Antistatische Maßnahmen in Reinräumen

1. Entstehung und Gefahren von elektrostatischer Aufladung

Elektrostatische Aufladung ist das Ergebnis von Elektronenbewegungen innerhalb oder zwischen Materialien (einschließlich Polarisation und Leitung). Wenn zwei unterschiedliche Materialien in Kontakt kommen oder sich in sehr geringer Entfernung zueinander befinden (z. B. 10–25 cm), tunneln Elektronen aufgrund des quantenmechanischen Tunneleffekts über die Grenzfläche und führen so zum Austausch von Elektronen. Sobald das Gleichgewicht erreicht ist, bildet sich zwischen den Materialien eine Potentialdifferenz, wodurch auf beiden Seiten der Grenzfläche gleiche Mengen an positiven und negativen Ladungen entstehen. Werden die Materialien nach dem Kontakt voneinander getrennt, tragen sie gleiche, aber entgegengesetzte Ladungen. Dies ist das grundlegende Prinzip der Entstehung elektrostatischer Aufladung.

Elektrostatische Aufladung entsteht hauptsächlich auf drei Arten:

• Triboelektrische Aufladung : Wenn zwei verschiedene Materialien miteinander in Kontakt kommen oder aneinander reiben, übertragen sich Elektronen vom Material mit schwächerer Elektronenbindungsfähigkeit zum Material mit stärkerer Bindungsfähigkeit, wodurch ein Material positiv geladen und das andere negativ geladen wird.

• Leitende Aufladung : Bei Leitern bewegen sich Elektronen frei auf der Oberfläche. Wenn ein Leiter mit einem geladenen Objekt in Kontakt kommt, erfolgt ein Elektronentransfer, bis die Ladungsgleichgewicht erreicht ist, was zu elektrostatischer Aufladung führt.

• Induktive Aufladung : Wenn ein Leiter in ein externes elektrostatisches Feld gebracht wird, verschieben sich die Elektronen aufgrund der Abstoßung gleichnamiger Ladungen und der Anziehung entgegengesetzter Ladungen, wodurch ein Ladungsungleichgewicht und elektrostatische Aufladung entstehen.

Aus den grundlegenden Prinzipien und Methoden der Entstehung von statischer Elektrizität ist ersichtlich, dass viele Stufen bei der Produktion und Fertigung allgemeiner elektronischer Produkte statische Elektrizität erzeugen können. Während der Elektronikfertigung können Bediener, Arbeitsflächen, Werkzeuge, Bauteile und Verpackungen geladen werden. Überall, wo statische Elektrizität vorliegt, kommt es zu einer elektrostatischen Entladung (ESD). Die hauptsätzlichen Gefahren umfassen unter anderem den momentanen Entladungsstrom, der Rauschen in Schaltungen induziert und Schwankungen in Referenzmassepotentialen (z. B. Produkterdungung, Signalerdungung) verursacht, wodurch die normale Schaltungsoperation gestört wird.

Gefahren durch statische Elektrizität weisen im Vergleich zu Blitzströmen oder elektromagnetischen Störungen besondere Eigenschaften auf:

• Verborgenheit : ESD-Ereignisse sind für Menschen oft nicht wahrnehmbar, dennoch können Bauteile unbemerkt beschädigt werden.

• Schleichende Wirkung und kumulative Effekte : Einige Komponenten können nach ESD-Belastung eine verschlechterte Leistung aufweisen, ohne sofort auszufallen, können aber später während des Betriebs versagen.

• Zufälligkeit : ESD-Schäden können in jeder Phase entstehen – Produktion, Fertigung oder Wartung – und bei Berührung mit jedem geladenen Objekt, was äußerst unvorhersehbar macht.

• Komplexität : ESD-Schäden werden häufig mit anderen Arten von Ausfällen verwechselt, was zu falschen Diagnosen führt.

Bei der Montage elektronischer Produkte wirkt sich statische Elektrizität stark auf die Produktqualität, Ausbeute und Zuverlässigkeit aus. In Reinräumen müssen systematische Maßnahmen zum Schutz vor statischer Elektrizität umgesetzt werden, um ESD-Risiken während der Produktion zu minimieren.

2. Schutz vor statischer Elektrizität

Der wirksame Schutz vor statischer Elektrizität folgt typischerweise drei grundlegenden Prinzipien:

1. Elektrostatische Aufladung reduzieren oder verhindern.

2. Sichere Entladepfade für elektrostatische Entladung schaffen.

3. Notwendige und effektive Überwachungssysteme für elektrostatische Entladung implementieren.

2.1 Erdungssystem

Ein robustes Erdungssystem ist entscheidend, um die Ansammlung von Ladungen zu verhindern und sichere Entladepfade bereitzustellen. Die elektrostatische Erdung umfasst die Verbindung von geladenen Objekten oder Objekten, die voraussichtlich statische Elektrizität erzeugen (Nicht-Isolatoren), mit der Erde über Leiter, um sicherzustellen, dass sie dasselbe Potential wie die Erde beibehalten. Dies beschleunigt die Ladungsbewegung und den Ladungsverlust und leitet statische Ladungen effektiv ab, um deren Ansammlung zu verhindern.

2.2 Umweltkontrolle

Die Erzeugung und Stärke von statischer Elektrizität hängt eng mit der Umgebungsfeuchtigkeit und der Ionenkonzentration in der Luft zusammen. Das elektrostatische Potential ist umgekehrt proportional zur Feuchtigkeit. In ultrareinen Umgebungen wie Reinräumen führt eine geringe Ionenkonzentration dazu, dass statische Elektrizität leichter entsteht.

Die gleiche Handlung kann unter verschiedenen Luftfeuchtigkeitsniveaus elektrostatische Spannungen erzeugen, die sich um eine Größenordnung unterscheiden. Allerdings ist eine übermäßig hohe Luftfeuchtigkeit nicht ratsam, da sie Kondensation an Geräten verursachen kann. Die Luftfeuchtigkeit sollte innerhalb eines vernünftigen Bereichs gehalten werden, beispielsweise 30 %–75 %.

3. Elektrostatische Überwachung

Hohe Luftfeuchtigkeit kann statische Elektrizität auf ein für Menschen unbemerkbares Niveau reduzieren, dennoch kann sie empfindliche Bauteile beschädigen. Der richtige Ansatz besteht darin zu erkennen, dass hohe Luftfeuchtigkeit die Entstehung von statischer Elektrizität unterdrückt, während niedrige Luftfeuchtigkeit diese verstärkt. Bei Produkten, bei denen eine strikte Kontrolle von statischer Elektrizität erforderlich ist, sind über traditionelle Schutzmaßnahmen hinaus das Überwachen und Aufzeichnen der Entstehung von statischer Elektrizität notwendig. Praktische Lösungen hierfür sind antistatische Zugangskontrollsysteme und Echtzeit-Online-Überwachungssysteme für elektrostatische Aufladung.

3.1 Antistatisches Zugangskontrollsystem

Zur Steuerung von statischer Elektrizität an der Quelle werden in kritischen Bereichen antistatische Zugangskontrollsysteme eingesetzt. Diese Systeme überprüfen, ob das Personal, das in Bereiche mit statischer Kontrolle eintritt, über geeignete antistatische Maßnahmen oder Ausrüstung verfügt. Funktionale Module umfassen:

• Identitäts- und Berechtigungsprüfung

• Prüfung von antistatischen Armbändern und Schuhen

• Bedienfelder zur Niveauregelung

Um die Effektivität zu steigern, kann in Umgebungen, die eine hohe Reinheit erfordern, das Zugangskontrollsystem mit Luftduschanlagen kombiniert werden. Durch Einbindung der Zugangssignale in das Türsteuerungssystem der Luftdusche wird sichergestellt, dass die Gültigkeit der antistatischen Ausrüstung ab dem Moment des Betretens des Arbeitsbereichs gewährleistet ist.

3.2 Echtzeit-Online-Elektrostatiküberwachungssystem

In der Elektronikfertigung werden allgemein elektrostatische Prüfgeräte eingesetzt, um die antistatischen Armbänder der Mitarbeiter zu überprüfen. Laut ISO 9001 werden die Ergebnisse oft manuell auf Formularen dokumentiert. Wenn jedoch während des Betriebs ein antistatisches Armband versagt oder ein Teil des Erdungssystems abgekoppelt wird, ist es schwierig, den Fehler unverzüglich zu erkennen.

Zur Lösung dieses Problems integrieren einige Elektronikfertigungen Echtzeit-Online-Überwachungsmodulen in ihre Erdungssysteme. Unter Ausnutzung der Integrität des Erdungskreises löst das System ein akustisches und optisches Alarm aus, wenn ein Teil des Stromkreises unterbrochen ist oder einen zu hohen Widerstand (z. B. >10 Ω) aufweist. Dieses System ermöglicht eine Echtzeitüberwachung und eliminiert somit die Notwendigkeit lästiger und formaler Papierdokumentationen.