Kuinka staattisen sähkön vaara muodostuu elektroniikkateollisuudessa?
Staattisen sähkön vaarat elektroniikkateollisuudessa voidaan jakaa kahteen luokkaan: toinen on sähköstaattisen vetovoiman aiheuttama ilmassa olevan pölyn adsorptio; toinen on sähköstaattisen purkauksen aiheuttama dielektrinen hajoaminen.
1. Sähköstaattinen adsorptio
Puolijohdekomponenttien valmistusprosessissa kvartsista ja polymeereistä valmistettujen työkalujen ja materiaalien, joilla on hyvät eristysominaisuudet, laajan käytön vuoksi käytön aikana väistämätön kitka voi aiheuttaa jatkuvaa pintavarausten kertymistä, mikä lisää potentiaalia.
Staattisen sähkön mekaanisista vaikutuksista johtuen työpaikan ilmassa oleva pöly voi helposti kiinnittyä lastun pintaan näissä olosuhteissa. Pienetkin pölyhiukkaset voivat vaikuttaa puolijohdelaitteiden suorituskykyyn. Siksi elektroniikkatuotteiden tuotanto on suoritettava puhtaassa ympäristössä, ja käyttäjien, työkalujen ja ympäristön on ryhdyttävä anti-staattisiin toimenpiteisiin staattisen sähkön aiheuttamien vaarojen estämiseksi ja vähentämiseksi.
2. Dielektrisen jakautumisen luokitus
Staattisen sähkön aiheuttama komponenttien hajoaminen on elektroniikkateollisuuden pääasiallinen staattisen sähkön vaara. Vahvassa sähkökentässä kentän voimakkuuden kasvaessa varaus kerääntyy. Kun se saavuttaa tietyn tason, eriste menettää polarisaationsa ja muuttuu johtimeksi, mikä johtaa lopulta lämpövaurioihin. Tätä ilmiötä kutsutaan dielektriseksi hajoamiseksi. Dielektrinen rikkoutuminen voidaan luokitella kolmeen tyyppiin: lämpövaurio, kemiallinen rikkoutuminen ja sähköinen rikkoutuminen.
(1) Lämpöhäiriö
Kun eriste on toiminnassa, jos energiahäviön tuottama lämpö ylittää ympäröivään ympäristöön johdetun lämmön, eristeen lämpötila nousee nopeasti ja lisää johtavuutta, kunnes lämpövaurioita tapahtuu. Siksi lämpöhajoamisen ydinkysymys on lämmön hajoaminen. Lämpösuunnittelu on olennainen osa tuotesuunnittelua.
(2) Kemiallinen hajoaminen
Korkealla jännitteellä voimakas sähkökenttä voi aiheuttaa paikallista ilman törmäysionisaatiota dielektrisen pinnan tai eristeen sisällä olevien vikojen tai huokosten lähellä. Tämä ionisaatio aiheuttaa dielektristä hehkua, jolloin syntyy kemiallisia aineita -otsonia ja hiilidioksidia-, jotka heikentävät eristyksen suorituskykyä ja johtavat dielektrisiin vaurioihin.
(3) Sähkökatkos
Sähköinen hajoaminen tapahtuu, kun eriste altistuu voimakkaalle sähkökentällä, jolloin se emittoi vapaita elektroneja. Vapaat elektronit lisääntyvät nopeasti sähkökentän voimakkuuden kasvaessa, mikä tuhoaa eristeen eristysominaisuudet. On ilmeistä, että sähköinen hajoaminen johtuu pääasiassa varauksen kertymisestä; siksi varauksen kertymisen estäminen voi estää sähkökatkon.
3. Sähköstaattinen hajoaminen ja purkautuminen
(1) Sähköstaattinen purkaus
Vaikka sähköstaattinen purkaus ja ulkoisen vakaan virtalähteen aiheuttama purkaus johtuvat molemmat varauksen kertymisestä, niillä on merkittäviä eroja. Ensinnäkin sähköstaattisen purkauksen tapauksessa purkauslähde on avaruusvaraus, ja siksi sen varastoitu energia on rajoitettu, toisin kuin ulkoinen virtalähde, jolla on kyky purkaa jatkuvasti. Siten se voi tarjota energiaa vain lyhytaikaiseen-paikalliseen vikaan. Vaikka sähköstaattisen purkauksen energia on suhteellisen pieni, sen purkausaaltomuoto on hyvin monimutkainen ja vaikeasti hallittavissa. Puolijohdelaitteiden pehmeä hajoaminen liittyy tähän.
(2) Sähköstaattinen vika
Sähköstaattisen purkauksen aiheuttamat komponenttien rikkoutumisvauriot ovat yleisin ja vakavin vaara elektroniikkateollisuudessa, erityisesti elektroniikkatuotteiden valmistuksessa ja kokoonpanossa. Sähköstaattinen purkaus voi aiheuttaa laitteiden kovaa tai pehmeää hajoamista. Kova vika on kertaluonteinen pysyvä laitevika, kuten avoin virtapiiri tai oikosulku laitteen lähdön ja tulon välillä. Pehmeä hajoaminen voi heikentää komponenttien suorituskykyä ja heikentää niiden teknisiä ominaisuuksia, mikä voi aiheuttaa vikoja. Koska pehmeä läpilyönti aiheuttaa piireissä ajoittain toimintahäiriöitä (alennettujen teknisten tietojen vuoksi) ja sitä on vaikea havaita, se aiheuttaa merkittäviä ongelmia järjestelmän yleiselle toiminnalle ja vianmääritykseen. Pehmeän hajoamisen aikana laite voi silti toimia "vian" kanssa, sen suorituskyky ei ole olennaisesti muuttunut ja se voi läpäistä tehdastarkastuksen, mutta se on altis vikaantumiselle uudelleen milloin tahansa. Useat pehmeät häiriöt voivat johtaa kovaan rikkoutumiseen, mikä aiheuttaa epänormaalia laitteiden toimintaa, johtaa tappioihin käyttäjille, vahinkoa valmistajan maineelle ja tuotemyynnille ja jopa korjaamattomia menetyksiä maalle.
4. Ihmiskehon staattinen sähkö
Teollisessa tuotannossa suurin syy komponenttien vaurioitumiseen ja elektronisten laitteiden normaaliin toimintaan häiriintymiseen on ihmiskehon sähköstaattinen purkautuminen. Sähköstaattinen purkautuminen ihmiskehosta voi aiheuttaa sähköiskuja ja vammoja sekä aiheuttaa toissijaisia onnettomuuksia (eli komponenttien vaurioita), joten se on otettava vakavasti. Staattista sähköä syntyy, kun ihmiskeho muuttaa päivittäisen työn aikana kulutetun mekaanisen energian sähköenergiaksi. Ihmiskeho on staattinen johdin. Maasta eristettynä (esim. eristemateriaalista valmistetuilla kengillä) rungon ja maan väliin muodostuu kondensaattori, joka varastoi sähkövarauksen. Latausjännite on tyypillisesti pienempi tai yhtä suuri kuin 50 kV.
Hyvin yleinen ja hienovarainen toiminta voi tuottaa huomattavan korkean staattisen jännitteen. Kun ihmiskeho purkaa varautuneen aineen, se reagoi eriasteisesti; tätä reaktiota kutsutaan sähköiskuherkkyydeksi. Vaikka staattinen shokki ei aiheuta suuria fysiologisia vahinkoja, se voi vaikuttaa terveyteen tai vahingoittaa kehoa.
Sähköiskuvamman raja on 3,0 kV. Lisäksi staattisen sähkön -herkkien laitteiden koskettaminen ladatulla rungolla voi vahingoittaa näitä laitteita.
III. Antistaattinen ohjaustekniikka (toimenpiteet)
Sähköstaattisen purkauksen periaatteisiin, vaaroihin ja lakeihin perustuen seuraavia periaatteita voidaan noudattaa tehokkaiden anti-staattisten torjuntakeinojen luomiseksi haittojen ehkäisemiseksi.
a) Sisällytä sähköstaattinen ohjaus suunnitteluun
b) Estä sähköstaattisen varauksen kerääntyminen ja tukahduta ja vähennä staattisen sähkön muodostumista
c) Luo nopea ja turvallinen poistokanava
d) Tunnista ja seuraa antistaattisten toimenpiteiden tehokkuutta
1. Sisällytä sähköstaattinen ohjaus suunnitteluun
(1) Tuotantoympäristön antistaattinen suunnittelu
Elektroniikkatuotteiden tuotantoympäristön antistaattinen suunnittelu on ESD-hallinnan avain. Suunnittelu perustuu elektronisten komponenttien eristävään kalvoon, koko koneen sähköstaattisten herkkien laitteiden (ESDS) sähköstaattiseen läpilyöntijännitteeseen ja tuotantolaitteiden anti-staattiseen suorituskykyyn. Valmistajien tulee määrittää erityinen ESD-ohjaustaso, jonka määräävät tuotantoprosessin herkimmät komponentit, ja tuotantoympäristön on varmistettava tämän tason turvallisuus. DGJ08-83-2000 "Antistaattisen tekniikan teknisen spesifikaation" mukaan staattisen sähkön ohjauksen suunnittelu on jaettu kolmeen tasoon: Tason 1 standardi on, että sähköstaattisen potentiaalin absoluuttinen arvo valvomossa ei ole suurempi kuin 100 V; Tason 2 standardi on, että sähköstaattisen potentiaalin itseisarvo valvomossa ei ole suurempi kuin 200 V; Tason 3 standardi on, että sähköstaattisen potentiaalin itseisarvo valvomossa ei ole suurempi kuin 1000V. Antistaattisten teknisten luokitusstandardien soveltuvat paikat on esitetty alla olevassa taulukossa 5:
Koska staattisen sähkön vauriot ovat näkymättömiä, ESD-vaarojen poistaminen vaatii ensisijaisesti ennaltaehkäisyä. Työalueelle on asennettava sähköstaattiset suoja-alueet (EPA). IEC 1340-5-1 (1995) "Yleiset elektronisten laitteiden suojausvaatimukset" -standardin mukaan EPA:iden ydinvaatimus on potentiaalintasaus, joka yhdistää henkilöstön, materiaalit ja työpinnat toisiinsa ja yhdistää ne sähköisesti yhteiseen maahan potentiaalierojen estämiseksi eri esineiden välillä. Koska ESD:tä ei esiinny saman potentiaalin tai nollapotentiaalin säilyttävien materiaalien välillä, ESD-alttiit laitteet tai piirilevyt EPA-ympäristössä on suojattu ESD-vaurioilta.