Технологии

От статического электричества никуда не денешься. Электростатические разряды (ESD) возникают сотни раз в день, а мы даже не замечаем этого. Многие явления, связанные с электростатическим разрядом, находятся вне порога человеческой чувствительности 20000 В.
Электронные компоненты становятся все более чувствительными к разрядам статического электричества, становится все опаснее использовать изолирующие материалы, такие как полимеры, поблизости от чувствительных компонентов.
К сожалению, все большее и большее количество электронных компонентов способно разрушаться от воздействия все более и более низких уровней напряжения. И эта тенденция будет продолжать усиливаться, поскольку потребителям требуются все более и более компактные продукты, плотность схем повышается, а размер компонентов продолжает уменьшаться. Напряжение такого низкого уровня, как 20 В, может повредить некоторые наиболее чувствительные компоненты. По мере того, как использование полимеров и прочих изолирующих материалов будет расширяться, количество ситуаций с участием электростатического разряда также, скорее всего, будет увеличиваться. Поскольку невозможно исключить использование полимеров в электронной промышленности, проектировщики должны научиться использовать химию полимеров для того, чтобы управлять электростатическими разрядами. В настоящей статье мы объясним, что представляет собой электростатический разряд, а также каковы имеющиеся на рынке технологии использования полимеров для сведения к минимуму риска повреждения от электростатического разряда.

Что представляет собой статическое электричество?
Статическое электричество возникает, когда у объекта имеется избыток электронов, или когда у объекта имеется недостаток электронов. У объектов с избытком электронов имеется отрицательные (-) заряд, а у объектов с недостатком электронов положительный (+) заряд. Такое отсутствие электронного баланса создает нестабильное энергетическое состояние. Таким образом, заряженные объекты стремятся к нейтрализации для того, чтобы выйти из этого нестабильного энергетического состояния. В результате, электроны идут по пути наименьшего сопротивления для заземления или уходят в атмосферу для создания равновесия зарядов объекта. Такой электронный разряд называется электростатическим разрядом. Наиболее предсказуемой характеристикой электростатического разряда является то, что он направляется для заземления по пути наименьшего сопротивления; тем не менее, время прохождения такого разряда совершенно непредсказуемо. Именно эта непредсказуемость электростатического разряда и затрудняет контроль отказов компонентов и съедает доходы электронных компаний. Время прохождения разряда зависит от типа материала, который разряжается. Проводники разряжаются очень быстро. Материалы, рассеивающие энергию, разряжаются за считанные секунды. Изолирующие материалы, напротив, могут не разряжаться от нескольких минут до нескольких часов.

Как вырабатывается статическое электричество?
Источником энергии для того, чтобы у объекта возникло отсутствие электронного равновесия, обычно является либо электронное возбуждение, либо индукция. Явление перенесения электронов в результате электронного возбуждения называется трибозарядкой. Трибозарядка возникает, когда два объекта отделяются друг от друга, Сюда относятся простые виды движения, такие как проход через сборочный участок, доставание куска пленки из пакета, доставание интегральной схемы из корпуса или подбирание кассеты для полупроводниковых пластин со стола. Объем статического электричества, вырабатываемого в ходе трибозарядки, зависит от атомной организации участвующих в процессе объектов. Объекты, изготовленные из материалов, которые отстоят далеко друг от друга в трибоэлектрическом ряду, будут осуществлять более мощную трибозарядку, нежели материалы, которые находятся близко друг от друга в трибоэлектрическом ряду. К числу других факторов, влияющих на уровень трибозарядки, относятся: относительная влажность, время контакта и сила контакта.
Индукция возникает, если поместить объект в сильное магнитное или электрическое поле. Экраны компьютеров и крупное оборудование часто создают мощные электрические поля, которые могут формировать статические заряды.

Опасности, возникающие из-за статического электричества
События электростатического разряда не всегда вызывают катастрофические отказы компонентов. Зачастую оставшийся незамеченным электростатический разряд может стать причиной латентного дефекта компонента, который затем проходит испытания контроля качества. Тем не менее, надежность данного компонента поставлена под угрозу за счет повреждения его внутренней схемы из-за электростатического разряда. Из-за этого оставшегося необнаруженным повреждения повышается вероятность отказа устройства при эксплуатации, что вызывает серьезную неудовлетворенность заказчиков.

Как электростатический разряд влияет на электронную промышленность чистой комнаты?
Прохождение электростатического разряда оказывает воздействие в отрасли упаковки электроники на все уровни производства. Ниже приведены некоторые примеры проблем с электростатическим разрядом:
- при производстве плат для интегральных схем, рабочие, проходящие через занавесь чистой комнаты генерируют заряд, который может разряжаться и повреждать пласты;
- кассета, содержащая пласты, переносится в новую кассету, создавая заряд и на пластинах и на кассете;
- плата получает заряд во время процесса сухого травления, и разряжается при приближении проводящей руки робота-манипулятора;
- интегральная схема генерирует заряд, когда извлекается из корпуса, и разряжается при приближении к поверхности автоматизированного рабочего места;
- контейнер для печатных плат вырабатывает заряд по мере того, как он перемещается по производственному участку, и разряжается, когда в контейнер кладут дополнительную печатную плату.
Количество сценариев, при которых вырабатываются заряды, которые подвергают риску электронные компоненты, продолжает увеличиваться, по мере того, как продолжает расширяться использование полимеров в электронной промышленности. Полимеры продолжают вытеснять металлы на производственных участках благодаря своей универсальности, гибкости и рентабельности. Тем не менее, полимеры являются от природы изолирующими веществами, поэтому необходимо принимать дополнительные меры предосторожности для того, чтобы свести к минимуму риски повреждения от электростатического разряда.
С особой тщательностью следует подбирать материалы для следующих секторов промышленности упаковки электроники:
- изготовление плат – коробки кассеты для плат, материалы для погрузки-разгрузки плат, одежда для чистой комнаты, перчатки, двери для чистой комнаты, вакуумные рукава и зонды для чистой комнаты, вспомогательные объекты для чистой комнаты (такие как бумага, ручки, бутылки, тетради), полы для чистой комнаты, руки манипуляторов, устройства контроля полупроводниковых плат, метрологические устройства для полупроводниковых плат;
- крепление пресс-формы – роботизированные руки, поддоны, корпуса, кассеты для плат, вакуумные рукава и зонды, пучки проводов, перчатки, одежда для чистой комнаты, устройства для контроля деталей;
- монтаж компонентов печатной платы – роботизированные руки, транспортировочные поддоны, транспортировочные пакеты, полы и стойки сборочных участков, упаковки пленки и ролика, вакуумные рукава, пучки проводов, полки для хранения печатных плат, полки для транспортировки печатных плат, устройства контроля печатных плат.

Как контролировать электростатический разряд
Применение нескольких простых правил может свести к минимуму риск ущерба от электростатического разряда:
1. Поддерживайте относительную влажность на самом высоком возможном уровне во всех чувствительных к разрядам местах. Относительная влажность в сборочной среде позволяет переносить заряды из воздуха в молекулы воды, но это может также и стимулировать коррозию металла. Надо подбирать оптимальный уровень влажности с осторожностью, чтобы свести к минимуму появление электростатических разрядов, а также избежать коррозии металла.
2. Избегайте использования изолирующих материалов. Используйте постоянно статически-рассеивающие полимеры (удельное поверхностное электрическое сопротивление между 105 и 1011 Ом) вместо традиционных изолирующих полимеров (удельное поверхностное электрическое сопротивление которых превосходит или равно 1012 Ом).
3. Используйте локальные ионизирующие системы. Ионизаторы изменяют заряд воздушных частиц для того, чтобы нейтрализовать заряженные объекты, когда они подвергаются воздействию ионизированного воздушного потока. Ионизаторы эффективны только в ограниченной целевой области.

Контроль электростатического разряда с помощью полимерной технологии
Замена всех изолирующих полимеров в чувствительных к воздействию электростатического разряда участках на постоянно статические рассеивающие полимеры эффективно сводит к минимуму риск повреждения от электростатического разряда. Статические рассеивающие полимеры разряжаются в предсказуемом и контролируемом режиме; и меньше, чем за две секунды по определению. Большинство статических рассеивающих полимеров разряжается менее чем за долю секунды. Ниже рассмотрены и суммированы в таблице 1 различные подходы к преобразованию традиционного полимера в статический рассеивающий полимер.

Таблица 1. Сопоставление свойств электростатически-безопасных упаковочных материалов.
Рейтинг рабочих параметров: += высокие; +/-= средние; -= низкие.

Антистатики
Химические вещества с низкой молекулярной массой, такие как этоксилированные амины или этоксилированные сложные эфиры обычно называют «анистатиками» или «антистатическими поверхностно-активными веществами». Такие антистатики могут или вводиться в полимерный компаунд, или наноситься в виде покрытия на лист, поддон или трубку, чтобы действовать в качестве поверхностно-активного вещества (рис. 1). Антистатики помещаются на поверхность материала для того, чтобы вступать в реакцию с влагой из окружающей среды. Такая реакция создает рассеивающую поверхность материала (обычно удельное поверхностное сопротивление около 1011 Ом). Благодаря низкой молекулярной массе (и способности к перемещению) таких антистатиков, их можно легко стирать с поверхности, и у них лишь небольшой период эффективного воздействия. Кроме того, эти химические антистатики содержат загрязняющие вещества, которые могут повредить чувствительные электронные компоненты (особенно, платы до присоединения кристалла). Эти загрязняющие вещества включают химические вещества (толуол, стирол и т. д.), которые могут выделяться в виде газов на поверхность пластин, и ионы (Cl-, Na+, SO3-, PO4-, NO3-, и т. д.), которые могут корродировать поверхность пластин и выводы корпуса. И, наконец, полимеры, обработанные поверхностно-активными веществами, обычно нельзя утилизировать, проблема, которой придают все большее значение во многих частях земного шара.

Рис. 1. Графическое изображение антистатических поверхностно-активных веществ.

Проводящие наполнители
Еще одним подходом к проблеме преобразования изолирующего полимера в статический рассеивающий полимер, является его наполнение проводящими частицами, такими как углеродная сажа, углеволокно или волокно из нержавеющей стали. В основе этого подхода лежит создание сети взаимосвязанных частиц внутри полимерного компаунда, которая обеспечит пропускание электрических зарядов через изолирующий полимер (рис. 2).

Рис. 2. Графическое изображение полимера, наполненного проводящими частицами.

Недостатком данного подхода является трудность получения последовательного электрического поведения наполненного полимера. У проводящих наполнителей очень крутая кривая нагрузки (рис. 3). Это означает, что любое небольшое изменение в нагрузке наполнителя или в распределении наполнителя внутри полимера может привести к образованию изолирующего кармана, вместо токопроводящего пути. Если внутри токопроводящего пути образуются изолирующие карманы, трибозарядка может привести к формированию захваченных зарядов, которые не могут рассеиваться, как это было запланировано, и которые могут разряжаться неконтролируемым и непредсказуемым образом. Проводящие наполнители небольшого размера, такие как углеродная сажа, часто отделяются в виде частиц от наполненных полимеров на компоненты выводов или пластины, в то время как более крупные проводящие наполнители, такие как углеволокно, в меньшей степени загрязняют подобным образом поверхности контакта. Дополнительным преимуществом использования наполнителей из углеволокна, является то, что они существенно повышают модуль упругости формованного компонента. Такое повышение модуля дает лучшую структурную поддержку чувствительных компонентов.

Рис. 3. Графическое изображение воздействия нагрузки наполнителя на удельное поверхностное электрическое сопротивление.

Листы с покрытием
Для полимерных листов или компонентов, изготовленных горячим формованием, иногда используются проводящие покрытия, содержащие углерод или какой-либо иной токопроводящий материал, для того, чтобы обеспечить токопроводящий путь на поверхности (рис. 4). Такой подход является шагом вперед по сравнению с использованием проводящего наполнителя или антистатического ПАВа, поскольку проводящий наполнитель размещается непосредственно на поверхности листа. Тем не менее, этот подход бесполезен для компонентов, изготовленных с помощью литьевого формования, таких как поддоны или кассеты для полупроводниковых плат.

Рис. 4. Графическое изображение полимера, покрытого проводящими частицами.

Технология нанесения покрытия на листы дает очень неустойчивую защиту от электростатических разрядов. Неустойчивость свойств листов с покрытием по защите от электростатического разряда возникает в ходе самого процесса горячего формования, когда лист (а также его покрытие) вытягивается в нужную форму. Поскольку такие покрытия имеют толщину всего в несколько десятых миллиметра, проводящая поверхность ломается при растягивании. По мере того, как нарушается покрытие, образуются острова изолирующего материала. Такие изолирующие острова не имеют средств заземления электростатических разрядов. В результате, трибозаряд или индуцированные полем напряжения остаются захваченными внутри пакета в качестве «горячей точки», обладая потенциалом для разряда всякий раз, когда поблизости размещается чувствительный компонент. Явление «горячей точки» смоделировано на рисунке 5. И, кроме того, чистота (а именно, содержание ионов и выделение газов) некоторых из этих покрытий неприемлема для контакта с некоторыми электронными компонентами.

Рис. 5. При использовании листа с покрытием смоделированные красные и желтые участки показывают разрывы статического рассеивающего пути.

Сплавы рассеивающих полимеров
В настоящее время на рынке имеется ограниченное количество рассеивающих от природы полимеров (IDP) и проводящих от природы полимеров (ICP). Эти полимеры могут быть не пригодными к использованию сами по себе в качестве упаковочных материалов из-за их недостаточно высоких механических свойств. Тем не менее, при создании сплавов традиционных упаковочных полимеров, таких как PETG или PVC, с этими рассеивающими или проводящими полимерами, в результате создаются системы, сочетающие нужные механические свойства основного полимера с электрическими свойствами рассеивающих от природы полимеров (рис. 6).

Рис. 6. Снимок сканирующей электронной микроскопией сплава с рассеивающим от природы полимером.

Подход с использованием сплавов позволяет получить полимер, который можно обрабатывать литьевым формованием, экструзией и горячим формованием без деградации как электрических, так и механических свойств, Более того, эти сплавы можно иногда проектировать так, чтобы они были прозрачными вместо черных. Поскольку сейчас экологическая озабоченность начала приобретать все большее влияние при принятии экономических решений, большим облегчением является тот факт, что полимерные сплавы можно перемалывать, утилизировать и повторно использовать. Кроме того, подход с использованием сплавов дает компоненты или полученные горячим формованием поддоны, которые перемещают электрические заряды через весь объем, а не только по поверхности. Это означает, что возможность образования «горячих точек» исключена. И, наконец, подход с использованием сплавов не допускает проникновения в полимер частиц загрязняющих веществ, и, обычно, сплавы содержат только следы анионов, катионов или выделившихся газов.

Поскольку электронные компоненты становятся все более чувствительными к разрядам статического электричества, становится все опаснее использовать изолирующие материалы, такие как полимеры, поблизости от чувствительных компонентов. Поэтому решающим моментом для инженеров-конструкторов является более глубокое понимание имеющихся вариантов создания статически безопасных полимеров из изолирующих полимеров. Различные подходы к преобразованию традиционных полимеров в статические рассеивающие полимеры даны в таблице 1.

Нил Т. Хардвик, Noveon Static Control