อันตรายจากไฟฟ้าสถิตเกิดขึ้นในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างไร?
อันตรายจากไฟฟ้าสถิตย์ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์แบ่งได้เป็น 2 ประเภท ประเภทแรกคือการดูดซับฝุ่นในอากาศที่เกิดจากแรงดึงดูดของไฟฟ้าสถิต อีกประการหนึ่งคือการสลายอิเล็กทริกที่เกิดจากการคายประจุไฟฟ้าสถิต
1. การดูดซับไฟฟ้าสถิต
ในกระบวนการผลิตส่วนประกอบเซมิคอนดักเตอร์ เนื่องจากการใช้เครื่องมือและวัสดุที่ทำจากควอตซ์และโพลีเมอร์อย่างกว้างขวาง ซึ่งมีคุณสมบัติเป็นฉนวนสูง การเสียดสีที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ระหว่างการใช้งานอาจทำให้ประจุที่พื้นผิวสะสมอย่างต่อเนื่อง เพิ่มศักยภาพ
เนื่องจากผลกระทบทางกลของไฟฟ้าสถิต ฝุ่นในอากาศในสถานที่ทำงานจึงสามารถเกาะติดกับพื้นผิวชิปได้อย่างง่ายดายภายใต้สภาวะเหล่านี้ แม้แต่อนุภาคฝุ่นขนาดเล็กก็สามารถส่งผลต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ได้ ดังนั้น การผลิตผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์จะต้องดำเนินการในสภาพแวดล้อมที่สะอาด และผู้ปฏิบัติงาน เครื่องมือ และสิ่งแวดล้อมต้องใช้มาตรการป้องกัน-ไฟฟ้าสถิตหลายชุดเพื่อป้องกันและลดการก่อตัวของอันตรายจากไฟฟ้าสถิต
2. การจำแนกประเภทของการแยกอิเล็กทริก
การพังทลายของส่วนประกอบที่เกิดจากไฟฟ้าสถิตถือเป็นรูปแบบหลักของอันตรายจากไฟฟ้าสถิตในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ ในสนามไฟฟ้าที่มีกำลังแรง เมื่อความแรงของสนามเพิ่มขึ้น ประจุก็จะสะสม เมื่อถึงระดับหนึ่ง อิเล็กทริกจะสูญเสียโพลาไรเซชันและกลายเป็นตัวนำ ซึ่งนำไปสู่ความเสียหายจากความร้อนในที่สุด ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการสลายอิเล็กทริก การสลายอิเล็กทริกสามารถแบ่งได้เป็นสามประเภท: การสลายด้วยความร้อน, การสลายทางเคมี และการสลายทางไฟฟ้า
(1) การพังทลายของความร้อน
เมื่อไดอิเล็กตริกทำงาน หากความร้อนที่เกิดจากการสูญเสียพลังงานมีมากกว่าความร้อนที่กระจายออกสู่สิ่งแวดล้อมโดยรอบ อุณหภูมิอิเล็กทริกจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้ค่าการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้นจนกระทั่งเกิดความเสียหายจากความร้อน ดังนั้นปัญหาหลักในการสลายความร้อนคือการกระจายความร้อน การออกแบบการระบายความร้อนเป็นส่วนสำคัญของการออกแบบผลิตภัณฑ์
(2) การสลายทางเคมี
ภายใต้ไฟฟ้าแรงสูง สนามไฟฟ้าแรงสูงอาจทำให้เกิดไอออนไนซ์การชนกันของอากาศเฉพาะที่ใกล้กับจุดบกพร่องหรือรูขุมขนบนพื้นผิวไดอิเล็กทริกหรือภายในอิเล็กทริก ไอออนไนซ์นี้ทำให้เกิดการเรืองแสงของอิเล็กทริก ทำให้เกิดสารเคมี-โอโซนและคาร์บอนไดออกไซด์- ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพของฉนวนลดลงและทำให้เกิดความเสียหายจากอิเล็กทริก
(3) ความเสียหายทางไฟฟ้า
การพังทลายทางไฟฟ้าเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กทริกตกอยู่ภายใต้สนามไฟฟ้าแรงสูง ส่งผลให้ปล่อยอิเล็กตรอนอิสระออกมา อิเล็กตรอนอิสระจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามความแรงของสนามไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น ซึ่งจะทำลายคุณสมบัติการเป็นฉนวนของอิเล็กทริก เห็นได้ชัดว่าไฟฟ้าขัดข้องมีสาเหตุหลักมาจากการสะสมประจุ ดังนั้นการป้องกันการสะสมประจุสามารถป้องกันไฟฟ้าขัดข้องได้
3. การสลายตัวและการคายประจุไฟฟ้าสถิต
(1) การคายประจุไฟฟ้าสถิต
แม้ว่าการคายประจุไฟฟ้าสถิตและการคายประจุที่เกิดจากแหล่งจ่ายไฟภายนอกที่มีเสถียรภาพจะเกิดจากการสะสมประจุ แต่ก็มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญ ประการแรก ในกรณีของการคายประจุไฟฟ้าสถิต แหล่งกำเนิดการคายประจุคือประจุอวกาศ ดังนั้นพลังงานที่เก็บไว้จึงมีจำกัด ไม่เหมือนแหล่งจ่ายไฟภายนอกซึ่งมีความสามารถในการคายประจุอย่างต่อเนื่อง ดังนั้น จึงสามารถจ่ายพลังงานได้เพียง-ในระยะสั้นและพังทลายเฉพาะจุดเท่านั้น แม้ว่าพลังงานของการคายประจุไฟฟ้าสถิตจะมีขนาดค่อนข้างเล็ก แต่รูปคลื่นของการคายประจุนั้นซับซ้อนมากและควบคุมได้ยาก การพังทลายของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์แบบนุ่มนวลนั้นเกี่ยวข้องกับสิ่งนี้
(2) การพังทลายของไฟฟ้าสถิต
ความเสียหายจากการแตกหักของส่วนประกอบที่เกิดจากการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิตถือเป็นอันตรายที่พบบ่อยและร้ายแรงที่สุดในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการผลิตและการประกอบผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ การคายประจุไฟฟ้าสถิตอาจทำให้อุปกรณ์เสียหายอย่างรุนแรงหรือเสียหายเล็กน้อย ความเสียหายอย่างหนักคือความล้มเหลวถาวรครั้งหนึ่ง-ของอุปกรณ์ เช่น วงจรเปิด หรือการลัดวงจรระหว่างเอาต์พุตและอินพุตของอุปกรณ์ การแยกย่อยแบบนุ่มนวลสามารถลดประสิทธิภาพของส่วนประกอบและลดข้อกำหนดจำเพาะของส่วนประกอบ ทำให้เกิดความล้มเหลวได้ เนื่องจากการพังทลายแบบนุ่มนวลทำให้วงจรทำงานผิดปกติเป็นระยะๆ (เนื่องจากข้อกำหนดที่ลดลง) และตรวจพบได้ยาก จึงทำให้เกิดปัญหาสำคัญในการทำงานโดยรวมของระบบและการแก้ไขปัญหา ในระหว่างการพังทลายแบบนุ่มนวล อุปกรณ์ยังคงสามารถทำงานได้โดยมี "ข้อผิดพลาด" ประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์ไม่เปลี่ยนแปลงโดยพื้นฐาน และอาจผ่านการตรวจสอบจากโรงงาน แต่ก็มีแนวโน้มที่จะเกิดความล้มเหลวอีกครั้งเมื่อใดก็ได้ การชำรุดเสียหายหลายครั้งสามารถนำไปสู่การชำรุดเสียหายอย่างรุนแรง ทำให้เกิดการทำงานของอุปกรณ์ที่ผิดปกติ ส่งผลให้ผู้ใช้สูญเสีย สร้างความเสียหายต่อชื่อเสียงของผู้ผลิตและยอดขายผลิตภัณฑ์ และอาจถึงขั้นสูญเสียต่อประเทศอย่างไม่อาจซ่อมแซมได้
4. ไฟฟ้าสถิตย์จากร่างกายมนุษย์
ในการผลิตทางอุตสาหกรรม สาเหตุหลักของความเสียหายของส่วนประกอบและการรบกวนการทำงานตามปกติของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์คือการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิตออกจากร่างกายมนุษย์ การคายประจุไฟฟ้าสถิตออกจากร่างกายมนุษย์อาจทำให้เกิดไฟฟ้าช็อตและการบาดเจ็บ และยังอาจทำให้เกิดอุบัติเหตุซ้ำซ้อนได้ (เช่น ความเสียหายต่อส่วนประกอบ) ดังนั้นจึงควรดำเนินการอย่างจริงจัง ไฟฟ้าสถิตถูกสร้างขึ้นโดยร่างกายมนุษย์เพื่อแปลงพลังงานกลที่ใช้ระหว่างการทำงานในแต่ละวันให้เป็นพลังงานไฟฟ้า ร่างกายมนุษย์เป็นตัวนำไฟฟ้าสถิต เมื่อหุ้มฉนวนจากพื้นดิน (เช่น รองเท้าที่ทำจากวัสดุฉนวน) ตัวเก็บประจุจะถูกสร้างขึ้นระหว่างตัวเครื่องกับพื้นเพื่อกักเก็บประจุไฟฟ้า โดยทั่วไปแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จจะน้อยกว่าหรือเท่ากับ 50kV
การกระทำทั่วไปและละเอียดอ่อนสามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าคงที่ได้สูงมาก เมื่อร่างกายมนุษย์ปล่อยสารที่มีประจุออกมา มันจะทำปฏิกิริยาในระดับที่แตกต่างกัน ปฏิกิริยานี้เรียกว่าความไวต่อไฟฟ้าช็อต แม้ว่ากระแสไฟช็อตจะไม่ทำให้เกิดความเสียหายทางสรีรวิทยามากนัก แต่ก็อาจส่งผลต่อสุขภาพหรือเป็นอันตรายต่อร่างกายได้
ขีดจำกัดการบาดเจ็บจากไฟฟ้าช็อตคือ 3.0kV นอกจากนี้ การสัมผัสอุปกรณ์ที่ไวต่อไฟฟ้าสถิต-ด้วยตัวเครื่องที่ชาร์จแล้วอาจทำให้อุปกรณ์เหล่านี้เสียหายได้
ที่สาม เทคโนโลยีป้องกันไฟฟ้าสถิตย์- (มาตรการ)
ตามหลักการ อันตราย และกฎของการคายประจุไฟฟ้าสถิต สามารถปฏิบัติตามหลักการต่อไปนี้เพื่อสร้างมาตรการป้องกันไฟฟ้าสถิตที่มีประสิทธิผล-เพื่อป้องกันอันตราย
ก) รวมการควบคุมไฟฟ้าสถิตเข้ากับการออกแบบ
b) ป้องกันการสะสมของประจุไฟฟ้าสถิตและระงับและลดการเกิดไฟฟ้าสถิต
ค) สร้างช่องทางระบายที่รวดเร็วและปลอดภัย
d) ตรวจจับและติดตามประสิทธิภาพของมาตรการป้องกัน-คงที่
1. รวมการควบคุมไฟฟ้าสถิตเข้ากับการออกแบบ
(1) การออกแบบสภาพแวดล้อมการผลิตที่ป้องกัน-คงที่
การออกแบบป้องกันไฟฟ้าสถิต-ของสภาพแวดล้อมการผลิตสำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์เป็นกุญแจสำคัญในการควบคุม ESD การออกแบบขึ้นอยู่กับฟิล์มฉนวนของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ แรงดันไฟฟ้าพังทลายของไฟฟ้าสถิตของอุปกรณ์ที่ไวต่อไฟฟ้าสถิต (ESDS) ในเครื่องจักรทั้งหมด และประสิทธิภาพการป้องกัน-ไฟฟ้าสถิตของอุปกรณ์การผลิต ผู้ผลิตจะต้องกำหนดระดับการควบคุม ESD เฉพาะ ซึ่งกำหนดโดยส่วนประกอบที่ละเอียดอ่อนที่สุดในกระบวนการผลิต และสภาพแวดล้อมการผลิตจะต้องมั่นใจในความปลอดภัยของระดับนี้ ตาม DGJ08-83-2000 "ข้อกำหนดทางเทคนิคสำหรับวิศวกรรมป้องกันไฟฟ้าสถิต" การออกแบบทางวิศวกรรมสำหรับการควบคุมไฟฟ้าสถิตถูกแบ่งออกเป็นสามระดับโดยเฉพาะ: มาตรฐานระดับ 1 คือค่าสัมบูรณ์ของศักย์ไฟฟ้าสถิตในห้องควบคุมไม่เกิน 100V; มาตรฐานระดับ 2 คือค่าสัมบูรณ์ของศักย์ไฟฟ้าสถิตในห้องควบคุมไม่เกิน 200V มาตรฐานระดับ 3 คือค่าสัมบูรณ์ของศักย์ไฟฟ้าสถิตในห้องควบคุมไม่เกิน 1,000V ตำแหน่งที่เกี่ยวข้องสำหรับมาตรฐานการจำแนกประเภททางวิศวกรรมป้องกันไฟฟ้าสถิตแสดงอยู่ในตารางที่ 5 ด้านล่าง:
เนื่องจากความเสียหายจากไฟฟ้าสถิตเป็นสิ่งที่มองไม่เห็น การกำจัดอันตรายจาก ESD จึงจำเป็นต้องมีการป้องกันเป็นแนวทางหลัก ต้องตั้งค่าพื้นที่ป้องกันไฟฟ้าสถิต (EPA) ในพื้นที่ทำงาน ตาม IEC 1340-5-1 (1995) "ข้อกำหนดทั่วไปสำหรับการปกป้องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์" ข้อกำหนดหลักสำหรับ EPA คือการประสานศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน ซึ่งเชื่อมโยงบุคลากร วัสดุ และพื้นผิวการทำงานเข้าด้วยกัน และเชื่อมต่อด้วยระบบไฟฟ้าเข้ากับกราวด์ร่วมเพื่อป้องกันความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นระหว่างวัตถุต่างๆ เนื่องจาก ESD ไม่ได้เกิดขึ้นระหว่างวัสดุที่รักษาศักยภาพเดียวกันหรือศักย์ไฟฟ้าเป็นศูนย์ อุปกรณ์หรือแผงวงจรที่มีแนวโน้มที่จะเกิด ESD ในสภาพแวดล้อม EPA จึงได้รับการปกป้องจากความเสียหายจาก ESD