SMT組立工程におけるESD損傷の防止方法

周知のとおり、静電気とは物体表面に蓄積された比較的静的な電荷を指し、これは局所的な範囲における正電荷と負電荷の不均衡である。ESD（Electrostatic Discharge、静電気放電）は、異なる静電ポテンシャルをもつ物体または表面間で生じる静電荷の移動を指す。ESDは、接触放電と電界破壊放電に分類することができる。さらに、ESD損傷とは、ESDの影響によって電子部品が性能劣化または故障を起こす現象を指す。現在最も一般的な実装技術の一つであるSMT（Surface Mount Technology、表面実装技術）は、さまざまな分野の製品に広く適用されている。したがって、電子製品の信頼性と性能を最適な状態で確保するためには、SMT実装プロセス中にESD損傷を防止する必要があり、本稿ではその方法について述べる。

ESD の生成

静電気は、物質の接触と分離、静電誘導、誘電分極および帯電粒子の付着など、一連の物理的過程を通じて実際に発生する。物質表面における電荷の部分的な不均衡により、静電気は高い電気エネルギーとして物質表面に存在する。動きがあるところには、静電気が存在する。SMT組立工程においては、静電気は次のような状況で発生し得る。

a. 摩擦によるESD

静電気放電の主要な発生源として、摩擦はSMT実装プロセスにおける静電気の主な原因となってきました。結局のところ、日常生活において異なる材質の2つの物質が接触した後に分離されると、必ず静電気が発生します。SMT実装プロセスにおいては、人体と衣服、靴、靴下などとの間で摩擦・接触・分離が起こることで、ESDが発生することがよくあります。一般的に、絶縁性の高い材料が多く存在するほど、摩擦によって発生する静電気も多くなります。関連する研究によれば、人の動きによって生じる静電気は100Vから3,500Vの範囲の電圧を示し、電子部品に対するハードダメージやソフトブレイクダウンの主な原因とみなされています。

b. 誘導によるESD

電子製造の過程において、大きなエネルギーを蓄えた帯電物質が電子部品に近づくと、それらの電子部品も静電気源となる。導電性材料がその電界内に置かれると、正電荷と負電荷が移動し、静電気が発生する。しかし、2つの物質が密着している場合、接触部で電子の移動が生じる。さらに、ESD は電子製造に使用される装置や工具、例えばSMT組立装置、コンピューターおよびモニター、電気はんだごて、リフローはんだ付け炉、フローはんだ付け炉および検査機器。

c. 伝導によるESD

一般的に、電子部品には金属リードやピンがあり、静電気を帯びた物体に接触すると、帯電体から金属体へと電荷が素早く移動し、電子部品が帯電状態になります。帯電した部品が接地と接触した瞬間、ESD損傷が発生する可能性があります。

ESDの属性

静電気は高電位・低電力という特徴を持ち、その電圧は数百ボルトから数千ボルト、場合によってはそれ以上に達することもあります。静電気は通常、数マイクロ秒の間だけ作用し、湿度は静電気と非常に密接に関係しているため、湿度を高めることでESD損傷の低減に役立ちます。静電気が持つその他の特性には、次のようなものがあります。

a. 変装

静電気は通常、人間が物理的に感知することはできず、人間が電撃を確実に感じることもできません。人間が感知できるのは、2kV以上の電圧を持つESDのみであり、これは静電気の偽装的な特性です。ESDダメージによって引き起こされる故障や性能劣化の多くは、検査を実施するか、実際に部品を使用してみない限り、表面化しません。

b. 複雑さ

ESD の電力は、エネルギー蓄積が限られている空間電荷に属します。瞬間的な高電圧パルスとして、部品に対して短時間の電撃エネルギーを与えることしかできません。静電気自体の電気エネルギーは低いにもかかわらず、安全に放電することは容易ではなく、その制御も複雑です。ESSD（Electrostatic Sensitive Device：静電気感受性デバイス）は回路が非常に微細であるため、電子部品が ESD 損傷を受けた後では故障解析の実施が困難です。

c. 深刻さ

ESD に起因する潜在的な故障は、一部のパラメータ変化を引き起こすだけです。これらが妥当な範囲内に収まっている限り、ESD ダメージを受けた部品は検査を難なく通過してしまい、これが初期故障の根本原因となります。ESD ダメージによって生じた欠陥は、後工程ではほとんど克服できません。さらに悪いことに、検査段階ではそれが露見しないのです。

ESD損傷

電子産業に関して言えば、電子製品は小型化・多機能化する傾向にあり、一部の部品の集積度は上昇し続けている。さらに、内部の絶縁層はますます薄くなり、配線はより微細になり、印加電圧に耐える能力は低下している。多くの静電気に敏感なSMD（表面実装デバイス）は、人が感知できる静電気電圧よりも低い耐電圧特性を有している。しかし、製造、輸送および保管の過程で発生する静電気電圧は、その耐電圧をはるかに上回り、これにより部品はしばしばハードショックまたはソフトショックを受ける。その結果、SMDは故障を起こすか、あるいは信頼性が著しく低下することになる。

統計によると、電子機器の故障原因全体のうち、ESD（静電気放電）が占める割合は 8％～33％に達し、その損害額は数十億米ドルに上ります。したがって、ハイテクなSMT実装工程においてESDを効果的に制御することは、生産効率の向上、製品品質の改善および利益の獲得につながります。ゆえに、ESDを防止するための有効な対策を講じることは、非常に重要な意味を持ちます。

ESD は、感度の高い部品に対して、突発的な故障や潜在的な故障を引き起こします。突発的な故障はハードダメージとも呼ばれ、部品が全体としての機能を失い、内部の一部が永久的な故障や断線を起こす原因となります。潜在的な故障はソフトダメージとも呼ばれ、部品の性能パラメータが劣化し、動作が不安定になったり、一部の機能が劣化または喪失したりする原因となります。ESD によって引き起こされる全体的な故障のうち、潜在的な故障は 60％～90％ を占め、突発的な故障は 10％ 程度であり、ほとんどの故障が潜在的な故障に分類されることを意味します。潜在的な故障の本質は、部品の欠陥が検査によってほとんど顕在化せず、故障の真の原因を突き止めることが困難である点にあります。さらに、リワークや処理には高いコストがかかり、部品の保存寿命も短くなります。

SMT組立工程におけるESD保護

ESD保護の本質的な目的は、SMT組立工程は、静電気によって ESSD（静電気敏感デバイス）が損傷を受けるのを防ぐことです。基本原理は、ESD が発生しうる場所において静電気の蓄積を効果的に制御し、静電界の形成を防止し、静電気の発生源を厳格に管理することにあります。さらに、最終的には静電荷の量を低減し、すべての帯電防止機器に対してリアルタイムの監視・点検・保守を実施する必要があります。ESD 保護は主に、作業場環境、作業者、接地、および静電気中和の観点から行われます。

•作業場環境におけるESD保護

a. 静電気防止用接地適用

製造工場は非常に重要なESD保護エリアであり、床、壁、天井、ドア、窓、作業台、製造用工具など、そのすべての部分は静電気がない状態でなければなりません。主要な静電気発生源であるため、ESD保護は十分に施されている必要があります。一般的に用いられる対策には、帯電防止PVCフロアの施工、帯電防止床用塗料の使用、およびゴム材の使用などがあります。

帯電防止フロアをより有効に活用し、その寿命を延ばすためには、日常的にいくつかの対策を講じる必要があります。例えば、床は清潔に保ち、傷の原因となる鋭利な物体を置かないようにします。作業場には汚れを持ち込まないようにし、床についた油汚れは速やかに拭き取らなければなりません。

b. 相対湿度の制御

製造工場の相対湿度（RH）はESDに大きな影響を及ぼし、適切に管理されない場合には高いESDが発生し、静電気による製造事故の可能性が高まります。したがって、製品に悪影響を与えない範囲で、組立作業場のRHを適切に上げることができます。さらに、静電気を帯びやすい材料は製造ラインから離しておく必要があります。

c. 静電防護材の使用

静電防護材料とは、静電気の発生を抑制し、静電荷を散逸させる、または ESD を防止することができる種類の材料を指します。したがって、その材料特性は、ESD 保護システム全体にとって不可欠です。

•人体の静電気接地システム

ボディ用ESD保護システムは、ESD保護用ユニフォーム、リストバンド、靴、靴下、帽子、手袋または指サック、エプロン、フットストラップなどで構成されます。システム全体は、静電気を漏洩させ、中和し、遮蔽する機能を備えています。人体の静電気接地システムは、実際には静電気の蓄積を防ぐための完全な接地回路であり、リストバンド、フットストラップ、靴、パッド、床、マット、接地支線および共通接地線で構成されています。

・ESD接地

SMT組立工程において静電気を除去するための本質的な方法は、製造工程および作業工程で発生した静電気を速やかに放散させることである。接地とは、電気機器を大量の電荷を供給または受け取ることができる対象物に接続するプロセスを指す。接地はハード接地とソフト接地に分類される。前者は低インピーダンスによる接地接続を指し、後者は高インピーダンスによる接地接続を指す。

・静電気電荷の中和

導電体や電荷を逃がす半導体材料の場合、ESD 保護は接地によって実現できますが、絶縁体には有効ではありません。したがって、静電気を除去するためには、イオン中和を用いる必要があります。

一言で言えば、ESD保護はSMT実装製造の全工程に適用されるべきである。今日、電子技術が絶えず進歩しているのに伴い、ESD保護も同様に改善されなければならない。複雑なプロセスであるため、さまざまな要求に適合させるために異なる対策を講じる必要があり、その結果としてデバイスに対して効果的なESD保護を実現できる。

静電気放電（ESD）は、特に表面実装技術（SMT）組立の過程において、電子部品に重大なリスクをもたらします。静電気によって引き起こされるESDは、電子機器を直接的かつ気づかれない形で破壊し、製品の信頼性と機能性に影響を及ぼす可能性があります。電子機器の小型化と高密度化が進む中で、静電気のない環境、接地システム、および電荷の中和を通じてESDを効果的に管理することが極めて重要です。

包括的なESD保護手順を生産プロセスに組み込むことで、製品の品質と寿命を向上させることができます。ESDによる不良から電子アセンブリを保護するために、これらの強力な対策の導入をご検討ください。SMT実装プロセスにおいて、十分に配慮されたESD対策を組み込んできた当社の専門性により、電子機器製造における理想的なパートナーとなることができます。PCBCart と協業いただくことで、品質とイノベーションへの当社の取り組みの恩恵を受けられます。今すぐお問い合わせいただき、お客様専用のお見積りを取得するとともに、当社の革新的なソリューションがどのようにお客様の電子プロジェクトを保護し、強化できるかをご確認ください。

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