Kako nastaje opasnost od statičkog elektriciteta u elektronskoj industriji?
Opasnosti od statičkog elektriciteta u elektronskoj industriji mogu se podijeliti u dvije kategorije: jedna je adsorpcija prašine u zraku uzrokovana elektrostatičkim privlačenjem; drugi je proboj dielektrika uzrokovan elektrostatičkim pražnjenjem.
1. Elektrostatička adsorpcija
U procesu proizvodnje poluprovodničkih komponenti, zbog široke upotrebe alata i materijala od kvarca i polimera, koji imaju visoka izolaciona svojstva, neizbežno trenje tokom upotrebe može izazvati kontinuirano akumuliranje površinskih naelektrisanja, povećavajući potencijal.
Zbog mehaničkih efekata statičkog elektriciteta, prašina u vazduhu na radnom mestu može lako da se zalepi za površinu čipa u ovim uslovima. Čak i male čestice prašine mogu utjecati na performanse poluvodičkih uređaja. Stoga se proizvodnja elektronskih proizvoda mora odvijati u čistom okruženju, a operateri, alati i okolina moraju poduzeti niz antistatičkih mjera kako bi se spriječilo i smanjilo stvaranje opasnosti od statičkog elektriciteta.
2. Klasifikacija dielektričnog sloma
Kvar komponenti uzrokovan statičkim elektricitetom glavni je oblik opasnosti od statičkog elektriciteta u elektronskoj industriji. U jakom električnom polju, kako se jačina polja povećava, naboj se akumulira. Kada dostigne određeni nivo, dielektrik gubi svoju polarizaciju i postaje provodnik, što na kraju dovodi do termičkog oštećenja. Ova pojava se zove dielektrični slom. Dielektrični slom se može kategorizirati u tri tipa: termički slom, kemijski slom i električni slom.
(1) Termički kvar
Kada je dielektrik u radu, ako toplina stvorena gubitkom energije premašuje toplinu raspršenu u okolno okruženje, temperatura dielektrika brzo raste, povećavajući provodljivost sve dok ne dođe do termičkog oštećenja. Stoga je ključno pitanje u termičkom kvaru rasipanje topline. Toplotni dizajn je ključni aspekt dizajna proizvoda.
(2) Hemijski slom
Pod visokim naponom, jako električno polje može uzrokovati lokaliziranu ionizaciju sudara zraka u blizini defekata ili pora na površini dielektrika ili unutar dielektrika. Ova jonizacija uzrokuje dielektrični sjaj, stvarajući hemijske supstance-ozon i ugljični dioksid-koji smanjuju performanse izolacije i dovode do oštećenja dielektrika.
(3) Električni kvar
Električni slom nastaje kada je dielektrik podvrgnut jakom električnom polju, uzrokujući da emituje slobodne elektrone. Slobodni elektroni se brzo povećavaju sa povećanjem jačine električnog polja, uništavajući tako izolaciona svojstva dielektrika. Očigledno je da je električni kvar u suštini uzrokovan akumulacijom naboja; stoga, sprečavanje akumulacije naboja može spriječiti električni kvar.
3. Elektrostatički slom i pražnjenje
(1) Elektrostatičko pražnjenje
Iako su elektrostatičko pražnjenje i pražnjenje koje stvara vanjsko stabilno napajanje uzrokovano akumulacijom naboja, oni imaju značajne razlike. Prvo, u slučaju elektrostatičkog pražnjenja, izvor pražnjenja je prostorni naboj, te je stoga njegova pohranjena energija ograničena, za razliku od vanjskog napajanja koje ima sposobnost neprekidnog pražnjenja. Dakle, može obezbijediti energiju samo za kratkoročni-lokalni kvar. Iako je energija elektrostatičkog pražnjenja relativno mala, njegov valni oblik pražnjenja je vrlo složen i teško ga je kontrolisati. S tim je povezan meki kvar poluvodičkih uređaja.
(2) Elektrostatički slom
Oštećenje komponenti uzrokovano elektrostatičkim pražnjenjem je najčešća i ozbiljna opasnost u elektronskoj industriji, posebno u proizvodnji i sklapanju elektronskih proizvoda. Elektrostatičko pražnjenje može uzrokovati težak ili meki kvar uređaja. Teški kvar je jednokratni-trajni kvar uređaja, kao što je prekid strujnog kruga ili kratki spoj između izlaza i ulaza uređaja. Meki kvar može degradirati performanse komponenti i smanjiti njihove specifikacije, stvarajući potencijal za kvar. Budući da meki kvar uzrokuje povremene kvarove na krugovima (zbog smanjenih specifikacija) i teško ih je otkriti, to uzrokuje značajne probleme za cjelokupni rad sistema i rješavanje problema. Tokom mekog kvara, oprema i dalje može raditi s "kvarom", njene performanse nisu suštinski promijenjene i može proći fabričku inspekciju, ali je sklona ponovnom kvaru u bilo kojem trenutku. Višestruki meki kvarovi mogu dovesti do teškog kvara, uzrokujući nenormalan rad opreme, rezultirajući gubicima za korisnike, oštećenjem reputacije proizvođača i prodajom proizvoda, pa čak i nenadoknadivim gubicima za zemlju.
4. Statički elektricitet iz ljudskog tijela
U industrijskoj proizvodnji, glavni uzrok oštećenja komponenti i smetnji u normalnom radu elektronske opreme je elektrostatičko pražnjenje iz ljudskog tijela. Elektrostatičko pražnjenje iz ljudskog tijela može uzrokovati strujni udar i ozljede, a može izazvati i sekundarne nezgode (tj. oštećenje komponenti), stoga ga treba shvatiti ozbiljno. Statički elektricitet nastaje tako što ljudsko tijelo pretvara mehaničku energiju utrošenu tokom svakodnevnog rada u električnu energiju. Ljudsko tijelo je statički provodnik. Kada se izoluje od zemlje (npr. cipelama od izolacionog materijala), između tela i zemlje se formira kondenzator koji pohranjuje električni naboj. Napon punjenja je obično manji ili jednak 50 kV.
Vrlo uobičajena i suptilna akcija može stvoriti znatno visok statički napon. Kada ljudsko tijelo ispusti nabijenu supstancu, ono će reagovati u različitim stepenima; ova reakcija se naziva osjetljivost na električni udar. Iako statički šok neće uzrokovati veće fiziološke štete, može utjecati na zdravlje ili naštetiti tijelu.
Granica za ozljede od strujnog udara je 3,0 kV. Štaviše, dodirivanje uređaja-osjetljivih na statički elektricitet sa napunjenim tijelom može oštetiti ove uređaje.
III. Anti-tehnologija upravljanja (mjere)
Zasnovano na principima, opasnostima i zakonima elektrostatičkog pražnjenja, sljedeći principi se mogu slijediti kako bi se uspostavile efikasne antistatičke mjere kontrole kako bi se spriječila šteta.
a) Uključiti elektrostatičku kontrolu u dizajn
b) Spriječiti nakupljanje elektrostatičkog naboja i potisnuti i smanjiti stvaranje statičkog elektriciteta
c) Uspostaviti brz i siguran kanal za pražnjenje
d) Otkrivanje i praćenje efikasnosti antistatičkih mjera
1. Uključite elektrostatičku kontrolu u dizajn
(1) Antistatički dizajn proizvodnog okruženja
Anti-statički dizajn proizvodnog okruženja za elektronske proizvode je ključ za ESD kontrolu. Dizajn se zasniva na izolacionom filmu elektronskih komponenti, elektrostatičkom probojnom naponu uređaja osjetljivih na elektrostatiku (ESDS) u cijeloj mašini i anti-statičkim performansama proizvodne opreme. Proizvođači moraju odrediti specifičan ESD nivo kontrole, koji je određen najosjetljivijim komponentama u proizvodnom procesu, a proizvodno okruženje mora osigurati sigurnost ovog nivoa. Prema DGJ08-83-2000 "Tehničke specifikacije za antistatičko inženjerstvo", inženjerski dizajn za kontrolu statičkog elektriciteta je posebno podijeljen na tri nivoa: Standard nivoa 1 je da apsolutna vrijednost elektrostatičkog potencijala u kontrolnoj sobi nije veća od 100V; Standard nivoa 2 je da apsolutna vrijednost elektrostatičkog potencijala u kontrolnoj sobi nije veća od 200V; Standard nivoa 3 je da apsolutna vrijednost elektrostatičkog potencijala u kontrolnoj sobi nije veća od 1000V. Primjenjive lokacije za standarde klasifikacije antistatičkog inženjeringa prikazane su u Tabeli 5 ispod:
Pošto je oštećenje od statičkog elektriciteta nevidljivo, eliminisanje opasnosti od elektrostatičkog razaranja zahteva prevenciju kao primarni pristup. U radnom području moraju biti postavljene elektrostatičke zaštićene zone (EPA). Prema IEC 1340-5-1 (1995) "Opći zahtjevi za zaštitu elektronskih uređaja", osnovni zahtjev za EPA-e je izjednačavanje potencijala, koje povezuje osoblje, materijale i radne površine zajedno i električno ih povezuje na zajedničku masu kako bi se spriječile potencijalne razlike između različitih objekata. Budući da se ESD ne javlja između materijala koji održavaju isti potencijal ili nulti potencijal, uređaji ili ploče s električnim krugom skloni ESD-u zaštićeni su od ESD oštećenja.