วิธีป้องกันการคายประจุไฟฟ้าสถิต (ESD)

วิธีป้องกันการคายประจุไฟฟ้าสถิต (ESD)

เพื่อต่อสู้และป้องกัน ESD อย่างมีประสิทธิภาพ ต้องใช้อุปกรณ์ที่เหมาะสมอย่างถูกต้อง ต้องขอบคุณอุปกรณ์ป้องกัน ESD แบบวงปิด-ที่มีประสิทธิภาพ การตรวจสอบ และการสร้างไอออนไนซ์ ESD จึงถือได้ว่าเป็นปัญหาในการควบคุมกระบวนการ

การคายประจุไฟฟ้าสถิต (ESD) เป็นสาเหตุของความเสียหายที่คุ้นเคยแต่ยังประเมินค่าต่ำเกินไปต่อแผงวงจรและส่วนประกอบในการประกอบอิเล็กทรอนิกส์ มันส่งผลกระทบต่อผู้ผลิตทุกรายโดยไม่คำนึงถึงขนาด แม้ว่าหลายคนเชื่อว่าพวกเขากำลังผลิตในสภาพแวดล้อมที่ปลอดภัย- ESD แต่ความจริงก็คือความเสียหายที่เกี่ยวข้องกับ ESD - ยังคงสร้างความเสียหายให้กับอุตสาหกรรมการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของโลกเป็นเงินหลายพันล้านดอลลาร์ต่อปี

ESD คืออะไรกันแน่? การคายประจุไฟฟ้าสถิต (ESD) หมายถึงการคายประจุ (การไหลของอิเล็กตรอน) ของประจุไฟฟ้าสถิตที่มีอยู่ก่อนหน้านี้ (คงที่) (อิเล็กตรอนไม่เพียงพอหรือมากเกินไป) การชาร์จจะเสถียรภายใต้เงื่อนไข 2 ประการ:

เมื่อ "ติด" ในวัตถุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าแต่เป็นฉนวนไฟฟ้า เช่น ไขควงโลหะที่มีด้ามจับพลาสติก

เมื่ออยู่บนพื้นผิวฉนวน (เช่น พลาสติก) และไม่สามารถไหลผ่านได้

อย่างไรก็ตาม หากตัวนำที่มีประจุไฟฟ้าสูงเพียงพอ (เช่น ไขควง) เข้าใกล้วงจรรวม (IC) ที่มีศักยภาพตรงกันข้าม ประจุ "บริดจ์" จะเกิดขึ้น ทำให้เกิดประจุไฟฟ้าสถิต (ESD)

ESD เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วโดยมีความเข้มสูงมาก โดยทั่วไปจะสร้างความร้อนเพียงพอที่จะละลายวงจรภายในของชิปเซมิคอนดักเตอร์ ภายใต้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน สิ่งนี้จะปรากฏเป็นรูเล็กๆ-ที่ถูกเป่าออกมา ทำให้เกิดความเสียหายทันทีและแก้ไขไม่ได้

ที่ร้ายแรงกว่านั้นคือมีเพียงหนึ่งในสิบเท่านั้นที่ความเสียหายนี้ทำให้ส่วนประกอบทั้งหมดล้มเหลวในระหว่างการทดสอบขั้นสุดท้าย ในอีก 90% ที่เหลือ ความเสียหายจาก ESD ทำให้เกิดการย่อยสลายเพียงบางส่วนเท่านั้น-หมายความว่าส่วนประกอบที่เสียหายผ่านการทดสอบขั้นสุดท้ายโดยตรวจไม่พบ แสดงให้เห็นเพียงความล้มเหลวของสนามก่อนเวลาอันควรหลังจากจัดส่งให้กับลูกค้าแล้ว นี่เป็นจุดที่มีชื่อเสียงและมีค่าใช้จ่ายสูงที่สุดสำหรับผู้ผลิตในการแก้ไขข้อบกพร่องในการผลิต

อย่างไรก็ตาม ปัญหาหลักในการควบคุม ESD คือมองไม่เห็นแต่สามารถสร้างความเสียหายให้กับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ได้ การปล่อยประจุที่ทำให้เกิดเสียง "คลิก" ต้องใช้ประจุที่ค่อนข้างมากประมาณ 2,000 โวลต์ ในขณะที่ 3,000 โวลต์อาจทำให้เกิดไฟฟ้าช็อตขนาดเล็กได้ และ 5,000 โวลต์อาจทำให้เกิดประกายไฟที่มองเห็นได้

ตัวอย่างเช่น ส่วนประกอบทั่วไป เช่น โลหะเสริม-ออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์ (CMOS) หรือหน่วยความจำแบบอ่านได้เฉพาะโปรแกรมได้ทางไฟฟ้า- (EPROM) อาจได้รับความเสียหายจากความต่างศักย์ ESD เพียง 250 โวลต์และ 100 โวลต์ตามลำดับ ในขณะที่ส่วนประกอบสมัยใหม่ที่มีความละเอียดอ่อนมากขึ้น รวมถึงโปรเซสเซอร์ Pentium สามารถถูกทำลายได้เพียง 5 โวลต์

ปัญหานี้ประกอบกับกิจกรรมที่สร้างความเสียหายที่เกิดขึ้นทุกวัน ตัวอย่างเช่น การเดินบนพื้นโรงงานไวนิลทำให้เกิดการเสียดสีระหว่างพื้นผิวกับรองเท้า ผลลัพธ์ก็คือวัตถุที่มีประจุล้วนๆ สามารถสะสมประจุได้ตั้งแต่ 3 ถึง 2,000 โวลต์ ขึ้นอยู่กับความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศในท้องถิ่น

แม้แต่แรงเสียดทานที่เกิดจากการเคลื่อนไหวตามธรรมชาติของพนักงานบนโต๊ะทำงานก็สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้ 400 ถึง 6,000 โวลต์ หากพนักงานจับฉนวนขณะแกะหรือบรรจุ PCB ในกล่องโฟมหรือแผ่นบับเบิ้ล ประจุสุทธิที่สามารถสะสมบนพื้นผิวร่างกายของพนักงานจะสูงถึงประมาณ 26,000 โวลต์

ดังนั้น ในฐานะแหล่งที่มาหลักของอันตรายจาก ESD บุคลากรทุกคนที่เข้าไปในพื้นที่ป้องกันไฟฟ้าสถิต (EPA) จะต้องต่อสายดินเพื่อป้องกันการสะสมของประจุ และพื้นผิวทั้งหมดควรต่อสายดินเพื่อรักษาทุกอย่างให้มีศักยภาพเท่ากัน เพื่อป้องกันไม่ให้ ESD เกิดขึ้น

ผลิตภัณฑ์หลักที่ใช้ในการป้องกัน ESD คือสายรัดข้อมือ ซึ่งทำจากผ้าลูกฟูกเนื้อนุ่ม และพื้นผิวหรือบุนวมที่กระจายตัวได้-ทั้งสองอย่างจะต้องต่อสายดินอย่างเหมาะสม ความช่วยเหลือเพิ่มเติม เช่น รองเท้ากระจายหรือสายรัดส้น และเสื้อผ้าที่เหมาะสม ได้รับการออกแบบมาเพื่อป้องกันการสะสมและการเก็บรักษาค่าใช้จ่ายสุทธิในขณะที่บุคลากรเคลื่อนที่ภายใน EPA

ในระหว่างและหลังการประกอบ PCB ควรได้รับการป้องกันจาก ESD จากการขนส่งภายในและภายนอก มีผลิตภัณฑ์บรรจุภัณฑ์ PCB จำนวนมากเพื่อวัตถุประสงค์นี้ รวมถึงถุงป้องกัน กล่องจัดส่ง และรถเข็นเคลื่อนที่ แม้ว่าการใช้อุปกรณ์ข้างต้นอย่างถูกต้องจะป้องกันปัญหาที่เกี่ยวข้องกับ ESD ได้ 90%- แต่จำเป็นต้องมีการป้องกันอีกชั้นเพื่อให้ถึง 10% สุดท้าย ซึ่งก็คือ ไอออนไนซ์

วิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการทำให้อุปกรณ์ประกอบและพื้นผิวที่สามารถสร้างประจุไฟฟ้าสถิตเป็นกลางได้คือการใช้เครื่องสร้างประจุไอออน-อุปกรณ์ที่เป่ากระแสลมที่แตกตัวเป็นไอออนผ่านพื้นที่ทำงานเพื่อทำให้ประจุที่สะสมบนฉนวนเป็นกลาง

ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยคือเนื่องจากการสวมสายรัดมือที่สถานีงาน ประจุบนฉนวนในบริเวณนั้น เช่น ถ้วยโพลีสไตรีนหรือกล่องกระดาษแข็ง จะกระจายไปอย่างปลอดภัย ตามคำนิยาม ฉนวนไม่นำไฟฟ้าและไม่สามารถปล่อยออกมาได้ ยกเว้นผ่านการไอออไนซ์

หากฉนวนที่มีประจุยังคงอยู่ใน EPA มันจะแผ่สนามไฟฟ้าสถิตออกไป ทำให้เกิดประจุสุทธิบนวัตถุที่อยู่ใกล้เคียง ซึ่งจะเป็นการเพิ่มความเสี่ยงที่ ESD จะเกิดความเสียหายต่อผลิตภัณฑ์ แม้ว่าผู้ผลิตหลายรายพยายามห้ามใช้ฉนวนจาก EPA แต่แนวทางนี้นำไปใช้ได้ยาก ฉนวนกันความร้อนแพร่หลายมากในชีวิตประจำวัน-ตั้งแต่แผ่นโฟมที่ผู้ปฏิบัติงานนั่งสบายไปจนถึงสิ่งของที่หุ้มด้วยพลาสติก

เนื่องจากการใช้เครื่องสร้างประจุไอออน ผู้ผลิตจึงสามารถยอมรับการมีฉนวนบางอย่างใน EPA ของตนได้ เนื่องจากระบบการสร้างไอออนจะต่อต้านการสะสมประจุใดๆ ที่อาจเกิดขึ้นบนฉนวนอย่างต่อเนื่อง จึงเป็นการลงทุนที่คุ้มค่าสำหรับโปรแกรม ESD ใดๆ

เครื่องกำเนิดไอออนพื้นฐานมีสองประเภทในส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์มาตรฐาน:

เดสก์ท็อป (พัดลมตัวเดียว)

หน่วยเหนือศีรษะ (ชุดพัดลมภายในหน่วยเหนือศีรษะเดียว)

เครื่องกำเนิดไอออนในอาคารก็มีวางจำหน่ายเช่นกัน แต่ปัจจุบันใช้ในสภาพแวดล้อมห้องปลอดเชื้อเป็นหลัก

ทางเลือกขึ้นอยู่กับขนาดของพื้นที่ที่จะป้องกัน เครื่องกำเนิดไอออนแบบตั้งโต๊ะจะครอบคลุมพื้นผิวการทำงานเดียวที่สม่ำเสมอ ในขณะที่เครื่องกำเนิดไอออนเหนือศีรษะจะครอบคลุมสองหรือสามพื้นผิว ข้อดีอีกประการหนึ่งคือเครื่องกำเนิดไอออนยังป้องกันฝุ่นไฟฟ้าสถิตไม่ให้เกาะติดกับผลิตภัณฑ์ ซึ่งสามารถลดรูปลักษณ์ของผลิตภัณฑ์ได้

อย่างไรก็ตาม ไม่มีโปรแกรมการป้องกันใดที่จะสมบูรณ์ได้หากไม่มีการทดสอบและติดตามประสิทธิภาพของอุปกรณ์ ESD อย่างเหมาะสม ผู้เชี่ยวชาญด้านการควบคุม ESD และไอออนไนซ์ชั้นนำได้รายงานตัวอย่างของผู้ผลิตที่ใช้อุปกรณ์ ESD ที่ไม่มีประสิทธิภาพ (และไม่มีประโยชน์) โดยที่ไม่ตระหนักถึงความล้มเหลว

เพื่อป้องกันสิ่งนี้ นอกเหนือจากอุปกรณ์ ESD มาตรฐานแล้ว ซัพพลายเออร์ ESD ยังนำเสนออุปกรณ์ตรวจสอบอย่างต่อเนื่องที่หลากหลายซึ่งจะแจ้งเตือนโดยอัตโนมัติหากประสิทธิภาพเกินขีดจำกัดที่ระบุ จอภาพสามารถใช้เป็นหน่วยสแตนด์อโลนหรือเชื่อมต่อในเครือข่ายได้ นอกจากนี้ยังมีซอฟต์แวร์เครือข่ายสำหรับการเก็บข้อมูลอัตโนมัติ โดยให้-การแสดงประสิทธิภาพของระบบแบบเรียลไทม์สำหรับผู้ปฏิบัติงานและเวิร์กสเตชัน

จอภาพสามารถทำให้การวางแผน ESD ง่ายขึ้นโดยกำจัดงานประจำหลายอย่าง เช่น การตรวจวัดเทปในแต่ละวันอย่างเหมาะสม การปรับสมดุลของเครื่องกำเนิดไอออนและการบำรุงรักษาที่เหมาะสม และจุดต่อสายดินของโต๊ะทำงานที่ไม่เสียหาย

บทสรุป

ขั้นตอนแรกในการป้องกัน ESD คือการประเมินอย่างถูกต้องว่ารายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ ที่ดูเหมือนเล็กน้อยสามารถทำให้เกิดความเสียหายที่แก้ไขไม่ได้หากมองข้ามไปได้อย่างไร แผนงานที่มีประสิทธิผลไม่เพียงแต่ต้องใช้อุปกรณ์ป้องกัน ESD ที่มีประสิทธิภาพเท่านั้น แต่ยังต้องมีขั้นตอนการปฏิบัติงานที่เข้มงวดอีกด้วย เพื่อรับประกันความปลอดภัยของ ESD สำหรับบุคลากรทุกคนในโรงงาน

แม้ว่าผู้ผลิตหลายรายจะใช้เครื่องทดสอบเทปอัตโนมัติ แต่ก็เป็นเรื่องปกติที่ผู้ปฏิบัติงานจะผ่านการทดสอบหรือไม่ผ่านเนื่องจากเทปหลวม ผู้ปฏิบัติงานจำนวนมากพยายามที่จะผ่านการทดสอบโดยเพียงแค่จับผู้ทดสอบใกล้กับข้อมือด้วยมืออีกข้าง

อย่างไรก็ตาม ข่าวดีก็คือว่า ESD สามารถป้องกันได้ เวลาและเงินที่ลงทุนในอุปกรณ์ที่เหมาะสมและขั้นตอนด้านความปลอดภัยที่ได้รับการปรับปรุงจะคุ้มค่ากับอัตราการผ่านที่เพิ่มขึ้น