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在洁净室中防止静电
发布时间:2020-08-10 09:44浏览次数:

不可避免会产生静电荷,并且永远消除不了静电荷,但是您可以通过遵循三个基本步骤来大程度地减少静电荷。

静电放电(ESD)及其后代的静电吸引力(ESA)和电磁干扰(EMI)都会污染医疗设备,药物和电子产品。ESD会汽化半导体上的金属线,融化硅并导致设备故障。损坏口罩,标线​​,晶片和磁盘驱动器磁头;在平板显示器上造成随机缺陷;并导致设备故障。

尽管意识可能正在提高,但专家声称,如何与之作斗争的知识仍然有限。静电放电协会说,“静电被认为是令人讨厌的事情”。“尽管静电可能是导致问题的原因,但是人们还有其他基本问题,例如处理最终产品的产量。”

摩托罗拉半导体产品部门(亚利桑那州钱德勒)的高级测试设备和认证的静电放电控制工程师史蒂夫·诺塞克说:“许多人仍在否认。” “他们认为,ESD并不是他们所在地区的问题。” 然而,很少有行业能幸免于静电的影响。如果没有激烈的静电控制措施,就不会有某些产品,例如磁盘驱动器行业,其中磁阻(MR)磁头对5伏特的电压敏感。面对这样的问题-由几乎看不见且感觉不到的力量导致-静态控制程序是防止损失的基本保险单。

静电,ESD和EMI

当两个表面相互接触或摩擦时,会产生静电荷。不受环境条件的影响,例如暴露于光,热和冷却;以及某些移动过程,例如旋转,涂层和等离子过程。简单的人体运动也会产生电荷。

静止时,静电荷会带来潜在的污染问题。一旦表面带电,它将吸引并保持空气中带有相反电荷的小颗粒。离子系统公司(加利福尼亚州伯克利)的首席技术官说:“即使在最严格的洁净室中,静电荷也会从人员,过程和设备中吸引微粒。”

当存储在一个表面上的静电荷转移到另一个表面时,会导致ESD事件。由于大多数ESD事件用肉眼无法识别,因此洁净室工作人员并不知道正在发生ESD。结果造成的产品损坏迅速而无形地发生。

此外,ESD事件会产生EMI。尽管大多数设备的设计允许一定量的EMI,但如果超过这些限制,EMI可能会导致设备错误。斯坦曼说:“在最佳情况下,设备将停止运行,并由无尘室工人重新启动。但在最坏的情况下,机器可能会犯下代价高昂的错误,例如掉落晶圆。”

斯文森说,尽管如今我们检测,测量和监视静电的能力比几年前要好,但“静电的影响也越来越严重,因为材料和零件的复杂性越来越高。” 随着无尘室使用者转向较小的土工房,较低的湿度水平,更快的包装技术以及更多地使用绝缘材料,静电损坏的可能性大大增加。Swenson补充说:“如果静态现象很少发生,则可能会导致几年前未曾出现的问题。”

分步解决问题

洁净室用户可以通过三个步骤控制静电:实施适当的接地;尽可能更换绝缘材料;并在有意义的地方安装电离技术。(在某些地理区域,湿度低(低于大多数无尘室的40%至50%的相对湿度)也会引起静电问题。在这些情况下,调整湿度可以解决问题。)这些基本步骤适用于无尘室在任何行业中,尽管每种洁净室设置都有其独特的接地,材料和电离要求。

每个步骤必须按顺序进行。例如,如果不能通过正确的接地解决问题,则必须检查并更换材料。如果这些步骤不能解决静电问题,则电离技术是最后也是最后的解决方案。“您采用的每种方法都可以解决一部分问题,” Steinman说。

Steinman建议,在执行这些步骤之前,洁净室管理人员应首先进行静态审核,以验证是否存在静电电荷,并且可能是造成问题的原因。审核涉及将静电场计和EMI定位器仪器带入无尘室,以检测静电荷并拾取由ESD事件产生的信号。

当认为静电会降低产品质量或造成损失时,用户应尝试确定出现缺陷和损失的点。例如,NRD Inc.(纽约州格兰德岛)的产品经理Chris Janson说,“着眼于产品从进入到退出的路径。产品在什么时候容易受到可能导致损坏的污染或ESD事件的影响?通过执行这些步骤,收益将提高。”

斯文森说,一旦发现静电是一个问题,“首要的首要任务就是为设施中可能包括人员在内的所有导电材料提供足够的电气接地。” “这就是ESD保护的标志-尽一切可能接地。” 接地为静电提供了安全释放的途径,在许多情况下,适当的接地解决了大部分问题。

人员接地。里士满科技公司副总裁埃德·韦格兰德说,第一道防线是让地面人员前进。他说,如果做得好,接地将消除人体上积累的静电荷。

工作站的人员可以通过导电腕带接地。洁净室使用者应避免穿布,并选择金属的,无颗粒的腕带。但是,腕带无法保护在工作站外移动的人员。移动用户应将导电的脚跟接地器或鞋类与导电地板一起使用。

腕带和鞋类都必须通过导电的行走表面或地板插入接地连接和鞋类中,以将腕带接地。如果衣服是可接地的,则必须将其连接到人的皮肤上,以使所有电荷首先释放到皮肤上,然后再通过导电的鞋类和地板释放,然后安全地释放到地面。

导电地板。导电鞋和导电地板齐头并进。根据Weggeland的说法,“许多人错误地认为,如果将导电鞋穿在人身上(没有导电地板),就会解决该问题。他们忘记考虑实际上可以将电荷带走的车辆。” 同样,没有绝缘靴的导电地板同样无效。

由于翻新接地地板既困难又昂贵,因此设施所有者在计划新建筑时应包括一个地面。斯文森说:“在新设施上,安装适当的ESD控制地板不会明显增加建筑成本。” “另一方面,如果无尘室的地板绝缘,而ESD成为问题,则可以选择翻新导电地板或将整个区域电离。

家具和手推车。椅子,手推车和带滚轮的架子会产生静电。“许多用户错误地认为椅子,手推车或架子上的黑色轮子具有导电性,” Weggeland说。“我建议即使是设计成防静电的推车或椅子也需要通过使用拖链接地到导电地板。这在我心目中是确定的。它为视觉上验证家具和导电地板之间的连接提供了机会。”

拖链是导电的金属链,它们钩在手推车或椅子的金属部分上,然后与导电地板接触。Weggeland建议为每个椅子,手推车和架子使用拖链。

设备。由于它们不断与其他零件接触并与其他零件分开,因此自动搬运和机器人设备是严重的静电威胁。用户应确保所有设备均已正确接地。

在许多情况下,设备部件由无法接地的绝缘材料制成。“如果一台机器是金属和塑料的组合,请通过接地处理金属,并通过将其从绝缘材料更改为静电消散材料或安装电离来处理塑料,” Weggeland建议。

大多数制造商都证明其接地产品符合ESD协会标准,但是最终用户有责任确保他们在产品中指定的是所得到的。ESD协会已开发出标准测试方法来评估腕带,鞋类,地板,衣服和其他静电控制产品。ESD协会也提供建议的接地做法。

更换绝缘材料

接地解决了与人和不接地的导电材料相关的充电问题,但并不能解决无尘室中由绝缘材料引起的问题。绝缘材料实际上会产生静电荷,在某些情况下会产生大量电荷。用户应尽可能使用导电或静电消散材料代替绝缘材料。

“塑料和聚合材料经常是罪魁祸首,” Texwipe公司(新泽西州上萨德尔河)的污染控制总监道格拉斯·库珀博士说。这些包括洁净室中两种最常见的塑料来源,聚丙烯和聚乙烯,以及诸如福米卡和玻璃的层压板。

可疑绝缘子是服装,包括服装,鞋子,手套和头饰;雨刷和棉签;任何类型的容器,例如托盘,手提袋,垃圾箱和运载工具;掌柜 文件资料;和包装材料。

例如,虽然湿擦应用程序不会造成问题,但使用非静电耗散的擦拭器进行干擦会产生局部电荷。将晶圆堆放到料箱中的搬运箱会产生大量的静电荷。手套也经常是绝缘体,即使许多服装可能包含一些ESD控制元素,实际上它们也可以作为绝缘体进行测试。

“我们主要是在谈论工作站上的物品或工作站上使用的物品,” Texwipe的营销总监Rob Linke说。“为真正安全起见,在工作站附近根本不需要任何绝缘材料。” 这包括用于运输零件的托盘,用于清洁敏感零件的棉签以及接触零件的镊子。Linke说:“实际上,与产品直接接触的所有材料都可以使用ESD安全型产品。”

确定可疑的绝缘子。产品故障当然是ESD可能成为问题的第一个信号。跟踪ESD事件失败的传统方法是使用大功率显微镜对损坏的零件进行物理检查,以查看是否有凹陷,凹陷或熔化区域。但是,一旦确定ESD为罪魁祸首,确定要替换的材料就需要成为一名侦探。

库珀说:“您不会取代一切。” “您需要查看产品采用的路径,并查看该路径首先发现静电释放造成的损坏。询问产品在生产初期可能与哪些罪魁祸首接触。”

替代材料。导电和静电耗散材料可以使静电安全地释放。导电剂通常是金属,由于它们允许电荷快速转移,因此当您需要快速将电荷带离某个区域时,最好使用它们。但是,这种绝对速度有时也会产生ESD事件,因此最好在没有损坏产品机会的区域中使用导电材料。

优选的替代材料是介于导电和绝缘材料之间的某种材料。库珀说:“这些被称为静电耗散,它们允许电荷以中等速率消耗掉-不太快,也不太慢。” 静电消散替代品包括嵌入导体(例如金属或碳)的材料,具有局部和起霜的抗静电剂的材料,以及固有消散的聚合物合金。

替代材料的选择将取决于操作本身以及洁净室的污染要求。库珀说:“在大多数情况下,添加到材料中以产生一定导电性的材料也可能会变松并成为污染物。” 例如,喷涂或擦拭到表面上的局部抗静电剂,以及混合到塑料中然后在表面上起霜的抗静电剂,可能会从表面转移出来。并且,尽管无尘室容器通常使用碳和金属负载的塑料,但许多用户开始担心潜在的污染风险。

Linke说,从污染和ESD的角度来看,塑料合金被认为是最安全的替代品。合金是固有的能消散电荷的专有材料,但是由于它们只能从全球的三四个制造商处获得,因此它们也往往是更昂贵的解决方案。尽管许多无尘室用户正在使用新合金,但其他人仍在继续使用并喜欢其他替代方法。Linke说:“有时您不得不做出某种选择。” “没有一种奇迹材料可以解决每个人的问题。”

选择替代品。选择替代材料时,健康的怀疑态度会有所帮助。由于某些标有静电耗散的材料的性能不如广告中所述,因此请使用已知的测试方法进行自己的测试,以验证该材料是否符合您的规格。“执行经过验证的测试非常重要。这并不难,但是很多人都跳过了这一步。”林克说。评估材料最一致的方法是测试表面电阻率和体积电阻率,如ESD协会的测试方法所述。

如果无法更换。在某些无尘室中,无法避免使用绝缘材料,尤其是当产品本身是绝缘体时。例如,“平板显示器,基本上是一块大玻璃,对于静态控制来说是最糟糕的,”斯坦曼说。许多医疗设备和药物以及氧化物涂层的硅半导体和某些磁盘驱动器组件也属于此类。

组件越来越大的趋势将加剧该问题。斯坦曼说:“华夫饼的直径将达到300毫米,五年之内,一块玻璃面板将达到一米一米的高度,这是一块带有所有绝缘材料的大芯片,您无法将它们接地。 ” 由于这些材料无法替代,因此下一个解决方案是使用电离技术,这是一种与洁净室兼容的方法,用于控制绝缘子上的静电荷。

电离设备

电离技术通过使空气(通常是出色的绝缘体)具有导电性而起作用。电离产生大量的正负空气离子,它们被吸引到位于产品,设备部件或材料表面的相反极性的电荷。它有效地中和了绝缘材料表面上的电荷,消散了现有的电荷并限制了电荷产生的可能性。

各种离子发生器。有两种电离器-电和放射性。电离器通过增强高压发射器引脚上的电场来生成空气离子。能量使电子与空气分子的原子核分离。通常被称为“电晕电离”,它有三种类型:交流电(AC),稳态直流电(DC)和脉冲直流电。

AC向一个或多个发射器施加高压,每个发射器在电源线频率上在正极性和负极性之间交替。SIMCO(宾夕法尼亚州哈特菲尔德)销售经理Jim Curtis表示,AC通常用于一般工业应用,但也用于小型环境或层流工作台。稳态DC至少有两个发射器,它们不断产生正离子和负离子。稳态DC用于小型环境和某些整个房间的系统。脉冲直流是最常用于无尘室的类型,具有一对或多对独立的交替正负发射器。

放射性离子发生器使用同位素po通过α粒子的高速发射产生离子。通常称为“阿尔法能量”,它在原子水平上实现电离,从而产生大量的电离空气。

相较于电晕,α能量电离器的一个主要优势在于,它们始终产生相等数量的正离子和负离子,从而提供了内在平衡的输出。而且,由于α能量电离器不需要电力,因此它们也可以很容易地安装在手套箱,设备或小型环境以及潜在爆炸性环境中。

但是,主要缺点是该技术在美国受核监管委员会监管。由于电离器依赖于放射性同位素,因此必须每13个月检查一次电离器,以确保将totally完全密封。这意味着用户必须每年跟踪序列号并返回新的单位。这种负担限制了该技术的采用,尽管从半导体到医疗设备的各种洁净室行业都在使用它。NRD是美国唯一一家生产α能量电离器的公司。

实施:整个房间vs.使用点。电离技术可用于控制整个房间,工作站或小型环境的静电。(由于技术的本质,α能量仅适用于使用点应用,而电晕可以同时用于两种应用。)但是,根据Swenson所说,“整个房间的电离往往对于去除微粒更为有用。空气,尽管它无法在工作台上处理ESD。然后,您必须使用使用点电离。”

例如,如Steinman所述,在某些过程中,用户可以查明可能存在静电的地方,例如MR磁头行业,磁头可能会受到ESD损坏,或者在操作产品的工作台上。“在这些情况下,悬挂在天花板上的整个房间的发射器距离问题太远了,不能以如此快的速度工作。”

Steinman说,但是在半导体和平板显示器行业中,通常很难找到问题所在。尤其是在容易受到ESD损坏的光罩的光刻领域,电离应广泛应用,并将其安装在天花板上和设备本身内部。Steinman说:“在ESD后果可能非常严重的地区,应尽可能多地覆盖。”

产品配置。电离器有多种产品配置。例如,整个房间的条形离子发生器依靠HEPA和ULPA过滤器气流将离子向下送入房间。在大多数小型环境中,棒安装在过滤单元的正下方,因此气流将离子带到目标区域。条形图通常放置在机器人处理程序和输入/输出端口上。

其他配置也可以使用其自己的空气输送系统,例如高架或带马达驱动风扇的台式机,以控制工作站或工作台的充气。手持式设备用于去除表面污染或干燥设备。但是,在10级和1级洁净室中不使用吹风机离子发生器,因为电动机和风扇的旋转可能会导致颗粒污染。在这些环境中,应在工作站上安装直板型离子发生器。其他产品包括可用于电离棒可能太大的小型环境的喷嘴,以及类似于鼓风机类型但没有活动部件的空气环。

SIMCO的Curtis表示,尽管许多设备制造商也提供电离作为选项,但“仍处于接受阶段,交付的电离机器比电离的机器还多。”

最终,尽管可以将静电荷污染降到最低,但这是自然发生的物理现象,永远不会消除。但是,通过实施基于接地的严格控制程序,更换绝缘材料并安装电离装置,无尘室用户最终可以赢得对抗这种破坏性力量的战争。

受控环境中的地板,家具,设备和人员都可能是ESD事件的产生者。

如果无法接地,则可以使用电离设备控制整个房间或使用点应用中的静电。

为了帮助消除人体上的静电电荷,工作站的人员可以通过防静电腕带接地。

简单的人员移动会在洁净室中产生电荷,从而导致产品快速而无形地损坏。

洁净室的ESD指南将于`99中发布

静电放电协会洁净室和清洁制造工作组主席汤姆·阿尔巴诺(Tom Albano)表示,静电放电协会将不迟于明年发布控制洁净室静电放电(ESD)的准则。该准则将重点设计考虑到ESD和静电吸引(ESA)的无尘室设施,并确定可用于静态控制程序的设备和过程,以弥合ESD和无尘室技术之间的差距。

正如ESD协会主席David E. Swenson所观察到的那样,问题很复杂。“存在很多物质困难。在很多情况下,有些零件是相互排斥的,由于无尘室的问题,您无法解决ESD问题。” 例如,由于颗粒问题,某些典型的ESD材料和设备无法在洁净室中使用,并且某些洁净室应用不允许产生离子。Swenson说:“如果您不担心微粒,放气等问题,您可以做一些好事。无尘室的要求在很大程度上改变了ESD的游戏规则。”

ESD协会的文件将超越其他已发布的有关ESD问题的洁净室指南,但“远远不够”,Albano说。工作组将指出“存在问题的地方以及预防或设计这些问题的方法”。该准则的草案将在1998年10月6日至8日在内华达州里诺举行的协会专题讨论会上进行审查。

此外,ESD协会已批准发布和发布五项基础更广泛的新标准文件,这些文件涵盖了基本制造过程中产生的静电放电和电气过应力。新文档中的三个是完整的标准测试方法。第四是标准测试方法草案;第五是标准实践草案。

完整的标准测试方法涵盖服装,座椅和工作表面。ESD STM2.1 –服装提供了一种测量静电控制服装电阻的测试方法。ESD STM 12.1 –座椅电阻特性设计用于测量静态控制座椅的电阻。ESD STM 4.1(修订版)– ESD保护工作表面的电阻特性更新了1990年以前发布的标准,提供了测量静电控制工作表面的电气电阻的测试方法。新版本为工作表面材料建立了对接地点的建议电阻,建议为1×109欧姆,对接地点的最小电阻为1×106欧姆。更改了最大电阻,以帮助确保来自测试对象的与表面接触的给定电荷将在不到一秒钟的时间内消散。添加了最小电阻,以帮助防止由于放电而导致的器件损坏,因为放电会通过导电性更高的工作面迅速消散。

草案ESD DSTM 13.0 –焊接/拆焊工具提供了测试方法,用于测量电焊和拆焊手动工具上与电气过应力相关的参数。制定文件草案供协会标准委员会和董事会审查和批准。草案必须作为完整的标准文件发布之前,必须完成行业评论和审查阶段。

最终文件ESD SP 3.3-空气电离器的定期验证是一种标准实践,提供了一种测量技术,用于以设定的间隔确定实际使用位置中的电离器的离子平衡和电荷中和时间。— SG

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