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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)與靜電有關的問題降到零，半導體制造商、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)與靜電有關的問題降到零，半導體制造商、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。”
為了有效管理這種無靜電的環(huán)境，磁盤驅(qū)動器行業(yè)遵循磁盤驅(qū)動器、器材及原料協(xié)會（IDEMA）提出的各種ESD標準，對測試程序進行標準化，并且確定產(chǎn)品之間的相互關系和基準。IDEMA的標準包括磁盤驅(qū)動器和元件的包裝標準，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，zui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
要想把靈敏度限制在一伏或者兩伏，需要一個復雜的電離過程，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*道防線，隨著靈敏度下降，電離設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電性。當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zui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應用技術專家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，使用直流電暈技術的離子發(fā)生器能夠提供*的控制和微調(diào)等級。系統(tǒng)復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。”

圖2在工藝設備內(nèi)部和周圍關鍵區(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)境和設備內(nèi)部。*tems公司MKS提供照片。

有兩種直流電暈電離技術：脈沖式直流電離技術和恒流式直流電離技術。恒流式直流電離技術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（直流吹風機），或成直線的發(fā)射器對（直流棒）。恒流式直流電離技術是根據(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經(jīng)常用在潔凈室系統(tǒng)、層流凈化罩、吹風機和噴霧器中。
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，針對具體應用地工作。能夠把正、負發(fā)射器設置成以數(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有關的問題都迎刃而解了，但是事實恰恰相反。與ESD技術有關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)工作一天、一星期，甚至一個月。”
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。在工藝設備內(nèi)部和周圍關鍵區(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、吹風機和壓縮氣體釋放設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）?？墒菃栴}在于，盡管吹風機可以消除靜電，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。”
為了避免吹風機的不利作用，*tems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類標準”。

預警系統(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zui終使系統(tǒng)*失效。因為潛在性失效是在zui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)盟研討會的總負責人、Rivers Edge技術服務公司總裁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。”
有一種趨勢，就是在圍繞著主工作臺的加工區(qū)域設置獨立監(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，zui終的結(jié)論性報告可能顯示在一天的某幾段時間內(nèi)的人員變化、工藝設備或者材料的安放或者移動情況，或者設備接地方面的錯誤等這些因素關聯(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)務發(fā)展Jim Curtis說：“當靈敏度等級嚴格起來時，你需要把這些傳感器直接放到關鍵目標區(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，盡管把關于事件的數(shù)據(jù)送給了*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的，例如，需要維修的離子發(fā)生器或者失去接地的設備。在更的系統(tǒng)中，監(jiān)視器都有一個直接工藝設備接口，使它們能夠在靜電上升到超出技術規(guī)范容許范圍時關閉工藝設備或者整條生產(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。”
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zui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，電離送風機是用來替代脈沖式直流系統(tǒng)的。送風機通常是安裝在
工作臺上和設備內(nèi)部。它們能夠用于測試、組裝和封裝領域，以及硬盤驅(qū)動器制造領域。Ion
Systems公司MKS提供照片。

S20.20指導產(chǎn)業(yè)發(fā)展
對半導體制造商而言，ESD危機還不是zui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，學會了怎樣在芯片上實現(xiàn)ESD保護。”
但是，在過去的幾年里，半導體制造商因速度和集成電路的功能不斷增加而放棄安全，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。”
Heymann還指出關于ESD的主要問題是前后道半導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。”
和磁盤驅(qū)動器業(yè)一樣，半導體制造商遵循ESD的控制標準。根據(jù)靜電放電控制計劃而研制的ANSI/ESDS20.20-1999標準，它覆蓋了設計、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、總成和設備免于因HBM放電大于等于100伏時而造成的ESD損壞。這個標準所覆蓋的領域?qū)㈦S著各個行業(yè)根據(jù)它們技術路線圖的發(fā)展，擴大到各個行業(yè)，形成重疊，預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標準得到的經(jīng)驗而制定的指導性文件。這個指導性文件作為標準正在得到*的承認，目前電工委員會（IEC）正在翻譯和起草。
因為這個標準是根據(jù)在ISO參數(shù)下工作設計的，所以，從某些方面來看，它是個有用的性標準。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要求的基礎設施。現(xiàn)在你要增加技術性。ISO資格審核人員還將審核S20.20標準。”
S20.20標準現(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*許多機構(gòu)很快都會采納這個標準。Steinman說：“一旦所有的問題都標準化了，人們就不需要再為是執(zhí)行它還是不執(zhí)行它而苦惱。這個標準會成為每個人都必須執(zhí)行的標準，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?shù)燃壍腅SD保護措施。”
ESD協(xié)會目前提供一個ESD程序文件來檢查服務，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，這項服務是*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)標準。”對一些部門來說，例如，軍事部門和美國國家航空*，S20.20資格認證已經(jīng)是開展業(yè)務*的要求。

材料的選擇
有了適合設備和人員的電離設備和傳統(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鄰近的導體，例如，人或者微型電路，然后，一旦導體與人體以*不同的電壓接觸，它們會通過電弧或者火花放電。
RMV技術集團公司總裁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。”
潔凈室用戶和工藝設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。當導電材料開始充電，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。一旦帶電的導體材料與其他導體材料接觸，電子就在這兩個材料之間自由交換。如果第二個導體接地，電子就會流向地，而導體上多余的電荷就會變少。導電材料一般整個都布滿了碳化微?；蛘咛蓟w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，防靜電材料和導電材料一樣，允許與大地或者其他導體材料交換電荷。防靜電材料交換電荷所需要的時間要大于與體積相當?shù)膶w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*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體生產(chǎn)工廠，但是當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細菌滋生的助力器）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。”
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清除掉，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。