Staattisen sähkön torjunta puhdastiloissa

1. Staattisen sähkön syntymekanismit ja vaarat

Staattinen sähkö on elektronien liikettä materiaalien sisällä tai niiden välillä (mukaan lukien polarisoituminen ja johtuminen). Kun kaksi eri materiaalia tulee kosketuksiin tai ovat hyvin lähellä toisiaan (esimerkiksi 10–25 cm:n etäisyydellä), elektronit siirtyvät rajapinnan yli kvanttipesäkkeen vaikutuksesta, mikä johtaa elektronien vaihtumiseen. Kun tasapaino saavutetaan, materiaalien välille muodostuu potentiaaliero, jolloin rajapinnan molemmille puolille syntyy yhtä suuret määrät positiivisia ja negatiivisia varauksia. Jos materiaalit erotetaan kosketuksesta, ne kantavat yhtä suuria mutta vastakkaismerkkisiä varauksia. Tämä on staattisen sähkön synnyn perusperiaate.

Staattista sähköä syntyy kolmella pää tavalla:

• Kitkavaraus : Kun kaksi eri materiaalia koskettaa toisiaan tai hankaautuu vastakkain, elektronit siirtyvät materiaalista, jolla on heikompi elektronien sitomiskyky, materiaaliin, jolla on vahvempi sitomiskyky, jolloin toinen materiaali muuttuu positiivisesti varautuneeksi ja toinen negatiivisesti varautuneeksi.

• Johdevaraus : Johtimille elektronit liikkuvat vapaasti pinnalla. Kun johdin koskettaa varattua kohdetta, elektronit siirtyvät kunnes saavutetaan varausjakauma, joka on tasapainossa, jolloin syntyy staattista sähkövarauksia.

• Induktiivinen varaus : Kun johdin sijoitetaan ulkoiseen sähköstaattiseen kenttään, elektronit uudelleenjakautuvat samanmerkkisten varauksien hylkimisen ja vastakkaisten varauksien vetovoiman vaikutuksesta, mikä johtaa varausjakauman epätasapainoon ja staattisen sähkön syntymiseen.

Staattisen sähkön generoinnin perusperiaatteiden ja -menetelmien perusteella on selvää, että staattista sähköä voi syntyä monessa vaiheessa elektroniikkatuotteiden tuotannossa ja valmistuksessa. Elektroniikan valmistuksessa sekä työntekijät, työpöydät, työkalut, komponentit että pakkausmateriaalit voivat kaikki varautua. Staattisen sähkön esiintyessä ESD-isku (Electro-Static Discharge) voi tapahtua. Päävaarat liittyvät äkilliseen purkaukseen, joka indusoi kohinaa piirissä ja aiheuttaa heiluntaa vertailumassojen potentiaaleissa (esim. tuotteen maa, signaalimaa), mikä häiritsee piirin normaalia toimintaa.

Staattisen sähkön aiheuttamat vaarat ovat ominaisuuksiltaan erilaisia kuin salama-iskut tai sähkömagneettinen häiriö:

• Piilevä luonne : ESD-iskut ovat usein ihmisen aistien ulottumattomissa, mutta komponentteja voidaan vahingoittaa tietämättä.

• Viivästynyt vaikutus ja kertyvä vaikutus : Joidenkin komponenttien suorituskyky voi heiketä ESD-altistuksen jälkeen ilman välitöntä vauriota, mutta ne voivat myöhemmin epäonnistua käytön aikana.

• Satunnaisuus : ESD-vauriot voivat syntyä missä tahansa vaiheessa – valmistuksen, tuotannon tai huollon aikana – ja minkä tahansa varautuneen esineen kanssa tulemisessa, mikä tekee siitä erittäin ennustamattoman.

• Monimutkaisuus : ESD-vaurioita pidetään usein muiden tyyppisinä vioina, mikä johtaa virheellisiin diagnooseihin.

Elektronisten tuotteiden kokoamisessa staattinen sähkö vaikuttaa voimakkaasti tuotteiden laatuun, saantoasteeseen ja luotettavuuteen. Järjestelmällisiä staattisen sähkön torjumistoimenpiteitä on toteutettava puhdastiloissa ESD-riskien minimoimiseksi tuotannon aikana.

2. Staattisen sähkön suojaus

Tehokas staattisen sähkön suojaus perustuu yleensä kolmeen perusperiaatteeseen:

1. Vähennä tai estä sähköstaattisten varauksien kertyminen.

2. Luo turvalliset sähköstaattisen purkauksen reitit.

3. Toteuta tarpeelliset ja tehokkaat sähköstaattiset valvontajärjestelmät.

2.1 Maadoitusjärjestelmä

Vahva maadoitusjärjestelmä on oleellinen estämään varauksen kertymistä ja tarjoamalla turvalliset purkureitit. Sähköstaattinen maadoitus tarkoittaa varautuneiden kappaleiden tai staattista sähköä luovien kappaleiden (ei-eristäjät) yhdistämistä maahan johtimien kautta, jotta ne pysyvät samassa potentiaalissa kuin maa. Tämä nopeuttaa varauksen liikkumista ja vuotoa, jolloin staattinen varaus voidaan purkaa tehokkaasti estämään kertymistä.

2.2 Ympäristön hallinta

Staattisen sähkön syntymiseen ja sen voimakkuuteen vaikuttavat suuresti ympäristön kosteus ja ilman ionien pitoisuus. Sähköstaattinen potentiaali on kääntäen verrannollinen kosteuteen. Erittäin puhtaissa ympäristöissä, kuten puhdastiloissa, alhainen ionipitoisuus aiheuttaa staattisen sähkön helpomman syntymisen.

Sama toiminto voi aiheuttaa sähköstaattisia jännitteitä, joiden suuruusluokat eroavat riippuen ilman kosteudesta. Kuitenkin liian korkea kosteus ei ole suositeltavaa, koska se voi aiheuttaa kondensoitumista laitteisiin. Ilman kosteuden tulisi olla kohtuullisella alueella, esimerkiksi 30 % - 75 %.

3. Sähköstaattisen purkauksen valvonta

Korkea ilmankosteus voi vähentää staattista sähköä niin, ettei sitä voida havaita ihmisen aistien avulla, mutta se voi silti vahingoittaa herkkiä komponentteja. Oikea lähestymistapa on ymmärtää, että korkea kosteus vähentää staattisen sähkön syntymistä, kun taas matala kosteus pahentaa sitä. Tuotteille, joissa vaaditaan tiukkaa staattisen sähkön hallintaa, perinteisten suojatoimien lisäksi on välttämätöntä valvoa ja tallentaa staattisen sähkön esiintymistä. Käytännön ratkaisuja ovat esimerkiksi antistatiikkapääsynvalvontajärjestelmät ja reaaliaikaiset staattisen sähkön valvontajärjestelmät.

3.1 Antistatiikkapääsynvalvontajärjestelmä

Staattisen sähkön hallintaan lähteestä alkaen toteutetaan anti-staattisia pääsynhallintajärjestelmiä kriittisissä tiloissa. Nämä järjestelmät varmistavat, että henkilöstöllä, joka pääsee staattisäädetyille alueille, on asianmukaiset anti-staattiset toimenpiteet tai varusteet. Toiminnallisia moduuleja ovat:

• Henkilöllisyyden ja oikeuksien varmistus

• Anti-staattisten rannekkeiden ja kenkien testaus

• Tasohallintapaneelit

Tehokkuuden parantamiseksi pääsynhallintajärjestelmä voidaan integroida ilmavirtauskammion järjestelmään ympäristöissä, joissa vaaditaan korkeaa puhdasta tilaa. Käyttöönottamalla pääsymerkit ilmavirtauskammion ovenhallintajärjestelmään varmistetaan anti-staattisten varusteiden toimivuus heti työalueelle pääsyhetkestä alkaen.

3.2 Reaaliaikainen verkkoon liitetty staattisen sähkön seurantajärjestelmä

Elektroniikan valmistuksessa on yleistä käyttää sähköstaattisia testereitä työntekijöiden antistaattisten rannekkeiden tarkistamiseen. ISO 9001 -standardin mukaisuuden takaamiseksi tuloksia merkitään usein manuaalisesti lomakkeille. Kuitenkin, jos antistaattinen ranneke epäonnistuu käytön aikana tai jos maadoitusjärjestelmän osa irtoaa, on virheen havaitseminen heti vaikeaa.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi jotkut elektroniikkatehtaat integroivat reaaliaikaiset verkkoseurantamoduulit maadoitusjärjestelmiinsä. Hyödyntämällä maadoituspiirin eheyttä, järjestelmä aktivoi punaisen valon hälytyksen (ja tarvittaessa äänihälytyksen), jos piirin jokin osa on avoin tai vastus on liian korkea (esim. >10 Ω). Tämä järjestelmä mahdollistaa reaaliaikaisen seurannan eikä tarvita ikäviä ja muodollisia paperitietueita.