Kako nastane nevarnost statične elektrike v elektronski industriji?
Nevarnosti statične elektrike v elektronski industriji lahko razdelimo v dve kategoriji: ena je adsorpcija prahu v zraku zaradi elektrostatične privlačnosti; drugi je dielektrični preboj, ki ga povzroči elektrostatična razelektritev.
1. Elektrostatična adsorpcija
V procesu izdelave polprevodniških komponent lahko zaradi obsežne uporabe orodij in materialov iz kremena in polimerov, ki imajo visoke izolacijske lastnosti, neizogibno trenje med uporabo povzroči nenehno kopičenje površinskih nabojev, kar povečuje potencial.
Zaradi mehanskih učinkov statične elektrike se lahko prah v zraku na delovnem mestu pod temi pogoji zlahka oprime površine čipa. Tudi majhni delci prahu lahko vplivajo na delovanje polprevodniških naprav. Zato je treba proizvodnjo elektronskih izdelkov izvajati v čistem okolju, operaterji, orodja in okolje pa morajo sprejeti vrsto proti-statičnih ukrepov za preprečevanje in zmanjšanje nevarnosti nastanka statične elektrike.
2. Klasifikacija dielektričnega preboja
Okvara komponent zaradi statične elektrike je glavna oblika nevarnosti statične elektrike v elektronski industriji. V močnem električnem polju se z večanjem poljske jakosti kopiči naboj. Ko doseže določeno raven, dielektrik izgubi svojo polarizacijo in postane prevodnik, kar sčasoma povzroči toplotno poškodbo. Ta pojav imenujemo dielektrični preboj. Dielektrično razgradnjo lahko razvrstimo v tri vrste: toplotno razgradnjo, kemično razgradnjo in električno razgradnjo.
(1) Toplotna razgradnja
Ko dielektrik deluje, če toplota, ki nastane zaradi izgube energije, presega toploto, ki se odvaja v okolico, temperatura dielektrika hitro naraste, kar povečuje prevodnost, dokler ne pride do toplotne poškodbe. Zato je glavna težava pri toplotni razgradnji odvajanje toplote. Toplotna zasnova je ključni vidik zasnove izdelka.
(2) Kemična razčlenitev
Pod visoko napetostjo lahko močno električno polje povzroči lokalizirano ionizacijo zračnega trka v bližini napak ali por na površini dielektrika ali znotraj dielektrika. Ta ionizacija povzroči dielektrični sij, pri čemer nastajata kemični snovi-ozon in ogljikov dioksid-, ki zmanjšata izolacijo in povzročita poškodbe dielektrika.
(3) Električna okvara
Do električnega preboja pride, ko je dielektrik izpostavljen močnemu električnemu polju, zaradi česar oddaja proste elektrone. Prosti elektroni se hitro povečujejo z naraščajočo jakostjo električnega polja in tako uničijo izolacijske lastnosti dielektrika. Očitno je, da električni prepad v bistvu povzroči kopičenje naboja; zato lahko preprečevanje kopičenja naboja prepreči električno okvaro.
3. Elektrostatična razgradnja in razelektritev
(1) Elektrostatična razelektritev
Čeprav sta elektrostatična razelektritev in razelektritev, ki jo ustvari zunanji stabilni napajalnik, posledica kopičenja naboja, se precej razlikujeta. Prvič, v primeru elektrostatične razelektritve je vir razelektritve prostorski naboj, zato je njegova shranjena energija omejena, za razliko od zunanjega napajanja, ki ima sposobnost neprekinjenega praznjenja. Tako lahko zagotovi le energijo za-kratkoročno, lokalizirano okvaro. Čeprav je energija elektrostatične razelektritve razmeroma majhna, je njena valovna oblika razelektritve zelo zapletena in jo je težko nadzorovati. S tem je povezana mehka okvara polprevodniških naprav.
(2) Elektrostatična razgradnja
Okvara komponent zaradi elektrostatične razelektritve je najpogostejša in resna nevarnost v elektronski industriji, zlasti pri proizvodnji in sestavljanju elektronskih izdelkov. Elektrostatična razelektritev lahko povzroči trdo ali mehko okvaro naprav. Težka okvara je enkratna-trajna okvara naprave, kot je odprt tokokrog ali kratek stik med izhodom in vhodom naprave. Mehka okvara lahko poslabša delovanje komponent in zmanjša njihove specifikacije, kar povzroči možnost okvare. Ker mehka okvara povzroči občasno nepravilno delovanje tokokrogov (zaradi zmanjšanih specifikacij) in jo je težko odkriti, povzroča znatne težave pri celotnem delovanju sistema in odpravljanju težav. Med mehko okvaro lahko oprema še vedno deluje z "napako", njeno delovanje se bistveno ne spremeni in lahko prestane tovarniški pregled, vendar je nagnjena k ponovni okvari kadar koli. Večkratne mehke okvare lahko povzročijo trdo okvaro, povzročijo nenormalno delovanje opreme, povzročijo izgube za uporabnike, škodo za ugled proizvajalca in prodajo izdelkov ter celo nepopravljive izgube za državo.
4. Statična elektrika iz človeškega telesa
V industrijski proizvodnji je glavni vzrok za poškodbe komponent in motnje normalnega delovanja elektronske opreme elektrostatična razelektritev iz človeškega telesa. Elektrostatična razelektritev iz človeškega telesa lahko povzroči električne udare in poškodbe ter lahko sproži tudi sekundarne nesreče (tj. poškodbe komponent), zato jo je treba jemati resno. Statična elektrika nastane tako, da človeško telo pretvarja mehansko energijo, ki jo porabi med vsakodnevnim delom, v električno energijo. Človeško telo je statični prevodnik. Pri izolaciji od tal (npr. s čevlji iz izolacijskega materiala) se med telesom in tlemi oblikuje kondenzator, ki shranjuje električni naboj. Polnilna napetost je običajno manjša ali enaka 50 kV.
Zelo običajno in subtilno dejanje lahko povzroči precej visoko statično napetost. Ko človeško telo izprazni nabito snov, bo reagirala v različnih stopnjah; to reakcijo imenujemo občutljivost na električni udar. Čeprav statični udar ne bo povzročil večje fiziološke škode, lahko vpliva na zdravje ali škoduje telesu.
Meja za poškodbe zaradi električnega udara je 3,0 kV. Poleg tega lahko dotik-občutljivih naprav z naelektrenim telesom poškoduje te naprave.
III. Proti-tehnologija nadzora statične elektrike (ukrepi)
Na podlagi načel, nevarnosti in zakonov elektrostatične razelektritve je mogoče upoštevati naslednja načela za vzpostavitev učinkovitih proti- nadzornih ukrepov za preprečevanje škode.
a) V načrt vključite elektrostatični nadzor
b) Preprečite kopičenje elektrostatičnega naboja ter zadušite in zmanjšajte nastajanje statične elektrike
c) Vzpostavite hiter in varen izpustni kanal
d) Zaznajte in spremljajte učinkovitost proti-statičnih ukrepov
1. V načrt vključite elektrostatični nadzor
(1) Anti{1}}statična zasnova proizvodnega okolja
Proti-statična zasnova proizvodnega okolja za elektronske izdelke je ključ do nadzora ESD. Zasnova temelji na izolacijskem filmu elektronskih komponent, elektrostatični prebojni napetosti elektrostatično občutljivih naprav (ESDS) v celotnem stroju in proti-statičnem delovanju proizvodne opreme. Proizvajalci morajo določiti določeno stopnjo nadzora ESD, ki jo določajo najbolj občutljive komponente v proizvodnem procesu, proizvodno okolje pa mora zagotavljati varnost te stopnje. V skladu z DGJ08-83-2000 "Tehnične specifikacije za protistatično inženirstvo" je inženirska zasnova za nadzor statične elektrike posebej razdeljena na tri ravni: standard stopnje 1 je, da absolutna vrednost elektrostatičnega potenciala v kontrolni sobi ni večja od 100 V; Standard ravni 2 je, da absolutna vrednost elektrostatičnega potenciala v kontrolni sobi ni višja od 200 V; Standard stopnje 3 je, da absolutna vrednost elektrostatičnega potenciala v kontrolni sobi ni višja od 1000 V. Veljavne lokacije za klasifikacijske standarde protistatičnega inženirstva so prikazane v tabeli 5 spodaj:
Ker je poškodba zaradi statične elektrike nevidna, je za odpravo nevarnosti ESD potrebno preventiva kot primarni pristop. V delovnem območju morajo biti postavljena elektrostatično zaščitena območja (EPA). V skladu z IEC 1340-5-1 (1995) "Splošne zahteve za zaščito elektronskih naprav" je temeljna zahteva za EPA izenačitev potencialov, ki povezuje osebje, materiale in delovne površine skupaj ter jih električno poveže s skupno ozemljitvijo, da prepreči potencialne razlike med različnimi predmeti. Ker se ESD ne pojavi med materiali, ki ohranjajo enak ali ničelni potencial, so naprave ali vezja, nagnjeni k ESD, v okolju EPA zaščiteni pred poškodbami, ki jih povzroči ESD.