静电吸附对全自动粘片的影响及控制方法

李靖旸，赵鹤然，丁红园，康 敏

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110000）

1 引 言

静电（Electrostatic）就是物体表面累积的相对静止不动的电荷，是正负电荷在局部范围内失去平衡的结果，其产生是一种自然现象。静电会在其周围形成静电场从而产生力学效应、放电效应、静电感应效应等[1]。而其中有些效应在某些条件下就会造成电气上的损伤。近年来，静电损伤已经成为影响航天电子产品质量和可靠性的重要因素之一[2]。随着我国空间技术的不断发展，航天型号产品使用的静电敏感器件也越来越多，静电放电问题在空间技术领域备受关注[3]。有效的系统静电防护对保证集成电路封装线电路的生产、制造等的质量和可靠性有着相当重要的意义[4]。

随着集成电路小型化的发展，芯片尺寸日渐减小。然而对于较小尺寸的芯片，在全自动粘片过程中，由于静电力学效应带来的吸附效应会严重干扰芯片的拾取和放置，与理想的粘片效果产生很大的差距，大大降低产品的成品率和一致性[5-6]。如果不能及时释放，这些静电的积聚对后续产品的可靠性将是极大的隐患。通过理论分析与实验研究，提出有效的控制措施，去除粘片之前和粘片过程中的电荷，对于高可靠集成电路，特别是小尺寸芯片集成电路的组装具有重要意义。

2 静电吸附原理

当一个带有静电的物体靠近另一个不带电物体时，由于静电感应，没有静电的物体内部靠近带静电物体的一边会产生与带电物体所携带电荷相反极性的电荷；另一侧产生相同数量的同极性电荷。由于异性电荷互相吸引，会表现出静电吸引现象，其原理如图1 所示。

图1 静电吸附原理

静电吸附力的物理表达式如下各式所示：

其中，C 为平板电容器的电容；Q 为电量；U 为电势差；W 为静电能；F 为静电吸附力；m 为被吸附物体质量；g 为重力加速度。

可以看出，静电吸附产生的加速度a 与被极化物体的质量m 成反比。因此，对于面积和质量较小的小芯片，更容易由于静电而产生吸附效应[7-8]。

3 静电的防控和消除方法

基于上述理论分析，为防控静电的产生，或对已有静电予以消除，主要可采取如下六项措施：

1) 穿戴防静电净化服

防静电净化服是为防止服装上的静电积累，用防静电织物为面料而缝制的净化服。防静电织物是在纺织时，大致等间隔地或均匀地混入导电纤维或防静电合成纤维或两者混合交织而成的织物。其消电是基于电荷的泄漏与中和两种机理[9]。

2) 戴防静电指套

防静电手指套由防静电胶和乳胶混合制成，不含硅油、氨化物，除了基本的对手指的保护功能，更可有效防止静电产生，同时还避免了人体皮肤直接接触电子零配件而造成对元器件的污染。

3) 佩戴防静电手环

根据电晕放电效应和尖端放电原理，当聚积的电荷超过一定阈值，会因电位差向空间放电，从而达到消除静电的目的。利用该手环可使操作人员自身接地，在静电损坏电子产品之前，便将人体所带静电导走。

4) 进净化间前吹淋

吹淋室是操作员进入洁净室无尘间所必备的净化设备。用强劲洁净的空气，由可旋转喷嘴从各个方向喷射至人身上，有效而迅速清除附着在衣服上的灰尘、发屑等杂物，减少人进出洁净室所带来的污染，同时也减少空间静电积累。

5) 设备接地控制

接地就是直接将静电通过导体连接从而释放到大地。设备在生产传输过程中因存在摩擦，很容易产生静电，在出口处利用铜箔将板面接地，即可消除板面上的静电。

6) 湿度控制

静电的积累和消散与环境的湿度关系密切。在干燥的空气中，物体很易容产生静电及静电的积聚。当空气的湿度增加时，因空气及物体的导电性增加，在两物体即将分离时，带电部位会发生局部放电而中和掉刚产生的电荷，使两物体不再带电。一般情况下湿度控制在50%左右[10]较为理想。

4 静电吸附对全自动粘片影响

全自动粘片的芯片拾取过程为：芯片图像识别后，吸头下降，接触芯片，加压，开启真空，吸头升起；芯片放置过程则为：粘接区图像识别，吸头下降，芯片接触粘接区（胶体），加压，关闭真空，吹气，关气，吸头上升，粘接完毕。

在全自动粘片的过程中，发现部分批次的芯片仍然存在静电吸附现象。据分析推断，这一方面是芯片传递和摆放过程中引入的静电；另一方面，是全自动粘片设备本身存在静电，使吸嘴和芯片带电。静电发生此类影响的示意图如图2。

图2 静电吸附对全自动粘片的影响

吸嘴对于芯片吸取的不同情况如图3 所示。其中，图3(a)为正常吸取芯片的情况。在小尺寸芯片自动粘接过程中，当吸头接近芯片还未接触芯片时，由于静电吸附，芯片会向上飞起，随后在真空吸力作用下位置杂乱无章地吸附在吸嘴上，在这种情况下，芯片图像识别失去意义，芯片的相对位置不可控，往往存在位置偏差和角度旋转，如图3(b)、图3(c)所示。芯片拾取位置不可控，会直接导致粘接精度的失控。更严重的情况是，芯片会被静电吸引脱离芯片槽，并发生翻转，立向吸附在吸嘴上，如图3(d)所示。

图3 芯片吸附状态示意图

芯片吸取位置若发生偏移，在放置时，与胶粘剂对位也不可能正确，会减少有效的粘接面积，降低粘接强度；甚至会在放置后因为芯片一侧溢胶过多而产生芯片上胶现象，严重时会使吸嘴上胶，导致吸嘴堵塞报废。

芯片的立向吸附是更加致命的，由于芯片侧边相对较薄，施加较大的放置压力很可能会损伤吸头。

除此之外，不彻底消除静电，还可能会引发静电击穿现象，对芯片的电性能造成毁灭性的影响。综上所述，在全自动粘片之前和全自动粘片过程中彻底消除引入的静电，是绝对必要的。

5 粘片过程中的静电控制

为实现粘片过程中良好的静电控制效果，首先要保证芯片吸头及芯片载物台可靠接地，及时排除吸头、料盒上的静电。有条件的，可更换防静电吸头，减轻吸头带电。必要时，可在全自动粘片机内部安装小型去静电离子风机装置，产生出带有正负电荷的离子风。当物体表面的电荷为负电荷时，会吸引气体中的正电荷；当物体的表面电荷为正电荷时，会吸引气体中的负电荷。因此，带正电的粒子，会将离子风中的负电荷吸收掉，成为不带电的粒子；带负电的粒子，则会将离子风中的正电荷吸收掉，成为不带电的粒子。在此过程中，不带电粒子不吸收电荷，随离子风中多余的电荷一同飞散到空间中。多余电荷最终被传导到大地去，以此法即可消除工作环境中的静电。离子风去静电的原理示意图如图4。

图4 离子风去静电原理

采用上述方法控制后，再观察芯片粘接过程。在吸头接触芯片前和放置后，未再出现静电吸附情形。通过粘片后目检观察，芯片粘接一致性较高。观察芯片表面，未发现静电击穿造成的烧损现象。对组装后的电路进行电学测试，电路的电性能表现良好。

6 结 束 语

通过阐述微组装过程中静电产生的机理及通用的静电防护方法，探讨消除粘片前静电的可能性。研究了全自动粘片过程中静电作用对芯片拾取和放置的影响，明确了静电应力效应对小尺寸芯片的作用机制，最终给出了实际的去除粘片过程中静电的方法。通过此方法可以有效去除多余电荷，产品一致性和可靠性有效提高，通过了目检，组装后的产品电性能也得到了很好的保证。