Antistatische Maatregelen in Cleanrooms

1. Generatie en gevaren van statische elektriciteit

Statische elektriciteit is het resultaat van elektronenbeweging binnen of tussen materialen (inclusief polarisatie en geleiding). Wanneer twee verschillende materialen met elkaar in contact komen of zich op zeer korte afstand bevinden (bijvoorbeeld 10–25 cm), tunneleren elektronen over de grenslaag door het quantumtunneling-effect, wat leidt tot elektronenuitwisseling. Wanneer het evenwicht is bereikt, ontstaat er een potentiaalverschil tussen de materialen, wat resulteert in gelijke hoeveelheden positieve en negatieve ladingen aan weerszijden van de grenslaag. Als de materialen na het contact van elkaar worden gescheiden, zullen zij gelijke maar tegengestelde ladingen meedragen. Dit is het fundamentele principe achter de opwekking van statische elektriciteit.

Statische elektriciteit wordt voornamelijk op drie manieren gegenereerd:

• Tribo-elektrische lading : Wanneer twee verschillende materialen in contact komen of langs elkaar wrijven, verplaatsen elektronen zich van het materiaal met zwakkere elektronbinding naar het materiaal met sterkere binding, waardoor het ene materiaal positief geladen wordt en het andere negatief geladen.

• Gelijkstroomlading : Voor geleiders bewegen elektronen vrij op het oppervlak. Wanneer een geleider in contact komt met een geladen object, verplaatsen elektronen zich totdat ladingevenwicht is bereikt, wat resulteert in statische elektriciteit.

• Inductieve lading : Wanneer een geleider in een extern elektrostatisch veld wordt geplaatst, herschikken elektronen zich als gevolg van afstoting tussen gelijke ladingen en aantrekking tussen tegengestelde ladingen, wat leidt tot een ladingonevenwichtigheid en statische elektriciteit.

Uit de basisprincipes en methoden van statische elektriciteitsopwekking is duidelijk dat veel fasen in de productie en het fabricageproces van algemene elektronische producten statische elektriciteit kunnen genereren. Tijdens de elektronische productie kunnen operatoren, werkbanken, gereedschap, componenten en verpakkingen allemaal elektrisch worden geladen. Overal waar statische elektriciteit aanwezig is, zal een ESD-gebeurtenis (Electro-Static Discharge) optreden. De belangrijkste gevaren zijn onder andere de directe ontladingsstroom die ruis in schakelingen induceert en fluctuaties in de referentie-aardpotentialen veroorzaakt (bijvoorbeeld productaarde, signaalaarde), waardoor de normale werking van de schakeling wordt verstoord.

Gevaren van statische elektriciteit hebben unieke kenmerken vergeleken met bliksem of elektromagnetische interferentie:

• Verborgen aard : ESD-gebeurtenissen zijn vaak onmerkbaar voor mensen, maar componenten kunnen ongemerkt beschadigd raken.

• Tijdvertraging en cumulatief effect : Sommige componenten kunnen na ESD-blootstelling een verminderde prestatie vertonen zonder directe storing, maar kunnen later tijdens gebruik alsnog uitvallen.

• Willekeurigheid : ESD-schade kan zich op elk moment voordoen—tijdens productie, fabricage of onderhoud—en bij contact met elk geladen object, waardoor het zeer onvoorspelbaar is.

• Complexiteit : ESD-schade wordt vaak verward met andere soorten storingen, wat leidt tot onjuiste diagnoses.

Voor de montage van elektronische producten heeft statische elektriciteit een ernstige impact op productkwaliteit, opbrengst en betrouwbaarheid. Systeemgebrekende antistatische maatregelen moeten in cleanrooms worden toegepast om ESD-risico's tijdens de productie te minimaliseren.

2. Bescherming tegen statische elektriciteit

Effectieve bescherming tegen statische elektriciteit volgt meestal drie basisprincipes:

1. Verminder of voorkom de opbouw van elektrostatische ladingen.

2. Stel veilige elektrostatische ontladingspaden beschikbaar.

3. Voer noodzakelijke en effectieve elektrostatische monitoring systemen uit.

2.1 Aardingssysteem

Een robuust aardingssysteem is essentieel om het opbouwen van elektrische lading te voorkomen en veilige ontladingspaden te bieden. Elektrostatische aarding houdt in het verbinden van geladen objecten of objecten die waarschijnlijk statische elektriciteit kunnen genereren (niet-isolatoren) met de aarde via geleiders, zodat zij op hetzelfde potentiaal blijven als de grond. Dit versnelt de verplaatsing en het weglekken van de lading, waardoor statische elektriciteit effectief wordt afgevoerd en ophoping wordt voorkomen.

2.2 Milieuregeling

De generatie en omvang van statische elektriciteit staan in direct verband met de luchtvochtigheid en de ionenconcentratie in de omgeving. Elektrostatisch potentiaal is omgekeerd evenredig met de vochtigheid. In ultrareine omgevingen zoals cleanrooms leidt een lage ionenconcentratie ertoe dat statische elektriciteit gemakkelijker wordt opgewekt.

Dezelfde actie kan elektrostatische spanningen genereren die een orde van grootte verschillen onder verschillende vochtigheidsniveaus. Echter, uiterst hoge vochtigheid is niet aan te raden, omdat dit condensatie op apparatuur kan veroorzaken. De vochtigheid dient binnen een redelijk bereik te worden gehouden, zoals 30%–75%.

3. Elektrostatische monitoring

Hoge vochtigheid kan statische elektriciteit reduceren tot niveaus die voor mensen onwaarneembaar zijn, maar het kan nog steeds schade toebrengen aan gevoelige componenten. De juiste aanpak is om te erkennen dat hoge vochtigheid de ontwikkeling van statische elektriciteit onderdrukt, terwijl lage vochtigheid dit juist verergert. Voor producten die strikte controle op statische elektriciteit vereisen, zijn naast traditionele beschermende maatregelen, monitoring en registratie van statische ontladingen noodzakelijk. Praktische oplossingen zijn onder andere antistatische toegangscontrolesystemen en real-time online elektrostatische monitoring systemen.

3.1 Antistatisch Toegangscontrolesysteem

Om statische elektriciteit bij de bron te beheersen, worden antistatische toegangscontrolesystemen geïmplementeerd in kritieke gebieden. Deze systemen controleren of personeel dat statisch gecontroleerde zones betreedt, beschikt over de juiste antistatische maatregelen of uitrusting. Functionele modules omvatten:

• Identiteits- en percontoetsing

• Testen van antistatische polsbandjes en schoenen

• Niveauregelpanelen

Om de effectiviteit te verhogen, kan in omgevingen die een hoge graad van schoonheid vereisen, het toegangscontrolesysteem worden geïntegreerd met luchtdouche-systemen. Door toegangssignalen op te nemen in het deurcontrolesysteem van de luchtdouche, wordt de geldigheid van antistatische uitrusting verzekerd vanaf het moment dat personeel het werkgebied betreedt.

3.2 Echtijdig online elektrostatisch bewakingssysteem

In de algemene elektronicamanufactuur worden elektrostatische testers veel gebruikt om de antistatische polsbandjes van werknemers te controleren. Om te voldoen aan ISO 9001 worden gegevens vaak handmatig genoteerd op formulieren. Echter, als een antistatisch polsbandje tijdens het gebruik defect raakt, of als een deel van het aardingsysteem loskomt, is het moeilijk om de storing direct te detecteren.

Om dit op te lossen, integreren sommige elektronicafabrieken real-time online monitoringmodules in hun aardingsystemen. Door gebruik te maken van de integriteit van het aardingscircuit, activeert het systeem een rood waarschuwingslicht (en optioneel een geluidsalarm) als een deel van het circuit onderbroken is of een te hoge weerstand heeft (bijvoorbeeld >10 Ω). Dit systeem maakt real-time monitoring mogelijk en vervangt de tijdrovende en formele papieren registraties.