Cân nhắc Kỹ thuật để Kiểm soát ESD (Băng) trong Sản xuất Điện tử

Việc nắm vững kiểm soát ESD luôn là yếu tố quan trọng để đạt được năng suất sản xuất cao và nó sẽ còn trở nên quan trọng hơn trong vài năm tới.Trong khi ngành công nghiệp có hiểu biết vững chắc về an toàn ESD trong các hoạt động thủ công liên quan đến nhân viên, thì vẫn có khả năng cải tiến trong các ứng dụng tự động.Để có hiệu quả, các chương trình điều khiển ESD phải đảm bảo rằng thiết bị xử lý tự động có khả năng xử lý các thiết bị có độ nhạy cao của ngày mai.

Chi phí của ESD

ESD tác động đến năng suất và độ tin cậy của sản phẩm trong hầu hết mọi khía cạnh của môi trường điện tử.Bất chấp những nỗ lực đã được thực hiện trong thập kỷ qua, ESD vẫn tiêu tốn của ngành công nghiệp điện tử hàng tỷ đô la mỗi năm.Các chuyên gia trong ngành cho rằng ước tính có khoảng 8 đến 33% tổng số sản phẩm bị tổn thất do ESD.Bản thân chi phí của các thiết bị này dao động từ vài xu cho một diode đơn giản đến vài trăm đô la cho các diode phức tạp.Tuy nhiên, thiệt hại ESD ảnh hưởng nhiều hơn đến việc mất thiết bị.Nó ảnh hưởng đến năng suất sản xuất, chi phí sản xuất, chất lượng và độ tin cậy của sản phẩm, mối quan hệ với khách hàng và cuối cùng là lợi nhuận.

Đối với các phương tiện tự động hiện nay, các phương pháp kiểm soát ESD thông thường phải được kiểm tra lại và áp dụng các phương pháp mới.Thiết bị lắp ráp tự động có khả năng gia công 4.000 đến 20.000 linh kiện một giờ.Ở những tốc độ này, thiết bị được thiết kế kém cho phép sạc thiết bị có thể làm hỏng một lượng lớn linh kiện trong một khoảng thời gian rất ngắn.Có lẽ còn quan trọng hơn, một sự kiện ESD có thể làm hỏng thiết bị tự động.

ESD tạo ra một lượng đáng kể nhiễu điện từ (EMI).EMI sinh ra từ sự kiện ESD thường đủ mạnh để làm gián đoạn hoạt động của thiết bị sản xuất.Thiết bị được điều khiển bởi bộ vi xử lý đặc biệt dễ bị hư hỏng vì chúng hoạt động trong cùng dải tần số với EMI từ các sự kiện ESD.Thường bị nhầm với lỗi phần mềm hoặc trục trặc trong hệ thống, EMI có thể gây ra nhiều sự cố vận hành thiết bị, chẳng hạn như ngừng hoạt động, lỗi phần mềm, kiểm tra và hiệu chuẩn không chính xác cũng như xử lý sai.Tất cả đều có thể gây ra thiệt hại đáng kể cho thành phần vật chất và ảnh hưởng đến năng suất sản xuất.Ảnh hưởng của EMI có xu hướng ngẫu nhiên về bản chất và có thể ảnh hưởng đến thiết bị trong phòng, nhưng hãy để nguyên thiết bị nơi xảy ra sự kiện ESD.Điều này có thể làm cho vị trí của sự kiện ESD khó xác định.

ESD là gì?

ESD, nói một cách đơn giản, là sự truyền nhanh điện tích giữa hai vật thể.ESD xảy ra khi hai đối tượng có điện thế khác nhau tiếp xúc trực tiếp với nhau.Sự tích điện là kết quả khi bề mặt của một vật nhận được các electron để trở nên tích điện âm và một vật khác mất electron khỏi bề mặt của nó để trở nên tích điện dương.Quá trình tích điện ba điện xảy ra khi sự truyền electron từ hai vật thể tiếp xúc với nhau rồi tách ra.Một trong ba sự kiện thường là nguyên nhân gây ra hư hỏng ESD cho thiết bị: phóng tĩnh điện trực tiếp vào thiết bị;phóng tĩnh điện từ thiết bị;hoặc phóng điện trường gây ra.Có một số mô hình được sử dụng để mô tả cách các thiết bị bị hư hỏng - Mô hình cơ thể người (HBM), Mô hình máy (MM), Mô hình thiết bị sạc (CDM) và ảnh hưởng của điện trường lên thiết bị.Trong một cơ sở lắp ráp tự động, ba mô hình hoặc chế độ cuối cùng là nguyên nhân lớn nhất cần quan tâm.

Thiệt hại MM là những gì xảy ra khi một thành phần máy phóng điện qua một thiết bị.Thiết bị lắp ráp tự động sử dụng nhiều phương pháp như băng tải để di chuyển và hướng dẫn các thiết bị thông qua quá trình lắp ráp.Thiết kế thiết bị kém có thể khiến hệ thống xử lý tích tụ điện tích đáng kể mà cuối cùng sẽ phóng qua thiết bị.

Thiệt hại CDM xảy ra khi thiết bị phóng điện sang vật liệu khác.Khi điện tích tích tụ trong thiết bị, nó sẽ tiêu tán qua vật dẫn điện trên thiết bị khi thiết bị được đặt tiếp xúc với bề mặt có điện tích nhỏ hơn.

Ảnh hưởng của Trường điện (E-Fields), hoặc không gian xung quanh điện tích, có thể khiến thiết bị tích điện bị phân cực.Sự phân cực tạo ra sự khác biệt về điện thế, có thể khiến thiết bị phóng điện trái dấu, gây ra hai sự kiện phóng điện hoặc cân bằng.

Xác định ESD

Trong khi rất nhiều sự chú ý được dành cho việc ngăn ngừa ESD do HBM gây ra, các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng ít hơn 0,10% của tất cả các thiệt hại được ghi nhận thực sự là do nhân viên không có xung quanh chạm vào các sản phẩm nhạy cảm với ESD (ESDS).

Các nghiên cứu kết luận rằng 99,9% thiệt hại ESD bắt nguồn từ các mô hình khác, cụ thể là CDM.

Điều khiển ESD nhúng vào máy móc là điều cần thiết nhưng có vấn đề.Để kiểm soát hiệu quả sự tích tụ tĩnh, cả hai sự kiện MM và CDM ESD phải được ngăn chặn.Bước đầu tiên trong việc phát triển chương trình kiểm soát ESD là xác định chính xác vị trí xảy ra hoặc có khả năng xảy ra các sự kiện ESD.Một nơi tốt để bắt đầu là đặt hai câu hỏi chính: thứ nhất, thiết bị có được nối đất đúng cách không;và thứ hai, nó có xử lý các thiết bị theo cách mà chúng không tạo ra điện tích tĩnh trên mức có thể chấp nhận được không?Để được chuẩn bị đầy đủ cho việc xử lý các thiết bị trong tương lai, thiết bị phải có khả năng xử lý các thành phần có dung sai ESD nhỏ nhất là 50 V. Sau đây là danh sách các khu vực có giấy tờ được biết để sạc thiết bị, tăng khả năng xảy ra

Sự kiện CDM ESD

Bộ xử lý IC.Các IC thường trở nên tích điện cao khi chúng đi qua thiết bị và sau đó được phóng điện như một phần của hoạt động bình thường.Theo các nghiên cứu gần đây, các bộ xử lý vi mạch đã gây ra tổn thất năng suất đáng kể do CDM.

Các thành phần băng và cuộn.Các vấn đề đã được ghi nhận với các linh kiện đang sạc khi chúng đang ở trong cuộn.

Gói Gel.Nếu không áp dụng các phương pháp kiểm soát ESD thích hợp, các chip IC có thể bị tích điện cao khi chúng được nhấc ra khỏi lớp lót dưới dính và sau đó được xả ngay lập tức bằng cách tháo chúng ra.

PCB được gắn trong bảng nhựa.Các tấm nhựa thường được sử dụng làm nhà chứa PCB thường xuyên có thể sạc đến mức rất cao khi được xử lý, sau đó tự sạc PCB.Sau đó, các cụm được xả ra trong quá trình vận hành bình thường của người vận hành.

Kiểm tra ổ cắm.Hoạt động bình thường có thể làm cho ổ cắm thử nghiệm sạc và sau đó phóng điện vào các thiết bị.

Vỏ nhựa trên ổ cắm thử nghiệm.Các trường từ các nắp nhựa lớn cần thiết để che chắn cho người vận hành trong các thử nghiệm điện áp cao thường đủ mạnh để làm hỏng các thiết bị được thử nghiệm.

Ngăn ngừa tích tụ ESD

Để ngăn ngừa hoặc giảm thiệt hại MM, điều quan trọng là thiết bị phải được nối đất đúng cách khi đang chuyển động.Tất cả các bộ phận của thiết bị tiếp xúc với các thiết bị nhạy cảm với tĩnh điện phải có đường tiếp đất đủ để tiêu tán điện tích tích tụ.Việc nối đất thích hợp cho các bề mặt dẫn điện và tiêu tán ngăn cản sự tích tụ điện tích tĩnh trên các bộ phận của máy và loại bỏ chúng như một nguồn gây ra các sự kiện ESD tạo điện tích.

Tuy nhiên, chỉ nối đất sẽ không ngăn được tất cả các sự kiện CDM ESD xảy ra.Sạc linh kiện là một vấn đề khó giải quyết hơn nhiều, chủ yếu vì hầu hết các linh kiện điện tử đều có chất cách điện như một phần thiết kế của chúng.Vật liệu cách điện tích tụ điện tích một cách tự nhiên và việc nối đất cho vật liệu không làm mất đi hoặc giảm bớt điện tích tĩnh.Khi không thể loại bỏ hoặc tránh được điện tích, ion hóa không khí thường là phương pháp hiệu quả nhất để trung hòa điện tích trên vật cách điện hoặc vật dẫn cách ly.Trong trường hợp thiết bị tự động, bộ ion hóa không khí có thể được gắn bên trong các buồng xử lý.Tạo môi trường nhỏ bằng cách bao quanh các máy cụ thể và gắn các thiết bị ion hóa bên trong là một lựa chọn khác.

Công cụ đo lường ESD

Khi các biện pháp đối phó với ESD đã có, điều quan trọng là phải xác minh rằng chúng đang hoạt động bình thường.Việc giám sát quá trình liên tục được khuyến nghị qua các đợt đánh giá định kỳ chương trình ESD vì các biện pháp đối phó của ESD thường sẽ thất bại.Vì lý do này, nếu và khi xảy ra lỗi, nó phải được xác định càng sớm càng tốt để ngăn chặn thiệt hại ESD.

Một số phương pháp thử nghiệm tồn tại để xác nhận tính toàn vẹn của đường nối đất tới các bộ phận của thiết bị và đo xem máy có đang sạc thiết bị hay không.Khi chọn các thiết bị đo tốt nhất, hãy xem xét mức sạc an toàn cần đo và chọn một thiết bị có thể đo trong phạm vi đó.Lưu ý kích thước của vùng cần đo và khoảng cách có cố định giữa bề mặt của vật cần đo và dụng cụ hay không.

Việc xác định và đo lường điện tích tĩnh bên trong thiết bị tự động đưa ra những thách thức cụ thể.Vấn đề với hầu hết các phương pháp thông thường là chúng không đặc biệt phù hợp với thiết bị tự động.Hầu hết yêu cầu tiếp xúc trực tiếp với vật thể tích điện hoặc yêu cầu tháo thiết bị ra khỏi vật thể, do đó cần phải mang thiết bị ngoại tuyến để thực hiện thử nghiệm.Để tránh mất thời gian sản xuất, các giải pháp thay thế là cần thiết để đo điện tích bên trong thiết bị.

Để đo điện tích tĩnh mà không làm gián đoạn hoạt động của thiết bị, các nhà lắp ráp có thể gắn cảm biến hoặc đầu dò bên trong thiết bị hoặc gắn thiết bị phát hiện sự kiện tĩnh (SED) trên chính thiết bị.Hai tùy chọn để gắn các dụng cụ bên trong thiết bị bao gồm cảm biến tĩnh và vôn kế tĩnh điện đặc biệt và thiết bị đo trường tĩnh điện với đầu dò nhỏ.Cảm biến tĩnh kết hợp mạch trở kháng đầu vào rất cao và có thể được gắn bên trong thiết bị tự động.Điều này cho phép họ đo trường được tạo ra bởi một phần tích điện khi nó di chuyển trong quá trình.Tốt nhất, cảm biến nên được gắn càng gần bộ phận càng tốt.Vì nó không yêu cầu vô hiệu hóa các trường hiện có, nó là lý tưởng để đo điện tích trên các bộ phận di chuyển qua máy thông lượng cao.

Vôn kế tĩnh điện và máy đo trường tĩnh điện với đầu dò nhỏ cung cấp một lựa chọn thay thế để giám sát thiết bị bên trong.Các đầu dò đủ nhỏ để chúng có thể được đặt ở những vị trí quan trọng để đo điện tích trên các bộ phận khi chúng đi qua.Tuy nhiên, phải cẩn thận khi lắp chúng để đảm bảo rằng chúng thực hiện các phép đo chính xác và không gây trở ngại cho hoạt động của thiết bị.Một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo của chúng, bao gồm định hướng của bề mặt tích điện đối với đầu dò cũng như kích thước, tốc độ và khoảng cách của bộ phận với đầu dò.SED là những cảm biến cực nhỏ đủ nhỏ để lắp trên bảng mạch.

Chúng được thiết kế để đo xung hiện tại trong một sự kiện ESD và có thể được giám sát bằng quang học khi chúng đi qua thiết bị vận hành.SED là lý tưởng để xác minh xem thiết bị có đang tạo ra mức điện tích tĩnh nguy hiểm hay không.Một số loại khác nhau có sẵn, mỗi loại có các tính năng khác nhau.Tuy nhiên, nhiều thiết bị phải được tháo ra khỏi thiết bị và đặt vào thiết bị đo đạc riêng biệt để xác định liệu sự kiện ESD có thực sự xảy ra hay không.

Theo dõi tự động trong môi trường ESD

Nếu sự kiện ESD xảy ra, dữ liệu được cung cấp từ hệ thống theo dõi thiết bị có thể giúp các nhà lắp ráp nhanh chóng xác định các thành phần bị hư hỏng và ngăn chặn tác động.Trong mô hình hệ thống theo dõi thiết bị, một đầu đọc mã vạch được lắp đặt tại các điểm khác nhau trong suốt quá trình sản xuất để đọc mã vạch (hoặc mã 2D) được áp dụng cho thiết bị.Thông thường, trình đọc mã vạch quét mã vạch trên thiết bị trước khi thiết bị vào một trạm và một lần nữa sau khi nó thoát ra.Tài liệu này ghi lại loại quy trình đã được thực hiện, thiết bị thực hiện quy trình đó và gắn nhãn thời gian / ngày tháng cho thời điểm nó xảy ra.

Trong khi các thiết bị giám sát ESD xuất ra tất cả các loại dữ liệu, đầu đọc mã vạch cung cấp liên kết duy nhất giữa số sê-ri của mỗi thiết bị và dữ liệu được cung cấp từ thiết bị.Ví dụ: khi hiệu chuẩn thiết bị bị thay đổi do EMI từ sự kiện ESD, dữ liệu được tạo ra từ hệ thống theo dõi thiết bị có thể giúp xác định cụ thể bo mạch nào bị hỏng sau khi hiệu chuẩn của thiết bị được thay đổi.Không còn cần thiết phải kéo, loại bỏ hoặc làm lại toàn bộ lô vì dữ liệu không đáng kể.

Khi lựa chọn một đầu đọc mã vạch, cần xem xét cẩn thận để đảm bảo rằng nó không gây thêm rủi ro cho các sự kiện ESD.Bảng mạch in, mạch tích hợp và các thành phần nhạy cảm với điện khác thường sử dụng mã vạch nhỏ, mật độ cao để tiết kiệm không gian, khiến một số đầu đọc khó quét từ xa.Khi sử dụng tính năng quét gần, đầu đọc mã vạch có thể tạo ra điện tích tĩnh tùy thuộc vào việc nó có được sử dụng trên bề mặt không dẫn điện hay không.Nếu bản thân đầu đọc đã tích tụ điện tích và được đưa đến gần với một bộ phận nhạy cảm, thì sự kiện ESD có thể xảy ra, có khả năng làm hỏng bộ phận đó.Một số môi trường sản xuất tối ưu hóa cách giải quyết bằng cách lắp máy quét sau khi áp dụng phun chống tĩnh điện đặc biệt, điều này không phải là không có rủi ro riêng.

Đầu tiên, lớp phủ phải bao phủ hoàn toàn khu vực để có hiệu quả tối đa;các khu vực chưa được che phủ vẫn có nguy cơ.Ngoài ra, bình xịt chống tĩnh điện có thể bị mòn theo thời gian và cần được thay thế kịp thời.Nếu không có thước đo chính xác về hiệu quả của thuốc xịt, các công ty sẽ lãng phí tiền bạc khi sử dụng quá nhiều hoặc khiến các thành phần của họ gặp rủi ro khi sử dụng chúng trong môi trường không được bảo vệ.Là một giải pháp thay thế, máy đọc mã vạch thu nhỏ hiện có sẵn với lớp phủ niken độc đáo và nhãn chống ESD để đảm bảo an toàn ESD tối đa.Các thiết bị này được đánh giá cho phóng điện lên đến 8kV và có điện trở suất bề mặt nhỏ hơn 10 * 10-9 Ω / inch².

Đánh giá khả năng xử lý ESD

Theo Lộ trình Công nghệ của Hiệp hội ESD được công bố vào năm 2005, mức độ nhạy cảm với ESD trong các thiết bị dự kiến ​​sẽ giảm xuống rất thấp, do đó các nhà lắp ráp phải nhanh chóng hành động để đảm bảo họ có thể xử lý các mức mới.Các nhà lắp ráp được chứng nhận ANSI / ESD S20.20, Tiêu chuẩn của Hiệp hội ESD để phát triển chương trình phóng tĩnh điện, đã hoàn thành nhiều công việc trong việc chuẩn bị cho các thiết bị nhạy cảm của ngày mai.Đối với những nhà sản xuất không chắc chắn về khả năng điện áp của thiết bị tự động của họ, lộ trình ESD đưa ra hướng:

Xác định khả năng kiểm soát ESD của các quá trình xử lý của cơ sở.

Đảm bảo tất cả các đồ đạc hoặc dụng cụ dẫn điện tiếp xúc với các thiết bị nhạy cảm đều được nối đất.

Đảm bảo rằng điện áp tối đa gây ra trên thiết bị được giữ dưới 50 V.

Việc tuân theo các yêu cầu nêu trong S20.20 sẽ giúp các nhà quản lý đánh giá mức độ nhạy cảm của các bộ phận đang được lắp ráp trong cơ sở của họ và xác định các vấn đề ESD ở mỗi giai đoạn trong quy trình, từ tiếp nhận và kiểm kê thông qua lắp ráp, kiểm tra, làm lại và vận chuyển.Bằng cách sử dụng các biện pháp đối phó ESD thích hợp, các nhà quản lý sẽ có sẵn dữ liệu cho họ để xác định rõ khả năng của cơ sở của họ theo mức điện áp.

Phần kết luận

Ngành công nghiệp điện tử tiêu dùng đã chứng kiến ​​sự tăng trưởng phi thường trong vài năm qua.Các nhà phân tích trong ngành đã cho rằng sự tăng trưởng này một phần là do sự hội tụ của các thị trường đã tách biệt trước đây của âm thanh, video và công nghệ thông tin dựa trên kỹ thuật số để tạo ra các thiết bị điện tử hiện đại.Khi các thiết bị này nhanh chóng đạt được các khả năng mới, chúng sẽ tăng độ nhạy ESD của chúng gần như nhanh chóng.Để có thể cạnh tranh trong lĩnh vực sản xuất điện tử vào ngày mai, các cơ sở phải làm việc hướng tới việc làm chủ điều khiển ESD ngay hôm nay.