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技術(shù)文章

潔凈室用戶不允許出現(xiàn)靜電
潔凈室用戶不允許出現(xiàn)靜電。磁盤驅(qū)動器制造商正在努力把潔凈室內(nèi)與靜電有關(guān)的問題降到零，半導(dǎo)體制造商、平板顯示器制造商、醫(yī)療電子產(chǎn)品制造商和制藥廠商都緊隨其后。
Sarah Fister Gale
潔凈室用戶不允許出現(xiàn)靜電。磁盤驅(qū)動器制造商正在努力把潔凈室內(nèi)與靜電有關(guān)的問題降到零，半導(dǎo)體制造商、平板顯示器制造商、醫(yī)療電子產(chǎn)品制造商和制藥廠商都緊隨其后。
Novx公司行政總裁SteveHeymann說，就在一年前，大多數(shù)磁盤驅(qū)動器制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凈室環(huán)境，需要豐富的經(jīng)驗?！?br> 為了有效管理這種無靜電的環(huán)境，磁盤驅(qū)動器行業(yè)遵循國際磁盤驅(qū)動器、器材及原料協(xié)會（IDEMA）提出的各種ESD標(biāo)準，對測試程序進行標(biāo)準化，并且確定產(chǎn)品之間的相互關(guān)系和基準。IDEMA的標(biāo)準包括磁盤驅(qū)動器和元件的包裝標(biāo)準，其中包含適合磁盤驅(qū)動器不同生產(chǎn)階段對材料的要求，以及人體模型（HBM）的標(biāo)準，它是針對裝箱發(fā)貨前測試磁阻（MR）磁頭產(chǎn)品是否合格的問題。

圖1把高壓加到**發(fā)射點上（如圖所示），形成環(huán)繞在發(fā)射器周圍的電場，其中，發(fā)射器與附近氣體分子相互作用，濟后根據(jù)施加的高壓的類型，產(chǎn)生正離子或者負離子。ITW/Simco提供照片。

交流/直流電離技術(shù)
要想把靈敏度限制在一伏或者兩伏，需要一個復(fù)雜的電離過程，而這個過程首先需要一個室內(nèi)系統(tǒng)離子發(fā)生器。離子發(fā)生器是在潔凈室內(nèi)防止靜電的弟一道防線，隨著靈敏度下降，電離設(shè)備會變得越來越重要。
室內(nèi)系統(tǒng)離子發(fā)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(dǎo)電性。當(dāng)電離空氣與帶電表面接觸時，帶電表面就會吸引極性相反的離子。結(jié)果是，靜電荷減少了。
在常規(guī)的空氣離子發(fā)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(chǎn)生空氣離子，但是電暈電離法在潔凈室中用得濟多。
用直流高壓和交流高壓來產(chǎn)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(fā)射器金屬絲上，在發(fā)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(jù)加在發(fā)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(shù)可以從同一個發(fā)射點同時發(fā)射正負離子，與它不同的是，直流電暈離子發(fā)生器是分別從正、負發(fā)射點發(fā)出離子，正負離子再結(jié)合現(xiàn)象更少。
ESD聯(lián)盟董事會成員和Ion Systems公司MKS**應(yīng)用技術(shù)專家ArnoldSteinman說：“由于每種極性的離子是單獨發(fā)射的，所以才有可能監(jiān)視和控制分別從正、負發(fā)射點發(fā)射的離子數(shù)量，看看它們是否相等。各種類型的監(jiān)視和控制系統(tǒng)可以和直流電暈離子發(fā)生器配套使用。因此，使用直流電暈技術(shù)的離子發(fā)生器能夠提供極高的控制和微調(diào)等級。系統(tǒng)復(fù)雜性高和離子的重新結(jié)合率低還意味著直流電暈離子發(fā)生器適合對靜電放電非常靈敏的產(chǎn)品和害怕遭到污染的產(chǎn)品?！?br>
圖2在工藝設(shè)備內(nèi)部和周圍關(guān)鍵區(qū)域增加額外的離子發(fā)生器，能夠進一步降低電壓。如圖所示，條型離子發(fā)生器通常安裝在微環(huán)境和設(shè)備內(nèi)部。IonSystems公司MKS提供照片。

有兩種直流電暈電離技術(shù)：脈沖式直流電離技術(shù)和恒流式直流電離技術(shù)。恒流式直流電離技術(shù)是不間斷地把正的高電壓加到一半發(fā)射點上，把負的高電壓加到另一半上。離子發(fā)生器可能包含一個發(fā)射器對（用于噴霧器或者噴嘴中和天花板發(fā)射器中），或成陣列的發(fā)射器對（直流吹風(fēng)機），或成直線的發(fā)射器對（直流棒）。恒流式直流電離技術(shù)是根據(jù)分開的發(fā)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(shù)經(jīng)常用在潔凈室系統(tǒng)、層流凈化罩、吹風(fēng)機和噴霧器中。
脈沖式直流離子發(fā)生器可以交替啟動和關(guān)閉正、負發(fā)射點，產(chǎn)生正離子動和負離子。使用脈沖式直流電離技術(shù)的離子發(fā)生器能夠進行微調(diào)，允許定時循環(huán)和兩種極性，針對具體應(yīng)用**地工作。能夠把正、負發(fā)射器設(shè)置成以數(shù)秒為時間周期交替工作。在某些區(qū)域，正極可能大于負極，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
對許多潔凈室來說，通用室內(nèi)離子發(fā)生器只是完整的電離系統(tǒng)的一部分。Heymann說：“潔凈室運營商過去常常會說如果有一臺離子發(fā)生器的話，一切與ESD有關(guān)的問題都迎刃而解了，但是事實恰恰相反。與ESD技術(shù)有關(guān)的問題是只是簡單地安裝上離子發(fā)生器，并不能保證它能夠持續(xù)工作**、一星期，甚至一個月?！?img src="http://y2.yzimgs.com/comfolder/110970/downpic/2009112164436288.jpg" align="right" border="0" alt="">
現(xiàn)在，靈敏度閥值更低，這迫使?jié)崈羰疫\營商加入通用室內(nèi)電離系統(tǒng)，這些系統(tǒng)能夠把空氣的電壓從1,000伏降到100伏。在工藝設(shè)備內(nèi)部和周圍關(guān)鍵區(qū)域加入額外的離子發(fā)生器，能夠把空氣的電壓降至10伏以下。工作站離子發(fā)生器，包括條型離子發(fā)生器、吹風(fēng)機和壓縮氣體釋放設(shè)備就是適合在這些規(guī)定的工作區(qū)域中使用（圖2）。無論離子發(fā)生器是安裝在操作面的上方，還是直接安裝在操作面上，這個把它與對靜電放電非常敏感的產(chǎn)品分開的距離遠遠小于與室內(nèi)系統(tǒng)的距離，一般不到1米。
對要求非常嚴格的環(huán)境來說，電離吹風(fēng)機可用來取代脈沖式直流系統(tǒng)，但是，這種系統(tǒng)的電壓來回擺動，不能調(diào)整到零伏（圖3）。可是問題在于，盡管吹風(fēng)機可以消除靜電，但是，它會干擾潔凈環(huán)境內(nèi)的其他的元件。Steinman說：“吹風(fēng)機會產(chǎn)生空氣紊流，還會成為污染源。我們需要在污染控制和ESD控制之間協(xié)調(diào)，保證達到要求的水平?！?br> 為了避免吹風(fēng)機的不利作用，IonSystems公司采用了單晶硅材料生產(chǎn)的發(fā)射器點，按照Steinman的說法，它幾乎可以達到“ISO 1類標(biāo)準”。

預(yù)警系統(tǒng)
ESD控制的困難在于，在許多情況下，某個事件已經(jīng)造成了一定的破壞，而制造商只有在之后的生產(chǎn)階段才會發(fā)現(xiàn)這個問題。這種失效可能在組裝磁盤驅(qū)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系統(tǒng)性能并且濟終使系統(tǒng)徹底失效。因為潛在性失效是在濟終檢查之后或者在用戶控制范圍內(nèi)失效的，所以維修的成本會非常高。
ESD聯(lián)盟研討會的總負責(zé)人、Rivers Edge技術(shù)服務(wù)公司總裁CarlNewberg說，為了解決這個問題，潔凈室用戶開始使用遠程傳感器不間斷地監(jiān)視空氣和決定需要用來抑制空氣正離子或負離子的數(shù)量。他說：“傳感器之所以這么重要是因為如果不使用傳感器，離子發(fā)生器會產(chǎn)生平衡偏移，使問題變得更糟?！?br> 有一種趨勢，就是在圍繞著主工作臺的加工區(qū)域設(shè)置獨立監(jiān)視，以確保電離始終工作。這些獨立的監(jiān)視器收集和采集ESD數(shù)據(jù)，向操作人員提供關(guān)于潔凈室環(huán)境的運行報告，這個報告在ESD事件中詳細記錄在制造過程的各個關(guān)鍵點上所有的瞬間變化或者趨勢。
這樣，在潔凈室里，他們可以在這些問題對生產(chǎn)造成嚴重影響之前開始著手解決。例如，濟終的結(jié)論性報告可能顯示在**的某幾段時間內(nèi)的人員變化、工藝設(shè)備或者材料的安放或者移動情況，或者設(shè)備接地方面的錯誤等這些因素關(guān)聯(lián)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(xiàn)問題的地方和引起這些問題的原因。
潔凈室電離系統(tǒng)制造商ITW/Simco公司電子制造事業(yè)部業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Jim Curtis說：“當(dāng)靈敏度等級嚴格起來時，你需要把這些傳感器直接放到關(guān)鍵目標(biāo)區(qū)域的離子發(fā)生器的前面，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(chǎn)免于ESD的破壞。一些監(jiān)視器可能只用紅燈或者綠燈表示它們正在工作。Heymann說，盡管把關(guān)于事件的數(shù)據(jù)送給了中央數(shù)據(jù)庫，如果傳感器在問題出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)。他說：“如果你每分鐘生產(chǎn)三個驅(qū)動器，那么在你意識到出問題時已經(jīng)生產(chǎn)了多少驅(qū)動器了呢？”
這類問題會影響主動式傳感器的執(zhí)
情況，而這些傳感器是根據(jù)即時事件警報來做出反應(yīng)的，例如，需要維修的離子發(fā)生器或者失去接地的設(shè)備。在更**的系統(tǒng)中，監(jiān)視器都有一個直接工藝設(shè)備接口，使它們能夠在靜電上升到超出技術(shù)規(guī)范容許范圍時關(guān)閉工藝設(shè)備或者整條生產(chǎn)線，這樣，操作人員就有機會去解決問題，在開始繼續(xù)生產(chǎn)之前把產(chǎn)品從生產(chǎn)線上拿下來，進行評估。Heymann說：“現(xiàn)在，如果產(chǎn)品壞掉了，你就可以在你讓它進入后續(xù)的五十多個工藝步驟之前把它拿下來、扔掉。有了這種主動式控制，你再不會生產(chǎn)出一個壞的驅(qū)動器、面板或者集成電路?！?br> 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(jīng)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(shè)備（RFID）制造商在安裝了新的電離系統(tǒng)之后，成品率從60%提高到90%。
Curtis說，有一家客戶，因為電離系統(tǒng)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系統(tǒng)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(huán)境來說，電離送風(fēng)機是用來替代脈沖式直流系統(tǒng)的。送風(fēng)機通常是安裝在
工作臺上和設(shè)備內(nèi)部。它們能夠用于測試、組裝和封裝領(lǐng)域，以及硬盤驅(qū)動器制造領(lǐng)域。Ion
Systems公司MKS提供照片。

S20.20指導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展
對半導(dǎo)體制造商而言，ESD危機還不是濟緊迫的問題。根據(jù)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(dǎo)體制造商已經(jīng)在面臨著磁盤驅(qū)動器制造商幾年前遇到的同樣的問題。
Newberg說：“半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)明了ESD這個名詞。他們很快就發(fā)現(xiàn)ESD是引起問題的原因，學(xué)會了怎樣在芯片上實現(xiàn)ESD保護?！?br> 但是，在過去的幾年里，半導(dǎo)體制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(jīng)降到令人吃驚的水平。”
Novx公司的Heymann贊同這種觀點，他說：“半導(dǎo)體業(yè)以和磁盤驅(qū)動器制造商相同的發(fā)展方向向前發(fā)展。半導(dǎo)體制造商因為放棄了能夠保護晶片免于ESD干擾的氧化物厚度，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?！?br> Heymann還指出關(guān)于ESD的主要問題是前后道半導(dǎo)體制造工藝之間的根本性差別。他說：“他們在后道工藝切割芯片，知道自己必需時刻關(guān)注ESD的問題，但是，仍存在一個誤區(qū)，即人們認為在前道工藝，晶片對靜電放電不敏感?！?br> 和磁盤驅(qū)動器業(yè)一樣，半導(dǎo)體制造商遵循ESD的控制標(biāo)準。根據(jù)靜電放電控制計劃而研制的ANSI/ESDS20.20-1999標(biāo)準，它覆蓋了設(shè)計、建立、執(zhí)行和持續(xù)發(fā)展的各個環(huán)節(jié)，保護電氣元件或者電子元件、總成和設(shè)備免于因HBM放電大于等于100伏時而造成的ESD損壞。這個標(biāo)準所覆蓋的領(lǐng)域?qū)㈦S著各個行業(yè)根據(jù)它們技術(shù)路線圖的發(fā)展，擴大到各個行業(yè)，形成重疊，預(yù)計它將會在明年進行更新。
Steinman說，ANSI/ESD S20.20是根據(jù)產(chǎn)業(yè)界在執(zhí)行ISO 9000和ISO14000標(biāo)準得到的經(jīng)驗而制定的指導(dǎo)性文件。這個指導(dǎo)性文件作為國際標(biāo)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(biāo)準是根據(jù)在ISO參數(shù)下工作設(shè)計的，所以，從某些方面來看，它是個有用的全球性標(biāo)準。Steinman說：“如果你有一個ISO質(zhì)量控制計劃，那么你就已經(jīng)擁有達到S20.20要求的基礎(chǔ)設(shè)施?，F(xiàn)在你要增加技術(shù)性。ISO資格審核人員還將審核S20.20標(biāo)準?！?br> S20.20標(biāo)準現(xiàn)在已經(jīng)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(gòu)很快都會采納這個標(biāo)準。Steinman說：“一旦所有的問題都標(biāo)準化了，人們就不需要再為是執(zhí)行它還是不執(zhí)行它而苦惱。這個標(biāo)準會成為每個人都必須執(zhí)行的標(biāo)準，而且他們對它也非常熟悉和了解。對每個電子行業(yè)的從業(yè)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(dāng)?shù)燃壍腅SD保護措施?！?br> ESD協(xié)會目前提供一個ESD程序文件來檢查服務(wù)，ESD協(xié)會的工廠資格認證委員會通過這個程序文件來檢查制造商的ESD程序文件，并把它和ANSI/ESDS20.20-1999規(guī)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(qū)域進行詳細說明，只有這樣才能達到ESD程序文件的要求，并與ANSI/ESDS20.20-1999A標(biāo)準兼容。
Newberg說：“對任何一家公司，如果正在為工廠通過ANSI/ESDS20.20-1999資格認證做準備，這項服務(wù)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(yè)標(biāo)準?！睂σ恍┎块T來說，例如，**部門和美國國家航空航天局，S20.20資格認證已經(jīng)是開展業(yè)務(wù)必不可少的要求。

材料的選擇
有了適合設(shè)備和人員的電離設(shè)備和傳統(tǒng)接地工具，制造商還必需仔細考慮在潔凈室內(nèi)使用的材料和它們與ESD的關(guān)系。
材料上出現(xiàn)靜電荷是由于材料滑動、摩擦或者把材料分開的結(jié)果，這是產(chǎn)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(chǎn)生靜電荷，電子無法流動或者穿過它絕緣材料本身，那么越來越多的電荷就會積存在所接觸的局部區(qū)域上。這種在絕緣體上產(chǎn)生的靜電荷能夠感應(yīng)鄰近的導(dǎo)體，例如，人或者微型電路，然后，一旦導(dǎo)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(shù)集團公司總裁BobVermillion說：“磁盤驅(qū)動器制造商通過**聚合物，想方設(shè)法降低出現(xiàn)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面電阻、體積電阻或兩點電阻的讀數(shù)來減少快速放電?！?br> 潔凈室用戶和工藝設(shè)備制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(dǎo)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（表面電阻率）和1×104歐姆-厘（體積電阻率），而且，電子還可以在表面或者在整個物體內(nèi)自由移動。當(dāng)導(dǎo)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面。一旦帶電的導(dǎo)體材料與其他導(dǎo)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(dǎo)體接地，電子就會流向地，而導(dǎo)體上多余的電荷就會變少。導(dǎo)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(chǎn)生的。然而，防靜電材料和導(dǎo)電材料一樣，允許與大地或者其他導(dǎo)體材料交換電荷。防靜電材料交換電荷所需要的時間要大于與體積相當(dāng)?shù)膶?dǎo)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(dǎo)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凈室中使用，以降低ESD風(fēng)險，這是因為潔凈室里可能存在污染問題。舉個例子，塑料的表面涂有季銨鹽、變性聚酰胺或者辛酸鹽，從而具有非長久性ESD屬性，這種方法不能在潔凈室中使用。適合潔凈室使用的ESD控制材料必須經(jīng)過針對微粒產(chǎn)生、排氣作用和化學(xué)殘渣的實驗，所有在潔凈室中使用的材料都需要做這些實驗。

針對生物/制藥和醫(yī)療設(shè)備的靜電吸引力問題
靜電吸引力也已經(jīng)成為制藥工廠和醫(yī)療設(shè)備制造商必需面對的一個問題，他們需要面對潔凈室內(nèi)的生物污染。River公司的Edge的Newberg解釋道，即使在制藥環(huán)境下所容許的微粒的尺寸遠遠大于半導(dǎo)體生產(chǎn)工廠，但是當(dāng)微粒變成帶電的而且能夠吸引危險性材料（這些材料可以會使任何東西從無菌工具變成**滋生的助力器）時，你所要付出的代價卻要高得多。他說：“這里不允許有任何閃失?！?br> 電離系統(tǒng)釋放這些微粒上的電荷，這樣它們就能夠停留在氣流中并把它們**掉，回到空氣過濾器系統(tǒng)里。
Newberg說，越來越多制藥廠商和醫(yī)療設(shè)備制造商在認識到ESA可以造成的破壞時也開始考慮使用電離系統(tǒng)了。

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