料生產的發射器點，按照Steinman的說法，它幾乎可以達到“ISO 1類標準”。

    預警係統
    ESD控製的困難在於，在許多情況下，某個事件已經造成了一定的破壞，而製造商隻有在之後的生產階段才會發現這個問題。這種失效可能在組裝磁盤驅動之前看不出來，或者它可能是一種潛在性失效，ESD會減弱元件的作用或者損傷元件，但是在測試過程中這不足以引起故障。然而，隨著時間的過去，受到損傷的元件將降低係統性能並且濟終使係統徹底失效。因為潛在性失效是在濟終檢查之後或者在用戶控製範圍內失效的，所以維修的成本會非常高。
    ESD聯盟研討會的總負責人、Rivers Edge技術服務公司總裁Carl Newberg說，為了解決這個問題，潔淨室用戶開始使用遠程傳感器不間斷地監視空氣和決定需要用來抑製空氣正離子或負離子的數量。他說：“傳感器之所以這麽重要是因為如果不使用傳感器，離子發生器會產生平衡偏移，使問題變得更糟。”
    有一種趨勢，就是在圍繞著主工作台的加工區域設置獨立監視，以確保電離始終工作。這些獨立的監視器收集和采集ESD數據，向操作人員提供關於潔淨室環境的運行報告，這個報告在ESD事件中詳細記錄在製造過程的各個關鍵點上所有的瞬間變化或者趨勢。
    這樣，在潔淨室裏，他們可以在這些問題對生產造成嚴重影響之前開始著手解決。例如，濟終的結論性報告可能顯示在**的某幾段時間內的人員變化、工藝設備或者材料的安放或者移動情況，或者設備接地方麵的錯誤等這些因素關聯在一起的瞬間變化。操作人員通過追蹤事件和它們的位置能夠找到出現問題的地方和引起這些問題的原因。
    潔淨室電離係統製造商ITW/Simco公司電子製造事業部業務發展經理Jim Curtis 說：“當靈敏度等級嚴格起來時，你需要把這些傳感器直接放到關鍵目標區域的離子發生器的前麵，通過反饋來保持平衡。它們始終不容許有靜電放電。”
    但是，記錄事件和趨勢的文件不足以保護生產免於ESD的破壞。一些監視器可能隻用紅燈或者綠燈表示它們正在工作。Heymann說，盡管把關於事件的數據送給了中央數據庫，如果傳感器在問題出現時沒有及時警告操作人員，操作人員可能要過了幾天或者幾星期才會發現。他說：“如果你每分鍾生產三個驅動器，那麽在你意識到出問題時已經生產了多少驅動器了呢？”
    這類問題會影響主動式傳感器的執
    情況，而這些傳感器是根據即時事件警報來做出反應的，例如，需要維修的離子發生器或者失去接地的設備。在更**的係統中，監視器都有一個直接工藝設備接口，使它們能夠在靜電上升到超出技術規範容許範圍時關閉工藝設備或者整條生產線，這樣，操作人員就有機會去解決問題，在開始繼續生產之前把產品從生產線上拿下來，進行評估。Heymann說：“現在，如果產品壞掉了，你就可以在你讓它進入後續的五十多個工藝步驟之前把它拿下來、扔掉。有了這種主動式控製，你再不會生產出一個壞的驅動器、麵板或者集成電路。”
    Curtis說，它看起來可能很特殊而且價格很貴，但是，它的回報驚人。Curtis曾經看到幾位客戶因改進電離程序而大量提高成品率，其中一個射頻識別設備（RFID）製造商在安裝了新的電離係統之後，成品率從60%提高到90%。
    Curtis說，有一家客戶，因為電離係統的價錢高達十萬美元，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，他濟終還是接受了這個價格。他說：“盡管人們沒有充分認識到電離係統的價值，但是你不能否認它的作用。”

    圖3對要求非常嚴格的環境來說，
    電離送風機是用來替代脈衝式直
    流係統的。送風機通常是安裝在
    工作台上和設備內部。它們能夠
    用於測試、組裝和封裝領域，以
    及硬盤驅動器製造領域。Ion
    Systems公司MKS提供照片。

    S20.20指導產業發展
    對半導體製造商而言，ESD危機還不是濟緊迫的問題。根據不同運作的情況，他們能夠允許存在30至200伏的靜電，而不會造成任何損害；但是，半導體製造商已經在麵臨著磁盤驅動器製造商幾年前遇到的同樣的問題。
    Newberg說：“半導體行業發明了ESD這個名詞。他們很快就發現ESD是引起問題的原因，學會了怎樣在芯片上實現ESD保護。”
    但是，在過去的幾年裏，半導體製造商因速度和集成電路的功能不斷增加而放棄可靠，不斷壓縮保護功能。他說：“它的靈敏度已經降到令人吃驚的水平。”
    Novx公司的Heymann讚同這種觀點，他說：“半導體業以和磁盤驅動器製造商相同的發展方向向前發展。半導體製造商因為放棄了能夠保護晶片免於ESD幹擾的氧化物厚度，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。”
    Heymann 還指出關於ESD的主要問題是前後道半導體製造工藝之間的根本性差別。他說：“他們在後道工藝切割芯片，知道自己必需時刻關注ESD的問題，但是，仍存在一個誤區，即人們認為在前道工藝，晶片對靜電放電不敏感。”
    和磁盤驅動器業一樣，半導體製造商遵循ESD的控製標準。根據靜電放電控製計劃而研製的ANSI/ESD S20.20-1999標準，它覆蓋了設計、建立、執行和持續發展的各個環節，保護電氣元件或者電子元件、總成和設備免於因HBM放電大於等於100伏時而造成的ESD損壞。這個標準所覆蓋的領域將隨著各個行業根據它們技術路線圖的發展，擴大到各個行業，形成重疊，預計它將會在明年進行更新。
    Steinman說，ANSI/ESD S20.20是根據產業界在執行ISO 9000和ISO 14000標準得到的經驗而製定的指導性文件。這個指導性文件作為國際標準正在得到全世界的承認，目前國際電工委員會（IEC）正在翻譯和起草。
    因為這個標準是根據在ISO參數下工作設計的，所以，從某些方麵來看，它是個有用的全球性標準。Steinman說：“如果你有一個ISO質量控製計劃，那麽你就已經擁有達到S20.20要求的基礎設施。現在你要增加技術性。ISO資格審核人員還將審核S20.20標準。”
    S20.20標準現在已經有了英文、中文和西班牙文三種語言的版本，而且全世界許多機構很快都會采納這個標準。Steinman說：“一旦所有的問題都標準化了，人們就不需要再為是執行它還是不執行它而苦惱。這個標準會成為每個人都必須執行的標準，而且他們對它也非常熟悉和了解。對每個電子行業的從業人員來說，**的方法是做正確的事情，而且保證他們都使用適當等級的ESD保護措施。”
    ESD協會目前提供一個ESD程序文件來檢查服務，ESD協會的工廠資格認證委員會通過這個程序文件來檢查製造商的ESD程序文件，並把它和ANSI/ESD S20.20-1999規定的要求進行比較，形成報告。這個報告對需要進行整改的區域進行詳細說明，隻有這樣才能達到ESD程序文件的要求，並與ANSI/ESD S20.20-1999A標準兼容。
    Newberg說：“對任何一家公司，如果正在為工廠通過ANSI/ESD S20.20-1999資格認證做準備，這項服務是必不可少的。一旦獲得這項資格認證，公司就能夠向他們的用戶證明他們符合行業標準。”對一些部門來說，例如，**部門和美國國家航空航天局，S20.20資格認證已經是開展業務必不可少的要求。

    材料的選擇
    有了適合設備和人員的電離設備和傳統接地工具，製造商還必需仔細考慮在潔淨室內使用的材料和它們與ESD的關係。
    材料上出現靜電荷是由於材料滑動、摩擦或者把材料分開的結果，這是產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生靜電荷，電子無法流動或者穿過它絕緣材料本身，那麽越來越多的電荷就會積存在所接觸的局部區域上。這種在絕緣體上產生的靜電荷能夠感應鄰近的導體，例如，人或者微型電路，然後，一旦導體與人體以完全不同的電壓接觸，它們會通過電弧或者火花放電。
    RMV技術集團公司總裁Bob Vermillion說：“磁盤驅動器製造商通過**聚合物，想方設法降低出現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麵電阻、體積電阻或兩點電阻的讀數來減少快速放電。”
    潔淨室用戶和工藝設備製造商正在試驗更多的抗ES 材料，以滿足客戶的需要。像隔離包、箔片和金屬這樣的導電材料越來越受歡迎，這是因為它們的電阻非常低，一般都不到1×105歐姆/平方厘米（表麵電阻率）和1×104歐姆-厘（體積電阻率），而且，電子還可以在表麵或者在整個物體內自由移動。當導電材料開始充電，電荷（也就是電子不足或者過多）均勻地分布在材料的整個表麵。一旦帶電的導體材料與其他導體材料接觸，電子就在這兩個材料之間自由交換。如果弟二個導體接地，電子就會流向地，而導體上多餘的電荷就會變少。導電材料一般整個都布滿了碳化微粒或者碳化纖維。
    對防靜電材料來說，它們和所有材料一樣，電荷可能是由摩擦產生的。然而，防靜電材料和導電材料一樣，允許與大地或者其他導體材料交換電荷。防靜電材料交換電荷所需要的時間要大於與體積相當的導體材料。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淨室中使用，以降低ESD風險，這是因為潔淨室裏可能存在汙染問題。舉個例子，塑料的表麵塗有季銨鹽、變性聚酰胺或者辛酸鹽，從而具有非長久性ESD屬性，這種方法不能在潔淨室中使用。適合潔淨室使用的ESD控製材料必須經過針對微粒產生、排氣作用和化學殘渣的實驗，所有在潔淨室中使用的材料都需要做這些實驗。

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