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SMT静电放电(ESD)的制程控制改进和对产品的设计检验的经验分享
录入时间:2019/12/31 11:42:21

摘要:ESD/静电放电是SMT质量工程师常遇到和困惑的问题,如何用新的测试设备来让不可见的ESD变可见,如何用公式来计算ESD放电发生时,被保护IC保护线路上残余电压是否安全。

本文分三部分,

 一:介绍如何用ESD Event Monitor(静电放电监控仪)来测试产线是否发生静电放电现象和放电电压的大小,二:如何用算法来估算产品设计的ESDTVS保护元件选用和电路板铜箔设计是否合理,三:对产品ESD测试要求国际标准的IEC61000-4-2中豁免测试(Electrostatic discharge immunity test)的理解。

关键词:ESDEvent(静电放电事件);ESD TVS (瞬态二极管/Transient Voltage Suppressor); ESD豁免测试(Electrostatic discharge immunity test)

0 引

ESD(ElectroStatic Discharge)静电放电,是电子制造工厂的质量工程师的“老朋友”,更是梦靥。

在电子厂质量工程师收到的半导体供应商的分析报告(FAR)的结论中,80%以上的都是EOS/ESD,并且会得到厂商的一句友好建议:请贵司评估制程是否有ESD风险,产品ESD保护是否设计合理。这时,工程师就得嘀咕, 我该如何跟我得老板交差了?!

ESD的制程和产品控制的文章,在Internet上很多,ESD防护材料,静电手环,离子风扇的使用,ESD静电网及接地桩,中央空调的ESD加湿运用等等, 在此不做介绍,谨以我在这两年的实践经验中的ESD静电放电监控,ESD产品设计保护, 和ESD测试评估的经验心得来与大家共享。

1 制程中的ESD Event/静电放电事件的监控和测试

电子厂工程师都有这样的痛苦经历,测试站突发高不良, 经工程师分析为ESD, 向厂长报告, 嗯, 得到厂长一句:“又是ESD, 跟我讲这个看不见摸不着的ESD, 你在讲鬼故事吗?”。然后被K得满头是包,满腹委屈回来。

是的, ESD是个看不见摸不着又是事实存在的“鬼故事“。 如何让这鬼现形呢?传统的三大ESD神器,ESD接地电阻重锤,ESD表面电阻测试仪和静电仪已经力不从心了。


代工厂甲(ODM) 有采用SIMOCION的品牌(Intel推荐)的ESD放电监控仪(ESD Discharge Event Monitor)对SMT工厂流水线的贴片机及皮带线检查, 发现有用传统ESD检测仪器没法检查出来的放电现象, 并查出产生原因改进传输皮带,设备接地等。
现在市面上已经有一种能监控到周边有ESD放电事件发生(ESD discharge Event)的仪器。可以让工程师做长期监控并记录到周边每一次ESD放电事件的发生时间,放电静电压的大小。通俗讲, 就是让“鬼“现形。

在业界内, 3M(现SCS)的手持式ESD Event Monitor 也是个不错的选择, 我们的代工厂乙(ODM) 就是采用3M手持式测试仪。

问题已经发现, 且已经明确看到ESD静电场以及静电放电的区域与电压量级, 如何来预防呢?

考虑到湿敏元件(MSD)的控制,加湿在SMT车间是不可行的, 那么离子发生器是较佳选择了,SIMOCION有推荐如下图的广角离子发生器。用离子空气来中和主板(Mother Board )上的静电。如“图一“

2 主板(MB)的ESD设计保护线路合理的设计评估

QE的同仁们一定会遇到这样的问题, 我们在SMT工厂里面ESD的各项任务已经控制的非常好了,为何出去的产品还是有一堆的IC的ESD问题呢? 然后,QE工程师又领了一堆的任务要来查制程的各项ESD任务。当QE来怀疑RD的ESD保护线路设计有问题,嗯,RD会直接怼到你怀疑人生。

实际上, 怀疑RD的设计有瑕疵, 这是对的,这里就要介绍ESD TVS(瞬态二极管)的选用和PCB Layout 的设计问题了。

首先,要选对的TVS(瞬态二极管), 低电容以满足高数数据传输特性的要求,快速响应时间,低钳位电压, 高浪涌电流通过能力。在现在的降成本压力下,RD的设计成本(BOM Cost)降本要求是每季度都要下调,RD会使用ESD TVS(瞬态二极管)系列中的低价品来替用,低成本低品质参数。这就要求QE工程师去看看实际使用的TVS(瞬态二极管)的参数与原始设计器件的差异。在此, 不做具体举例。

另外,要选用正确的PCB Layout (印刷电路板布线),ESD TVS(瞬态二极管)的等效电路图如“图二“。(引用《Very Low capacitance ESD protection USBLC6-4 /STMircoelectronics》

钳位电压 VCL   可以按一下公式计算 (理想状态下)。

 VCL = VTRANSIL  +V(正向放电)

 VCL = -V(反向放电)

其中 VF = VT + R d * I (V导通压降, VT 导通门槛电压)

假设瞬态二极管的动态电阻为 Rd =0.5Ω且 Vt=1.1V.

依照 IEC 61000 4-2 surge level 4 (Contact discharge: Vg =8KV, Rg=330Ω)

VBUS=+5V,     Ip =Vg/Rg =24A

则可以得到:

Vcl+= +31.2 V ;Vcl-=-13.2V


可得到:
现实往往是非理想状态的。我们假设铜箔引脚线长10mm, 宽0.5mm, 则铜箔引线的等效电感约为6nH。IEC 61000-4-2surge occurs脉冲时间tr=1ns。则会在铜箔的等效电感上-产生额外的压降LI/O * dI/dt + LGND * dI/dt。因为电流突变量dI/dt =Ip/tr= 24 A/ns,在每侧铜箔上产生的电压降为 LI/O * dI/dt= LGND * dI/dt =6nHX24A/ns=144V。

Vcl+=+31.2+144+144=319.2V;Vcl-=-13.1-144-144=-301.1V。

Intel的CPU制程进入纳米级后,CDM模式就降到250V级了。非理想状态下的布线会置CPU于风险之中。

那, 同学们会问了,既然是设计的问题,为何QE的ORT(Outgoing Reliability Test)测试没法发现呢?这就涉及到IEC 61000 4-2的豁免测试的理解和执行了。这就是为何RD已经加了TVS(瞬态二极管),工厂SMT制程控制也做完善了,为何还有现象级的ESD不良在市场发生了。

3 设计评估测试(EVT)和ORT测试的ESD测试方法

产品的ESD测试是各个品牌商的基本要求,也是严格要求代工厂执行的基本产品评估测试。既然都有按要求的规范去测,QE工程师可以大胆假设设计评估测试(EVT)和ORT测试的ESD测试方法有瑕疵。

基于大胆假设,小心求证的理念, 先查IEC 61000 4-2,得到了,国标有豁免项。对于高速传输端口,有豁免接触式ESD测试(Contact discharge).

国标是产品的基本要求, 不是最高要求, 我们应该比国标更要高标准要求。可以在材料市场端找到能满足到高速数据传输要求的超级小电容的ESDTVS(瞬态二极管)来保护IC.

 

4. 经验总结

 

 

测试工具的改进上, 要跟进业界的最新技术动态,尽早拿到业界的最新仪器来帮助工作更便捷。如使用“ESD discharge Event Monitor”让“鬼”故事现形。

材料技术的进步, 在Intel CPU进入纳米制程后, CPU本身自带的的ESD防护等级下降,对SMT制程的要求更高,在产品的设计上也要求更严谨。

终端用户的使用环境可能变数更多, 如在Iphone4到Iphone6的USB数据线是敞开式,所有的端子都开放模式,而很多终端用户购买的并非Apple认证的线,非认证的线中没有集成ESD保护线路终端用户的ESD会直接灌入到PC中,造成IC更容易受伤。

 

参考文献

·        SI-Ele-EV3-180507(Simco ION 产品目录)@https://www.simco-ion.com/

·        3M_ESD_Pro_Users_Guide(3M ESD Event monitor /3M 静电放电监控器使用手册)https://staticcontrol.descoindustries.com/default.aspx

·        Very Low capacitance ESD protection /STMircoelectronicshttps://www.st.com/resource/en/datasheet/cd00047494.pdf

作者:李称生/工厂工程品质工程师,邮箱:Jackson.li@hp.com

电话:086-18523543830

单位:惠普(重庆)有限公司

地址:重庆市沙坪坝区西永镇西园一路28号

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