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線路板組裝廠商經(jīng)常要做一些工裝夾具以提高生產(chǎn)效率,但制作時往往過多考慮使用的方便而忽視了靜電防護(hù)問題。工裝夾具的靜電防護(hù)并不僅僅是接地或操作員戴防靜電手帶那么簡單,它還要涉及部件、材料及安裝方式等多個方面。本文以自動組裝設(shè)備為例進(jìn)行說明,介紹了一些設(shè)備裝配中應(yīng)采取的防靜電措施。
Donn G. Bellmore
環(huán)球儀器公司
靜電放電(ESD)多年來一直是印制線路板裝配一個重點(diǎn)研究問題,然而這方面的進(jìn)展目前卻跟不上固體器件和自動化裝配設(shè)備發(fā)展的步伐。傳統(tǒng)的ESD控制不是很完善,如今很多裝配設(shè)備每小時可貼放4,000～20,000個元件,設(shè)計(jì)時如果考慮不當(dāng),自動設(shè)備將會產(chǎn)生大量的靜電而在短時間內(nèi)對多個器件造成損傷。材料、緊固件、安裝方法和可靠接地技術(shù)的選擇對控制ESD影響非常重要,本文將討論ESD是怎么產(chǎn)生的,它的存在所造成的危害,以及在裝配工藝中減少ESD危害的方法。
什么是ESD？
簡言之,ESD就是電荷的快速中和,電子工業(yè)每年花在這上面的費(fèi)用有數(shù)十億美元之多。我們知道所有的物質(zhì)都由原子構(gòu)成,原子中有電子和質(zhì)子。當(dāng)物質(zhì)獲得或失去電子時,它將失去電平衡而變成帶負(fù)電或正電,正電荷或負(fù)電荷在材料表面上積累就會使物體帶上靜電。電荷積累通常因材料互相接觸分離而產(chǎn)生,也可由摩擦引起,稱為摩擦起電。
有許多因素會影響電荷的積累,包括接觸壓力、摩擦系數(shù)和分離速度等。靜電電荷會不斷積累,直到造成電荷產(chǎn)生的作用停止、電荷被泄放或者達(dá)到足夠的強(qiáng)度可以擊穿周圍物質(zhì)為止。電介質(zhì)被擊穿后,靜電電荷會很快得到平衡,這種電荷的快速中和就稱為靜電放電。由于在很小的電阻上快速泄放電壓,泄放電流會很大,可能超過20安培,如果這種放電通過集成電路或其他靜電敏感元件進(jìn)行,這么大的電流將對設(shè)計(jì)為僅導(dǎo)通微安或毫安級電流的電路造成嚴(yán)重?fù)p害。
有多種模型可以用來表述器件如何受到損害,如人體模型(HBM)、機(jī)器模型(MM)、帶電器件模型(CDM)以及電場對器件的影響等。對于自動裝配設(shè)備而言,主要考慮后三種損壞模型(模式),我們在下面分別進(jìn)行討論。
機(jī)器模型/模式 自動裝配設(shè)備使用導(dǎo)軌、傳動帶、滑道、元件運(yùn)送器和其他裝置來移動器件使之按工藝要求的方向運(yùn)動,如果設(shè)備設(shè)計(jì)不當(dāng),傳動帶和運(yùn)送系統(tǒng)上可能會積累大量電荷,這些電荷將在工藝過程中通過器件泄放。設(shè)備部件通過器件放電就稱為機(jī)器模型/模式。
帶電器件模型/模式 如果一個器件因某種原因累積了電荷并與一個帶電少的表面相接觸,電荷就會通過器件上的導(dǎo)電部分泄放。當(dāng)器件向其他材料放電時,就稱為帶電器件模式,用帶電器件模型表示。
電場影響 電場感應(yīng)會在IC阻性線路間產(chǎn)生電位差,引起絕緣體介質(zhì)擊穿。造成失效的另一個原因是器件上的電荷在電場中會被極化,從而產(chǎn)生電位差并向異性電荷放電,形成雙重放電或中和。在ESD控制中使用了具有不同電阻特性的材料,這些材料用在自動裝配設(shè)備中可以獲得理想的效果。描述材料電阻特性通常用表面電阻率或體電阻率。
常見概念及應(yīng)用
表面電阻率 簡單地說表面電阻率就是同一表面上兩電極之間所測得的電阻值,將電極形狀和電阻值結(jié)合在一起通過計(jì)算可得到單位面積的電阻值。現(xiàn)在市面上可以買得到讀數(shù)為單位面積電阻值的測量儀。
體電阻率 體電阻率是通過材料厚度的電阻值,單位是Ω?cm。
導(dǎo)電材料 導(dǎo)電材料指表面電阻率和體電阻率分別小于106Ω和106Ω?cm的材料。
耗散材料 耗散材料指表面電阻率和體電阻率分別小于1012Ω或1012Ω?cm的材料。
防靜電材料 “防靜電”指的是能夠抑制電荷累積,可以在材料制造過程中添加或者局部加入某種物質(zhì)得到這種特性。防靜電材料無需用表面或體電阻率表示。
導(dǎo)電添加劑和薄膜 如果由于成本或者其他設(shè)計(jì)上的原因只能使用塑料材料或復(fù)合材料時,可以使用添加劑改善靜電特性,將添加劑混入塑料材料中,根據(jù)添加劑和樹脂百分比不同可獲得所需的導(dǎo)電性或耗散性。
在樹脂中加入纖維可以使之獲得導(dǎo)電性或耗散性并增強(qiáng)強(qiáng)度,這種纖維可能本身就有導(dǎo)電性或者采用了表面電鍍工藝。雖然添加纖維可得到這些好處,但它也改變了收縮率和韌性。填充劑可以提供導(dǎo)電性和耗散性,增加強(qiáng)度,但常常會降低基體樹脂的硬度。表1是一些常見的導(dǎo)電添加劑。
傳送帶 傳送帶用來輸送元件、PCB和其他器件,材料一般為塑料、纖維制品或橡膠。如果傳送帶要接收從機(jī)器其他部分傳來的器件,那么它應(yīng)該采用耗散性材料。當(dāng)傳動帶表面電阻率為1～106Ω時,它會使帶電器件放電速度太快,對器件造成損害；當(dāng)表面電阻在106～109Ω時,只要傳送帶通過轉(zhuǎn)輪滑輪和機(jī)架良好接地,傳送帶上就不會帶電。
另一個要考慮的問題是傳送帶速度。如果傳送帶運(yùn)動速度太快,器件放到傳送帶上時就可能會滑動(或者器件保持不動而傳送帶繼續(xù)在動),這時就會形成摩擦生電,傳送帶如果接地能使電荷耗散掉,但是器件或PC板仍帶有電荷而會造成危害。
導(dǎo)向裝置和導(dǎo)軌 導(dǎo)向裝置和導(dǎo)軌用來提供通道或者使器件放于一個固定的位置或保持一定的方向性,采用的材料應(yīng)能使電荷耗散掉并且防止器件摩擦生電。表面電阻率為106Ω的材料具有良好耗散性而且不會損傷器件,如果送入的器件處于無靜電狀態(tài),也可以使用導(dǎo)電性材料(表面電阻率低于106Ω)。
其它考慮因素
不要使用經(jīng)過陽極氧化處理的鋁,因?yàn)殛枠O氧化層是絕緣的,會使器件摩擦起電的情況變得非常嚴(yán)重,非電解鎳、氮化鈦或者鍍鋅件都能防止器件摩擦起電。導(dǎo)向裝置和導(dǎo)軌應(yīng)使IC保持一定的方向,舉例來說,假如IC引線向上放在傳送帶上,此時它會積累一些電荷,如果在下一道工序中再將它反過來,位置的變動將改變器件的電容量,要是電荷量足夠大,電容變化就會引起器件放電。
用塑料和其他合成物做成的托盤表面電阻率應(yīng)小于109Ω或體電阻率小于109Ω?cm,這樣產(chǎn)生的電荷將會耗散掉,只要平臺或壓板部件接地良好就能防止電荷積聚。如果帶電器件落到導(dǎo)電的表面、在其上滑動或是就放在上面,帶電器件都會向該表面泄放電荷,這也是帶電器件失效模式的一種情況。
當(dāng)機(jī)器蓋板比較接近線路板或元件時(小于60cm),也應(yīng)使用耗散性材料。如果是塑料透明蓋板,則使用耗散性透明材料,如果是噴漆蓋板則應(yīng)用導(dǎo)電或耗散性油漆,防止因摩擦生電而形成強(qiáng)電場。
器件夾和吸嘴應(yīng)用耗散材料制造(表面電阻率在106～109Ω之間)并且接地良好,否則會形成帶電器件模式或機(jī)器失效模式。
在有些要求電壓電平低于50V的場合,組件所用材料的表面電阻率應(yīng)小于106Ω,大于103Ω,但是進(jìn)入生產(chǎn)線的器件不能帶有很高的電荷,否則會受到損害。
黑色氧化和陽極氧化之類的覆層會使金屬表面成為絕緣體,而鍍鋅層和非電解鉻酸鎳則使表面電阻率呈現(xiàn)很好的導(dǎo)電性,并且還有抗腐蝕和裝飾性作用。
在運(yùn)送ESD敏感器件時,自然狀態(tài)下的酚醛、迭爾林(黑色或白色)、尼龍、Ultem和UHMW材料不能用作通路、導(dǎo)軌或者傳動帶軌道。表2簡單列出了一些與器件很接近時不能使用的高電阻率覆層和可以使用的低電阻率覆層。
設(shè)備接地
累積的電荷必須通過接地使之泄放掉。導(dǎo)體在隔離狀況下會累積電荷,導(dǎo)電的傳動帶如果沒有良好的接地通路使電荷耗散,電荷也會累積起來,此外如果鉸鏈接地不好使用耗散材料的塑料蓋板也會積累電荷。
導(dǎo)電或耗散材料制作的傳動帶可以通過直接接地的滾輪、惰輪和導(dǎo)向器接地。要著重說明的是,對于表面電阻率低而體電阻率高的傳送帶,它的兩個表面都需要接地；而如果傳送帶體電阻率很低就只需一個表面接地,此時它的兩個表面都能夠向地泄放電荷。
機(jī)械組件的配接面應(yīng)該本身就能導(dǎo)電或者有電鍍層,如果設(shè)計(jì)不允許用導(dǎo)電覆層,則配接雙方都應(yīng)該安裝編織的接地帶。在將選配件等組件安裝到機(jī)器主體上時,接地對于整個機(jī)器保持等電勢至關(guān)重要,如果機(jī)器主機(jī)架不能使用機(jī)械連接接地,可以使用編織接地帶。
安全地線不能用來替代接地帶,編織接地帶具有更大的表面積,允許較大的電荷耗散,并且編織形狀還能減弱電場。
滾珠導(dǎo)軌和一些滾珠軸承可能會起到隔離的作用,因而需要用接地帶提供接地連接。另外鉸鏈會因受到腐蝕而變成隔離體,或者成為對地通路上的一個大電阻,因此用鉸鏈連接在機(jī)架上的耗散材料蓋板也需要用編織接地帶繞過鉸鏈接地。
安裝方式
如果把軸承壓入一個經(jīng)陽極氧化處理的孔中,接地不會很好,孔的表面應(yīng)是裸金屬或者是碎的陽極氧化覆層。干凈的滾柱軸承或橫向滾柱滑道在較少負(fù)載情況下,即使使用輕潤滑劑也能提供良好接地。接近器件通路的噴漆或陽極氧化面板應(yīng)使用星形內(nèi)齒墊圈和鍍鋅螺釘,以提供面板間的導(dǎo)通性。
塑料蓋板裝在機(jī)架上時一般兩者之間都有橡膠襯墊,裝上時襯墊會受到一點(diǎn)壓縮。如果使用耗散材料塑料蓋板,則需要將其與機(jī)架連通,可以使用耗散橡膠襯墊或鍍鋅螺釘、接地條、銅夾等將塑料面板與機(jī)架相連。
