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洁净室不允许出现静电放电

洁净室用户不允许出现静电。磁盘驱动器制造商正在努力把洁净室内与静电有关的问题降到零，半导体制造商、平板显示器制造商、医疗电子产品制造商和制药厂商都紧随其后。
Novx公司行政总裁Steve Heymann说，就在一年前，大多数磁盘驱动器制造商把容许的静电电压从五伏减小到两伏或者更低。他说：“建造能够达到这个水平的洁净室环境，需要丰富的经验。”
为了有效管理这种无静电的环境，磁盘驱动器行业遵循国际磁盘驱动器、器材及原料协会（IDEMA）提出的各种ESD标准，对测试程序进行标准化，并且确定产品之间的相互关系和基准。IDEMA的标准包括磁盘驱动器和元件的包装标准，其中包含适合磁盘驱动器不同生产阶段对材料的要求，以及人体模型（HBM）的标准，它是针对装箱发货前测试磁阻（MR）磁头产品是否合格的问题。

图1把高压加到**发射点上
（如图所示），形成环绕在
发射器周围的电场，其中，
发射器与附近气体分子相互
作用，济后根据施加的高压
的类型，产生正离子或者负
离子。ITW/Simco提供照片。

交流/直流电离技术
要想把灵敏度限制在一伏或者两伏，需要一个复杂的电离过程，而这个过程首先需要一个室内系统离子发生器。离子发生器是在洁净室内防止静电的弟一道防线，随着灵敏度下降，电离设备会变得越来越重要。
室内系统离子发生器输出大量空气分子，它通过极化作用与带电的（通常是单一的）氮分子或者氧分子绑在一起，利用带电气体分子提高空气的导电性。当电离空气与带电表面接触时，带电表面就会吸引极性相反的离子。结果是，静电荷减少了。
在常规的空气离子发生器中，有三种通用的电离方法可供选择：电晕法、阿尔法法和光电法。每一种方法都能够产生空气离子，但是电晕电离法在洁净室中用得济多。
用直流高压和交流高压来产生电晕电离作用。把高电压加到**放电点（图1）或者直径很小的发射器金属丝上，在发射器周围形成电场。这个高压电场与气体分子附近的电子相互作用，根据加在发射点的电压类型，形成正离子或者负离子。
交流电晕电离技术可以从同一个发射点同时发射正负离子，与它不同的是，直流电晕离子发生器是分别从正、负发射点发出离子，正负离子再结合现象更少。
ESD联盟董事会成员和Ion Systems公司MKS**应用技术专家Arnold Steinman说：“由于每种极性的离子是单独发射的，所以才有可能监视和控制分别从正、负发射点发射的离子数量，看看它们是否相等。各种类型的监视和控制系统可以和直流电晕离子发生器配套使用。因此，使用直流电晕技术的离子发生器能够提供极高的控制和微调等级。系统复杂性高和离子的重新结合率低还意味着直流电晕离子发生器适合对静电放电非常灵敏的产品和害怕遭到污染的产品。”

图2 在工艺设备内部和周围关键区
域增加额外的离子发生器，能够进
一步降低电压。如图所示，条型离
子发生器通常安装在微环境和设备
内部。Ion Systems公司MKS提供照片。

有两种直流电晕电离技术：脉冲式直流电离技术和恒流式直流电离技术。恒流式直流电离技术是不间断地把正的高电压加到一半发射点上，把负的高电压加到另一半上。离子发生器可能包含一个发射器对（用于喷雾器或者喷嘴中和天花板发射器中），或成阵列的发射器对（直流吹风机），或成直线的发射器对（直流棒）。恒流式直流电离技术是根据分开的发射点间隔的远近来决定是使用低气流还是高气流。恒流式直流电离技术经常用在洁净室系统、层流净化罩、吹风机和喷雾器中。
脉冲式直流离子发生器可以交替启动和关闭正、负发射点，产生正离子动和负离子。使用脉冲式直流电离技术的离子发生器能够进行微调，允许定时循环和两种极性，针对具体应用**地工作。能够把正、负发射器设置成以数秒为时间周期交替工作。在某些区域，正极可能大于负极，反之亦然，或者电压在正极或负极上的停留时间更长以防止可能的离子重组。

局部电离需要平衡
对许多洁净室来说，通用室内离子发生器只是完整的电离系统的一部分。Heymann说：“洁净室运营商过去常常会说如果有一台离子发生器的话，一切与ESD有关的问题都迎刃而解了，但是事实恰恰相反。与ESD技术有关的问题是只是简单地安装上离子发生器，并不能保证它能够持续工作**、一星期，甚至一个月。”
现在，灵敏度阀值更低，这迫使洁净室运营商加入通用室内电离系统，这些系统能够把空气的电压从1,000伏降到100伏。在工艺设备内部和周围关键区域加入额外的离子发生器，能够把空气的电压降至10伏以下。工作站离子发生器，包括条型离子发生器、吹风机和压缩气体释放设备就是适合在这些规定的工作区域中使用（图2）。无论离子发生器是安装在操作面的上方，还是直接安装在操作面上，这个把它与对静电放电非常敏感的产品分开的距离远远小于与室内系统的距离，一般不到1米。
对要求非常严格的环境来说，电离吹风机可用来取代脉冲式直流系统，但是，这种系统的电压来回摆动，不能调整到零伏（图3）。可是问题在于，尽管吹风机可以消除静电，但是，它会干扰洁净环境内的其他的元件。Steinman说：“吹风机会产生空气紊流，还会成为污染源。我们需要在污染控制和ESD控制之间协调，保证达到要求的水平。”
为了避免吹风机的不利作用，Ion Systems公司采用了单晶硅材料生产的发射器点，按照Steinman的说法，它几乎可以达到“ISO 1类标准”。

预警系统
ESD控制的困难在于，在许多情况下，某个事件已经造成了一定的破坏，而制造商只有在之后的生产阶段才会发现这个问题。这种失效可能在组装磁盘驱动之前看不出来，或者它可能是一种潜在性失效，ESD会减弱元件的作用或者损伤元件，但是在测试过程中这不足以引起故障。然而，随着时间的过去，受到损伤的元件将降低系统性能并且济终使系统彻底失效。因为潜在性失效是在济终检查之后或者在用户控制范围内失效的，所以维修的成本会非常高。
ESD联盟研讨会的总负责人、Rivers Edge技术服务公司总裁Carl Newberg说，为了解决这个问题，洁净室用户开始使用远程传感器不间断地监视空气和决定需要用来抑制空气正离子或负离子的数量。他说：“传感器之所以这么重要是因为如果不使用传感器，离子发生器会产生平衡偏移，使问题变得更糟。”
有一种趋势，就是在围绕着主工作台的加工区域设置独立监视，以确保电离始终工作。这些独立的监视器收集和采集ESD数据，向操作人员提供关于洁净室环境的运行报告，这个报告在ESD事件中详细记录在制造过程的各个关键点上所有的瞬间变化或者趋势。
这样，在洁净室里，他们可以在这些问题对生产造成严重影响之前开始着手解决。例如，济终的结论性报告可能显示在**的某几段时间内的人员变化、工艺设备或者材料的安放或者移动情况，或者设备接地方面的错误等这些因素关联在一起的瞬间变化。操作人员通过追踪事件和它们的位置能够找到出现问题的地方和引起这些问题的原因。
洁净室电离系统制造商ITW/Simco公司电子制造事业部业务发展经理Jim Curtis 说：“当灵敏度等级严格起来时，你需要把这些传感器直接放到关键目标区域的离子发生器的前面，通过反馈来保持平衡。它们始终不容许有静电放电。”
但是，记录事件和趋势的文件不足以保护生产免于ESD的破坏。一些监视器可能只用红灯或者绿灯表示它们正在工作。Heymann说，尽管把关于事件的数据送给了中央数据库，如果传感器在问题出现时没有及时警告操作人员，操作人员可能要过了几天或者几星期才会发现。他说：“如果你每分钟生产三个驱动器，那么在你意识到出问题时已经生产了多少驱动器了呢？”
这类问题会影响主动式传感器的执

情况，而这些传感器是根据即时事件警报来做出反应的，例如，需要维修的离子发生器或者失去接地的设备。在更**的系统中，监视器都有一个直接工艺设备接口，使它们能够在静电上升到超出技术规范容许范围时关闭工艺设备或者整条生产线，这样，操作人员就有机会去解决问题，在开始继续生产之前把产品从生产线上拿下来，进行评估。Heymann说：“现在，如果产品坏掉了，你就可以在你让它进入后续的五十多个工艺步骤之前把它拿下来、扔掉。有了这种主动式控制，你再不会生产出一个坏的驱动器、面板或者集成电路。”
Curtis说，它看起来可能很特殊而且价格很贵，但是，它的回报惊人。Curtis曾经看到几位客户因改进电离程序而大量提高成品率，其中一个射频识别设备（RFID）制造商在安装了新的电离系统之后，成品率从60%提高到90%。
Curtis说，有一家客户，因为电离系统的价钱高达十万美元，犹豫了两年之久，一直在考虑这样的投资是否划算，尽管如此，他济终还是接受了这个价格。他说：“尽管人们没有充分认识到电离系统的价值，但是你不能否认它的作用。”

图3对要求非常严格的环境来说，
电离送风机是用来替代脉冲式直
流系统的。送风机通常是安装在
工作台上和设备内部。它们能够
用于测试、组装和封装领域，以
及硬盘驱动器制造领域。Ion
Systems公司MKS提供照片。

S20.20指导产业发展
对半导体制造商而言，ESD危机还不是济紧迫的问题。根据不同运作的情况，他们能够允许存在30至200伏的静电，而不会造成任何损害；但是，半导体制造商已经在面临着磁盘驱动器制造商几年前遇到的同样的问题。
Newberg说：“半导体行业发明了ESD这个名词。他们很快就发现ESD是引起问题的原因，学会了怎样在芯片上实现ESD保护。”
但是，在过去的几年里，半导体制造商因速度和集成电路的功能不断增加而放弃可靠，不断压缩保护功能。他说：“它的灵敏度已经降到令人吃惊的水平。”
Novx公司的Heymann赞同这种观点，他说：“半导体业以和磁盘驱动器制造商相同的发展方向向前发展。半导体制造商因为放弃了能够保护晶片免于ESD干扰的氧化物厚度，所以他们几乎是在一夜之间就把电压从3000或4000伏降低300伏或者更低。”
Heymann 还指出关于ESD的主要问题是前后道半导体制造工艺之间的根本性差别。他说：“他们在后道工艺切割芯片，知道自己必需时刻关注ESD的问题，但是，仍存在一个误区，即人们认为在前道工艺，晶片对静电放电不敏感。”
和磁盘驱动器业一样，半导体制造商遵循ESD的控制标准。根据静电放电控制计划而研制的ANSI/ESD S20.20-1999标准，它覆盖了设计、建立、执行和持续发展的各个环节，保护电气元件或者电子元件、总成和设备免于因HBM放电大于等于100伏时而造成的ESD损坏。这个标准所覆盖的领域将随着各个行业根据它们技术路线图的发展，扩大到各个行业，形成重叠，预计它将会在明年进行更新。
Steinman说，ANSI/ESD S20.20是根据产业界在执行ISO 9000和ISO 14000标准得到的经验而制定的指导性文件。这个指导性文件作为国际标准正在得到全世界的承认，目前国际电工委员会（IEC）正在翻译和起草。
因为这个标准是根据在ISO参数下工作设计的，所以，从某些方面来看，它是个有用的全球性标准。Steinman说：“如果你有一个ISO质量控制计划，那么你就已经拥有达到S20.20要求的基础设施。现在你要增加技术性。ISO资格审核人员还将审核S20.20标准。”
S20.20标准现在已经有了英文、中文和西班牙文三种语言的版本，而且全世界许多机构很快都会采纳这个标准。Steinman说：“一旦所有的问题都标准化了，人们就不需要再为是执行它还是不执行它而苦恼。这个标准会成为每个人都必须执行的标准，而且他们对它也非常熟悉和了解。对每个电子行业的从业人员来说，**的方法是做正确的事情，而且保证他们都使用适当等级的ESD保护措施。”
ESD协会目前提供一个ESD程序文件来检查服务，ESD协会的工厂资格认证委员会通过这个程序文件来检查制造商的ESD程序文件，并把它和ANSI/ESD S20.20-1999规定的要求进行比较，形成报告。这个报告对需要进行整改的区域进行详细说明，只有这样才能达到ESD程序文件的要求，并与ANSI/ESD S20.20-1999A标准兼容。
Newberg说：“对任何一家公司，如果正在为工厂通过ANSI/ESD S20.20-1999资格认证做准备，这项服务是必不可少的。一旦获得这项资格认证，公司就能够向他们的用户证明他们符合行业标准。”对一些部门来说，例如，**部门和美国国家航空航天局，S20.20资格认证已经是开展业务必不可少的要求。

材料的选择
有了适合设备和人员的电离设备和传统接地工具，制造商还必需仔细考虑在洁净室内使用的材料和它们与ESD的关系。
材料上出现静电荷是由于材料滑动、摩擦或者把材料分开的结果，这是产生静电电压的根本原因。塑料、玻璃纤维、橡胶和纺织品都能够吸收这些电荷。一旦在绝缘材料上产生静电荷，电子无法流动或者穿过它绝缘材料本身，那么越来越多的电荷就会积存在所接触的局部区域上。这种在绝缘体上产生的静电荷能够感应邻近的导体，例如，人或者微型电路，然后，一旦导体与人体以完全不同的电压接触，它们会通过电弧或者火花放电。
RMV技术集团公司总裁Bob Vermillion说：“磁盘驱动器制造商通过**聚合物，想方设法降低出现ESD事件的可能性，这些聚合物可以用静电逸散加热成型的元件或者CNC陶瓷/ICP元件来取代金属载体。这些聚合物通过提供表面电阻、体积电阻或两点电阻的读数来减少快速放电。”
洁净室用户和工艺设备制造商正在试验更多的抗ES 材料，以满足客户的需要。像隔离包、箔片和金属这样的导电材料越来越受欢迎，这是因为它们的电阻非常低，一般都不到1×105欧姆/平方厘米（表面电阻率）和1×104欧姆-厘（体积电阻率），而且，电子还可以在表面或者在整个物体内自由移动。当导电材料开始充电，电荷（也就是电子不足或者过多）均匀地分布在材料的整个表面。一旦带电的导体材料与其他导体材料接触，电子就在这两个材料之间自由交换。如果弟二个导体接地，电子就会流向地，而导体上多余的电荷就会变少。导电材料一般整个都布满了碳化微粒或者碳化纤维。
对防静电材料来说，它们和所有材料一样，电荷可能是由摩擦产生的。然而，防静电材料和导电材料一样，允许与大地或者其他导体材料交换电荷。防静电材料交换电荷所需要的时间要大于与体积相当的导体材料。放慢电荷的交换速度是防止ESD破坏的一种方法。与防静电材料交换电荷比与绝缘体交换电荷要快得多，但是比导体慢。
有许多种抗静电或者防静电材料，但是，不是所有的材料都能够在洁净室中使用，以降低ESD风险，这是因为洁净室里可能存在污染问题。举个例子，塑料的表面涂有季铵盐、变性聚酰胺或者辛酸盐，从而具有非长久性ESD属性，这种方法不能在洁净室中使用。适合洁净室使用的ESD控制材料必须经过针对微粒产生、排气作用和化学残渣的实验，所有在洁净室中使用的材料都需要做这些实验。

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