การอัดขึ้นรูปแผ่นพลาสติก ESD สำหรับถาดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์

ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ต้องเผชิญกับการทำลายล้างจากเหตุการณ์การปล่อยประจุไฟฟ้าสถิตซึ่งมีแรงดันไฟฟ้าเพียงไม่กี่ร้อยโวลต์ ซึ่งต่ำกว่าเกณฑ์ที่มนุษย์สามารถรับรู้ได้มาก การอัดขึ้นรูปแผ่นพลาสติก ESD ทำให้เกิดวัสดุแผ่นกระจายและเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่ปกป้องวงจรรวม เซมิคอนดักเตอร์ และส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อนตลอดทั้งการผลิต การขนส่ง และการจัดเก็บ ในบรรดาหลาย ๆ คน การใช้งานการอัดขึ้นรูปแผ่น เพื่อรองรับตลาดอุตสาหกรรม การผลิตแผ่น ESD ต้องการการควบคุมการกำหนดสูตรวัสดุและพารามิเตอร์กระบวนการที่เข้มงวดที่สุด

คู่มือทางเทคนิคนี้จะตรวจสอบหลักการที่ควบคุมการกระจายตัวของสารเติมแต่งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า การวัดความต้านทานของพื้นผิว และการประกันคุณภาพในการอัดขึ้นรูปแผ่น ESD สำหรับถาดส่วนประกอบ

การควบคุมความต้านทานพื้นผิวในการอัดขึ้นรูปแผ่นพลาสติก ESD

ความต้านทานพื้นผิวทำหน้าที่เป็นตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลักสำหรับวัสดุบรรจุภัณฑ์ที่ป้องกัน ESD มาตรฐาน EIA-541 กำหนดการจำแนกประเภทวัสดุสามประเภทตามค่าความต้านทาน:

• ฉนวน: มากกว่า 10^12 โอห์ม/ตร.ม

• การกระจาย: 10^6 ถึง 10^9 โอห์ม/ตร.ม

• สื่อกระแสไฟฟ้า: 10^3 ถึง 10^6 โอห์ม/ตร.ม

โดยทั่วไปถาดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ต้องใช้วัสดุกระจายตัวในช่วง 10^6 ถึง 10^9 โอห์ม/สี่เหลี่ยมจัตุรัส หน้าต่างนี้ป้องกันเหตุการณ์การคายประจุอย่างรวดเร็วในขณะเดียวกันก็ควบคุมการกระจายประจุไฟฟ้าสถิตที่สะสมระหว่างการจัดการ วัสดุนำไฟฟ้าที่ต่ำกว่า 10^6 โอห์ม/สี่เหลี่ยมจัตุรัสสามารถสร้างเส้นทางกระแสไฟฟ้าโดยไม่ได้ตั้งใจซึ่งสร้างความเสียหายให้กับวงจรไฟฟ้า ในขณะที่วัสดุฉนวนที่มีประจุสูงกว่า 10^12 โอห์ม/สี่เหลี่ยมกับดักประจุ และเพิ่มความเสี่ยงในการปล่อยประจุ

การรักษาความต้านทานภายในช่วงแคบนี้ตลอดทั้งความกว้างและความยาวเต็มแผ่น แสดงถึงความท้าทายหลักของการอัดขึ้นรูปแผ่นพลาสติก ESD ความแปรผันของความต้านทานเกิดขึ้นจากการกระจายตัวของสารเติมแต่งที่ไม่สอดคล้องกัน ความผันผวนของความหนา และการรักษาพื้นผิวไม่สม่ำเสมอ วิศวกรกระบวนการจัดการกับแต่ละปัจจัยผ่านอุปกรณ์เฉพาะและการเลือกพารามิเตอร์การทำงาน

แนวทางทางเทคนิคที่กล่าวถึงในภาพรวมที่ การอัดขึ้นรูปแผ่นบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ ให้บริบทที่กว้างขึ้นว่าข้อกำหนดด้านความต้านทานแปลเป็นข้อกำหนดบรรจุภัณฑ์สำหรับการใช้งานขั้นสุดท้ายอย่างไร

การกระจายตัวของคาร์บอนแบล็กและการสร้างเครือข่ายนำไฟฟ้า

คาร์บอนแบล็คเป็นสารเติมแต่งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการอัดขึ้นรูปแผ่น ESD เมื่อกระจายตัวอย่างเหมาะสม อนุภาคคาร์บอนแบล็คจะก่อตัวเป็นเครือข่ายนำไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องตลอดทั้งเมทริกซ์โพลีเมอร์ผ่านกลไกที่เรียกว่าการซึมผ่าน ต่ำกว่าเกณฑ์การซึมผ่าน โดยทั่วไปแล้วจะอยู่ที่ 5-15 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก ขึ้นอยู่กับเกรดคาร์บอนแบล็กและประเภทของโพลีเมอร์ วัสดุยังคงเป็นฉนวน เหนือเกณฑ์ที่กำหนด ความต้านทานจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อวิถีทางนำไฟฟ้าก่อตัวขึ้น

ลักษณะเส้นโค้งการซึมผ่านที่สูงชันหมายความว่าความเข้มข้นของคาร์บอนแบล็กที่แปรผันเล็กน้อยทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความต้านทานขนาดใหญ่ ความไวนี้ต้องการการจ่ายมาสเตอร์แบทช์คาร์บอนแบล็กแบบกราวิเมตริกที่แม่นยำ ซึ่งโดยทั่วไปจะมีความแม่นยำถึง ±0.5 เปอร์เซ็นต์ของการโหลดเป้าหมาย เครื่องป้อนแบบลดน้ำหนักซึ่งวางอยู่ที่คอของเครื่องอัดรีดจะให้อัตราการเติมสารที่สม่ำเสมอ โดยไม่คำนึงถึงระดับการบรรจุในฮอปเปอร์หรือการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นรวมของวัสดุ

คุณภาพการกระจายตัวส่งผลต่อทั้งความต้านทานและลักษณะของแผ่น คาร์บอนแบล็กที่กระจายไม่ดีจะทำให้เกิดการจับตัวเป็นก้อนซึ่งปรากฏเป็นจุดสีดำที่มองเห็นได้ และทำให้เกิดความแปรผันของความต้านทานเฉพาะที่ เครื่องอัดรีดแบบสกรูคู่ที่มีองค์ประกอบผสมแบบกระจายและกระจายตัวจะสลายตัวที่เกาะเป็นก้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าตัวเลือกแบบสกรูเดี่ยว ทำให้ได้สีที่สม่ำเสมอและมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่สม่ำเสมอ

การเลือกเกรดคาร์บอนแบล็กมีอิทธิพลต่อความสมดุลระหว่างค่าการนำไฟฟ้าและคุณสมบัติทางกล เกรดที่มีโครงสร้างสูงซึ่งมีพื้นที่ผิวสูงจะมีการซึมผ่านที่การรับน้ำหนักที่ต่ำกว่า แต่สามารถเพิ่มความหนืดหลอมเหลวและลดแรงกระแทกได้ เกรดที่มีโครงสร้างปานกลางให้ความสามารถในการแปรรูปที่ดีกว่า แต่ต้องมีการโหลดที่สูงกว่าเพื่อให้ได้ค่าความต้านทานเป้าหมาย

สารเติมแต่งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าทางเลือก ได้แก่ โพลีเมอร์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าจากภายใน ท่อนาโนคาร์บอน และสารตัวเติมที่เคลือบด้วยโลหะ วัสดุเหล่านี้บรรลุความต้านทานเป้าหมายที่โหลดต่ำกว่าคาร์บอนแบล็คมาก โดยคงคุณสมบัติเชิงกลและสีของโพลีเมอร์พื้นฐานไว้ อย่างไรก็ตาม ต้นทุนที่สูงกว่าจะจำกัดการใช้งานที่ปริมาณคาร์บอนแบล็กลดประสิทธิภาพลง

การวัดความหนาและการตรวจสอบกระบวนการแบบออนไลน์

ความสม่ำเสมอของความหนาส่งผลโดยตรงต่อการวัดค่าความต้านทาน เนื่องจากการทดสอบความต้านทานพื้นผิวจะใช้แรงดันไฟฟ้าทั่วพื้นที่ที่กำหนดและวัดกระแสผลลัพธ์ ส่วนแผ่นที่หนาขึ้นจะมีความต้านทานมากขึ้น ส่งผลให้ค่าความต้านทานปรากฏเปลี่ยนไปแม้ว่าสูตรผสมวัสดุจะคงที่ก็ตาม การควบคุมความแปรผันของความหนาให้อยู่ภายใน ±2 เปอร์เซ็นต์ของค่าที่กำหนด ช่วยให้มั่นใจได้ว่าค่าความต้านทานที่วัดได้สะท้อนคุณสมบัติของวัสดุที่แท้จริง แทนที่จะวัดความผันผวนของเกจ

ระบบการวัดความหนาอัตโนมัติโดยใช้เบต้าเกจหรือเลเซอร์ดิสเพลสเมนต์เซนเซอร์จะสแกนทั่วทั้งความกว้างของแผ่นอย่างต่อเนื่องระหว่างการผลิต ข้อมูลจากระบบเหล่านี้จะป้อนกลับไปยังตัวปรับไดโบลต์อัตโนมัติที่แก้ไขความแปรผันของเกจแบบเรียลไทม์ เพื่อการตรวจสอบเทคโนโลยีการวัดเชิงลึกครอบคลุมที่ การวัดความหนาแบบออนไลน์ด้วยระบบเบต้าและเลเซอร์ จะให้รายละเอียดหลักการทำงานและข้อกำหนดด้านความแม่นยำของทั้งสองวิธี

การทำแผนที่ความต้านทานพื้นผิวช่วยเพิ่มการตรวจสอบกระบวนการอีกชั้นหนึ่ง ระบบการวัดความต้านทานแบบอินไลน์จะสแกนพื้นผิวแผ่นและสร้างแผนที่รหัสสีที่แสดงการกระจายความต้านทานตามความกว้างและความยาว แผนที่เหล่านี้เผยให้เห็นปัญหาการกระจายตัว ความไม่สอดคล้องกันของปริมาณยา และปัญหาเกี่ยวกับอุปกรณ์ที่การวัดจุดอาจพลาดไป

การบรรลุคุณสมบัติ ESD ที่สอดคล้องกันบนแผ่นงานที่มีความกว้างกว้างนั้น จำเป็นต้องมีการควบคุมการกระจายตัวของสารเติมแต่งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและความสม่ำเสมอของความหนาของแผ่นอย่างแม่นยำ สายการอัดรีดแผ่น ESD ของ JWELL รวมเครื่องอัดรีดแบบผสมสกรูคู่เข้ากับการวัดความหนาออนไลน์และการทำแผนที่ความต้านทานของพื้นผิว ช่วยให้สามารถปรับกระบวนการแบบเรียลไทม์ที่จะรักษาค่าความต้านทานไว้ภายใน 10^6 ถึง 10^9 โอห์ม/ช่วงสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่ระบุโดยมาตรฐาน EIA-541

วิธีทดสอบคุณภาพสำหรับถาดส่วนประกอบ ESD

แผ่น ESD ที่ทำเสร็จแล้วจะต้องผ่านการทดสอบอย่างเข้มงวดก่อนที่จะมีคุณสมบัติสำหรับบรรจุภัณฑ์ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ โปรโตคอลการทดสอบต่อไปนี้แสดงถึงแนวปฏิบัติมาตรฐานอุตสาหกรรม:

การทดสอบความต้านทานพื้นผิว ใช้ฟิกซ์เจอร์อิเล็กโทรดวงแหวนศูนย์กลางตามข้อกำหนด ASTM D257 หรือ IEC 60079 การวัดจะดำเนินการในหลายตำแหน่งตลอดความกว้างและความยาวของแผ่นเพื่อตรวจสอบความสม่ำเสมอ โดยทั่วไปเกณฑ์การยอมรับกำหนดให้การวัดทั้งหมดตกอยู่ในช่วงความต้านทานที่ระบุ โดยไม่มีจุดใดเกินขีดจำกัดบนเกินครึ่งทศวรรษ

การทดสอบความต้านทานต่อปริมาตร จะวัดความต้านทานจำนวนมากผ่านความหนาของแผ่นโดยใช้อิเล็กโทรดแบบแผ่นขนาน การทดสอบนี้ยืนยันว่าโครงข่ายนำไฟฟ้าก่อตัวทั่วทั้งวัสดุ ไม่ใช่แค่ที่พื้นผิวเท่านั้น

การทดสอบการสลายตัวของประจุ จะวัดเวลาที่ต้องใช้ในการกระจายประจุออกจากพื้นผิวแผ่น โดยปกติแล้ว วัสดุถาดส่วนประกอบต้องใช้เวลาสลายประจุน้อยกว่า 2 วินาที เพื่อให้มั่นใจว่าประจุไฟฟ้าสถิตจะเป็นกลางอย่างรวดเร็วระหว่างการขนย้าย

การปรับสภาพแวดล้อม จะประเมินความเสถียรของความต้านทานหลังจากการหมุนเวียนของอุณหภูมิและความชื้น แผ่น ESD ต้องคงประสิทธิภาพไว้หลังจากผ่านไป 168 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 70°C และความชื้นสัมพัทธ์ 85 เปอร์เซ็นต์ โดยจำลองสภาพการขนส่งและการเก็บรักษาในกรณีที่เลวร้ายที่สุด

การจำลองด้วยความร้อน จะทดสอบพฤติกรรมของแผ่นในระหว่างกระบวนการขึ้นรูปถาด วัสดุจะต้องคงคุณสมบัติการกระจายตัวหลังจากการให้ความร้อน การยืด และการทำให้เย็นลงในแม่พิมพ์เทอร์โมฟอร์ม สารเติมแต่งบางชนิดจะย้ายไปยังพื้นผิวแผ่นในระหว่างการให้ความร้อน ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานซึ่งจำเป็นต้องปรับสูตร

คำถามที่พบบ่อย

วัสดุป้องกันไฟฟ้าสถิตและวัสดุ ESD แตกต่างกันอย่างไร?

วัสดุป้องกันไฟฟ้าสถิตป้องกันการเกิดประจุไฟฟ้าสถิตผ่านการปรับสภาพพื้นผิวหรือการเคลื่อนตัวของสารเติมแต่ง ซึ่งโดยทั่วไปจะมีค่าความต้านทานสูงกว่า 10^9 โอห์ม/ตร.ม. วัสดุ ESD ให้การกระจายประจุแบบแอคทีฟผ่านเครือข่ายที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ทำให้มีความต้านทานในช่วง 10^6 ถึง 10^9 โอห์ม/ช่วงการกระจายแบบสี่เหลี่ยม ถาดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์จำเป็นต้องมีการป้องกันระดับ ESD เนื่องจากจะต้องกระจายประจุที่มีอยู่ ไม่ใช่แค่ป้องกันการสะสมประจุเท่านั้น

เหตุใดจึงเลือกใช้คาร์บอนแบล็กมากกว่าสารเติมแต่งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าอื่นๆ สำหรับแผ่น ESD

คาร์บอนแบล็คให้ความสมดุลระหว่างต้นทุน ความพร้อมใช้งาน และประสิทธิภาพที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานแผ่น ESD ส่วนใหญ่ มีการซึมผ่านที่เชื่อถือได้ที่การโหลดปานกลาง รักษาประสิทธิภาพการทำงานที่มั่นคงในทุกสภาวะแวดล้อม และรวมเข้ากับกระบวนการอัดขึ้นรูปมาตรฐานได้อย่างง่ายดาย สารเติมแต่งประสิทธิภาพสูง เช่น ท่อนาโนคาร์บอน สงวนไว้สำหรับการใช้งานที่ปริมาณคาร์บอนแบล็คลดทอนคุณสมบัติที่สำคัญ

ความชื้นส่งผลต่อการวัดค่าความต้านทานของแผ่น ESD อย่างไร

ความชื้นสัมพัทธ์มีอิทธิพลต่อการวัดความต้านทานของพื้นผิว เนื่องจากการดูดซับความชื้นบนพื้นผิวโพลีเมอร์จะสร้างชั้นสื่อกระแสไฟฟ้าบางๆ การวัดที่ความชื้นสัมพัทธ์ 50 เปอร์เซ็นต์อาจอ่านได้ต่ำกว่าการวัดที่ความชื้นสัมพัทธ์ 12 เปอร์เซ็นต์ถึงหนึ่งทศวรรษ ข้อกำหนดการทดสอบคุณภาพจะกำหนดสภาพแวดล้อมในการปรับสภาพเพื่อให้มั่นใจถึงผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอและเปรียบเทียบได้

แผ่น ESD สามารถนำไปรีไซเคิลเป็นผลิตภัณฑ์ ESD ใหม่ได้หรือไม่

เศษจากการผลิตแผ่น ESD สามารถนำไปแปรรูปใหม่ได้หากเครือข่ายสารเติมแต่งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้ายังคงสภาพเดิม โดยทั่วไปวัสดุลับคมจะมีความต้านทานสูงกว่าวัสดุบริสุทธิ์เล็กน้อยเนื่องจากการย่อยสลายด้วยสารเติมแต่งในระหว่างการแปรรูปใหม่ ผู้ผลิตส่วนใหญ่ผสมผสานการบดลับที่ 10-20 เปอร์เซ็นต์กับวัสดุบริสุทธิ์เพื่อรักษาความต้านทานภายในข้อกำหนดในขณะที่ลดต้นทุนวัสดุ