Elektrosztatikus töltés elleni védekezés tisztaszobákban

1. A statikus elektromosság keletkezése és veszélyei

A statikus elektromosság az anyagokon belüli vagy egymással érintkező anyagok közötti elektronmozgás eredménye (beleértve a polarizációt és a vezetést). Amikor két különböző anyag érintkezik egymással, vagy nagyon rövid távolságra vannak egymástól (pl. 10–25 cm), az elektronok átjutnak az érintkezési felületen a kvantumalagút effektus következtében, ami elektroncseréhez vezet. Egyensúly kialakulásakor a két anyag között potenciálkülönbség alakul ki, amely az érintkezési felület két oldalán azonos mennyiségű pozitív és negatív töltést eredményez. Ha az anyagokat az érintkezés után elválasztják, akkor ellentétes töltésekkel rendelkeznek. Ez a statikus elektromosság kialakulásának alapelve.

A statikus elektromosság létrejöhet háromféle módon:

• Triboelektromos töltés : Amikor két különböző anyag érintkezik vagy egymáshoz dörzsölődik, az elektronok az anyagról, amelyik gyengébb elektronkötő képességgel rendelkezik, átmennek arra az anyagra, amelyik erősebb kötőképességgel rendelkezik, emiatt az egyik anyag pozitívan töltődik, a másik pedig negatívan.

• Vezető töltés : Vezetőknél az elektronok szabadon mozognak a felületen. Amikor egy vezető érintkezik egy töltött tárggyal, elektronok áramlanak mindaddig, amíg a töltések egyensúlyba nem kerülnek, ennek eredményeként pedig elektrosztatikus töltés keletkezik.

• Induktív töltés : Amikor egy vezetőt külső elektrosztatikus térbe helyeznek, az elektronok újraeloszlását a az azonos töltések közötti taszítás és az ellentétes töltések közötti vonzás okozza, ami töltéskiegyensúlyozatlanysághoz és elektrosztatikus töltéshez vezet.

A statikus elektromosság keltésének alapelveiből és módszereiből egyértelmű, hogy a statikus elektromosság számos szakaszban keletkezhet az általános elektronikai termékek gyártása és előállítása során. Az elektronikai gyártás során az operátorok, munkaasztalok, eszközök, alkatrészek és csomagolóanyagok mind töltődhetnek. Mindenütt, ahol statikus elektromosság keletkezik, ESD (Elektrosztatikus kisülés) esemény következhet be. A fő veszélyek közé tartozik a pillanatnyi kisülési áram, ami zajt kelthet az áramkörökben, és ingadozást okozhat a vonatkozási földelési potenciálokban (pl. termékföld, jel-föld), ezáltal zavarhatja az áramkör normál működését.

A statikus elektromosság által okozott veszélyeknek megvannak az egyedi jellemzőik a villámcsapáshoz vagy elektromágneses interferenciához képest:

• Rejtett jelleg : Az ESD-események gyakran észrevétlenek az emberi érzékelés számára, mégis az alkatrészek is észrevétlenül megsérülhetnek.

• Késlekedés és halmozódó hatás : Egyes alkatrészek teljesítménye az ESD-s kisütés után degradálódhat anélkül, hogy azonnal meghibásodnának, de később, a használat során meghibásodhatnak.

• Véletlenszerűség : Az ESD-károsodás bármely szakaszban előfordulhat – gyártás, készítés vagy karbantartás közben –, valamint bármely töltött tárggyal való érintkezés során is, ezáltal rendkívül előrejelezhetetlenné teszi.

• Bonyolultság : Az ESD okta ártalmat gyakran másfajta meghibásodással keverik, ami helytelen diagnózishoz vezethet.

Az elektronikai termékek összeszerelése során a statikus elektromosság súlyosan befolyásolja a termék minőségét, kitermelhetőségét és megbízhatóságát. A tisztaterekben rendszeres antistatikus intézkedéseket kell bevezetni az ESD-vel kapcsolatos kockázatok csökkentése érdekében a gyártás során.

2. Statikus elektromosság elleni védelem

A hatékony statikus elektromosság elleni védelem általában három alapvető elvet követ:

1. Csökkentse vagy akadályozza meg az elektrosztatikus töltések felhalmozódását.

2. Hozzon létre biztonságos elektrosztatikus kisütési utakat.

3. Alkalmazzon szükséges és hatékony elektrosztatikus felügyeleti rendszereket.

2.1 Villamos földelési rendszer

Egy megbízható földelési rendszer elengedhetetlen a töltésfelhalmozódás megelőzéséhez és biztonságos kisütési utak biztosításához. Az elektrosztatikus földelés során a töltéssel rendelkező tárgyakat, illetve azokat a tárgyakat, amelyek valószínűleg sztatikus elektromosságot keltenek (nem szigetelők), vezetőkön keresztül a földhöz csatlakoztatják, így tartva azokat a földdel azonos potenciálon. Ez gyorsítja a töltések mozgását és elszivárgását, hatékonyan semlegesítve a sztatikus töltéseket, így megakadályozva azok felhalmozódását.

2.2 Környezeti feltételek szabályozása

A sztatikus elektromosság kialakulása és mértéke szorosan összefügg a környezeti páratartalommal és a levegő ionkoncentrációjával. Az elektrosztatikus potenciál a páratartalommal fordítottan arányos. Olyan szuper tiszta környezetekben, mint például tisztaszobákban, az alacsony ionkoncentráció miatt a sztatikus elektromosság könnyebben keletkezik.

Ugyanaz a tevékenység különböző páratartalom-szintek mellett egyszerűsítve egy nagyságrenddel eltérő elektrosztatikus feszültségeket eredményezhet. Ugyanakkor túl magas páratartalom nem javasolt, mivel az kicsapódást válthat ki a felszereléseken. A páratartalmat ésszerű tartományban kell tartani, például 30–75% között.

3. Elektrosztatikus felügyelet

A magas páratartalom csökkentheti a statikus elektromosságot az emberi érzékelés alá, azonban az továbbra is károsíthatja az érzékeny alkatrészeket. A helyes megközelítés az, hogy felismerjük: a magas páratartalom csökkenti a statikus töltés kialakulását, míg az alacsony páratartalom fokozza azt. Olyan termékek esetében, amelyek szigorú statikus szabályozást igényelnek, a hagyományos védelmi intézkedéseken túl, a statikus elektromosság keletkezésének felügyelete és rögzítése is szükséges. Gyakorlati megoldások például antistatikus hozzáférés-vezérlő rendszerek és valós idejű online elektrosztatikus felügyeleti rendszerek.

3.1 Antistatikus hozzáférés-vezérlő rendszer

A sztatikus elektromosság forrásának ellenőrzésére kritikus területeken antisztaikus hozzáférés-vezérlő rendszereket alkalmaznak. Ezek a rendszerek ellenőrzik, hogy a sztatikus vezérelt zónákba belépő személyzet rendelkezik-e megfelelő antisztatikus intézkedésekkel vagy felszerelésekkel. A funkcionális modulok a következők:

• Azonosítás és jogosultság-ellenőrzés

• Antisztatikus csuklópántok és cipők tesztelése

• Szintvezérlő panelek

Az hatékonyság növelése érdekében magas tisztaságot igénylő környezetekben a hozzáférés-vezérlő rendszer integrálható levegőzölt zárt tér (air shower) rendszerekkel. Az azonosító jelek beépítésével a levegőzölt tér ajtóvezérlő rendszerébe biztosítva marad az antisztatikus felszerelések érvényessége attól a pillanattól kezdve, amikor a személy a munkaterületre lép.

3.2 Valós idejű online sztatikus monitorozó rendszer

Az elektronikai gyártás során általában elektrosztatikus tesztelőket használnak az alkalmazottak antisztaikus csuklópántjainak ellenőrzésére. Az ISO 9001 előírásainak teljesüléséhez az adatokat gyakran kézzel jelölik meg a nyomtatványokon. Azonban ha egy antisztatikus csuklópánt meghibásodik a működés közben, vagy ha a földelőrendszer valamelyik része leválik, akkor a hiba azonnali észlelése nehéz.

Ennek megoldására egyes elektronikai gyárak valós idejű online felügyeleti modulokat építenek be a földelőrendszerbe. A földelőkör integritását kihasználva a rendszer piros fényjelzést (és opcióként hangjelzést is) aktivál, ha a kör bármelyik része megszakad, vagy túl magas ellenállást mutat (pl. >10 Ω). Ez a rendszer lehetővé teszi a valós idejű felügyeletet, így elmaradnak a fáradságos és formális papír alapú feljegyzések.