Меры защиты от статического электричества в чистых помещениях

1. Образование и опасности статического электричества

Статическое электричество возникает в результате перемещения электронов внутри материалов или между ними (включая поляризацию и проводимость). Когда два различных материала вступают в контакт или находятся на очень близком расстоянии (например, 10–25 см), электроны проходят через границу раздела благодаря эффекту туннелирования, что приводит к обмену электронами. При достижении равновесия между материалами образуется разность потенциалов, в результате чего на каждой стороне границы раздела появляется одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов. Если материалы разделяются после контакта, они несут равные, но противоположные заряды. Это основной принцип образования статического электричества.

Статическое электричество в основном образуется тремя способами:

• Трибоэлектрическая зарядка : При контакте или трении двух различных материалов электроны переходят от материала с более слабой связывающей способностью к материалу с более сильной связывающей способностью, в результате чего один материал становится положительно заряженным, а другой — отрицательно заряженным.

• Электропроводящий заряд : В случае проводников электроны свободно перемещаются по поверхности. При контакте проводника с заряженным объектом происходит перенос электронов до достижения зарядового равновесия, что приводит к возникновению статического электричества.

• Индукционный заряд : Когда проводник помещается во внешнее электростатическое поле, электроны перераспределяются вследствие отталкивания одноименных зарядов и притяжения разноименных, что приводит к дисбалансу зарядов и возникновению статического электричества.

Из основных принципов и методов возникновения статического электричества очевидно, что на многих этапах производства и изготовления электронных продуктов может образовываться статическое электричество. Во время производства электронных устройств статический заряд могут накапливать операторы, рабочие столы, инструменты, компоненты и упаковка. Везде, где присутствует статическое электричество, может произойти электростатический разряд (ESD). Основные опасности включают возникновение шумов в цепях из-за мгновенного разрядного тока и колебания потенциалов опорного заземления (например, заземление устройства, сигнальное заземление), что может нарушить нормальную работу электронных схем.

Опасности, связанные со статическим электричеством, имеют особые характеристики по сравнению с молнией или электромагнитными помехами:

• Скрытый характер : события ESD часто незаметны для человека, но при этом компоненты могут незаметно повреждаться.

• Запаздывание и накопительный эффект : Некоторые компоненты могут испытывать снижение производительности после воздействия электростатического разряда без немедленного выходом из строя, но они могут выйти из строя позже во время использования.

• Случайность : Повреждение от электростатического разряда может произойти на любом этапе — при производстве, изготовлении или техническом обслуживании — а также при контакте с любым заряженным объектом, что делает его крайне непредсказуемым.

• Сложность : Повреждения от электростатического разряда часто принимают за другие типы неисправностей, что приводит к неправильной диагностике.

Для сборки электронных продуктов статическое электричество серьезно влияет на качество продукции, выход годных изделий и надежность. В чистых помещениях необходимо систематически применять меры защиты от статического электричества для минимизации рисков электростатического разряда во время производства.

2. Защита от статического электричества

Эффективная защита от статического электричества обычно основывается на трех основных принципах:

1. Снижение или предотвращение накопления электростатических зарядов.

2. Создание безопасных путей для электростатического разряда.

3. Внедрение необходимых и эффективных систем контроля электростатических зарядов.

2.1 Система заземления

Надежная система заземления необходима для предотвращения накопления заряда и обеспечения безопасных путей разряда. Заземление электростатического типа предполагает соединение заряженных объектов или объектов, которые могут генерировать статическое электричество (неизоляторы), с землей посредством проводников, обеспечивая одинаковый потенциал этих объектов с потенциалом земли. Это ускоряет перемещение и утечку заряда, эффективно рассеивая статический заряд и предотвращая его накопление.

2.2 Контроль окружающей среды

Генерация и величина статического электричества тесно связаны с влажностью окружающей среды и концентрацией ионов в воздухе. Электростатический потенциал обратно пропорционален влажности. В сверхчистых помещениях, таких как чистые комнаты, низкая концентрация ионов способствует более легкому возникновению статического электричества.

Один и тот же процесс может вызывать электростатические напряжения, отличающиеся на порядок, при различных уровнях влажности. Однако слишком высокая влажность нежелательна, поскольку может привести к образованию конденсата на оборудовании. Влажность следует поддерживать в разумных пределах, например, от 30% до 75%.

3. Контроль электростатики

Высокая влажность может снизить уровень статического электричества до величин, незаметных для человека, но оно все еще может повредить чувствительные компоненты. Правильным подходом является признание того, что высокая влажность подавляет возникновение статического электричества, а низкая влажность усиливает его. Для изделий, требующих строгого контроля статического электричества, помимо традиционных мер защиты, необходимо осуществлять мониторинг и регистрацию возникновения статического электричества. Практическими решениями являются системы контроля доступа с защитой от статического электричества и системы стационарного контроля статического электричества в режиме реального времени.

3.1 Система контроля доступа с защитой от статического электричества

Для контроля статического электричества в источнике, в критических зонах внедряются антистатические системы контроля доступа. Эти системы проверяют, имеют ли персонал, входящий в зоны с контролируемым статическим электричеством, надлежащие антистатические меры или оборудование. Функциональные модули включают:

• Проверка идентичности и разрешений

• Тестирование антистатических браслетов и обуви

• Панели контроля уровня

Для повышения эффективности в средах, требующих высокой чистоты, систему контроля доступа можно интегрировать с системами воздушных душевых. Включая сигналы доступа в систему управления дверями воздушного душа, обеспечивается действительность антистатического оборудования с момента входа персонала в рабочую зону.

3.2 Система онлайн-мониторинга электростатики в реальном времени

В общем машиностроении электростатические тестеры часто используются для проверки антистатических браслетов сотрудников. Для соблюдения стандарта ISO 9001 записи часто вручную отмечаются в формах. Однако, если антистатический браслет выходит из строя во время работы, или если часть системы заземления отсоединяется, обнаружить неисправность сразу довольно сложно.

Для решения этой задачи некоторые электронные фабрики интегрируют модули онлайн-мониторинга в реальном времени в свои системы заземления. Используя целостность заземляющей цепи, система срабатывает красным световым сигналом (и при необходимости звуковой сигнализацией), если какая-либо часть цепи разомкнута или имеет чрезмерно высокое сопротивление (например, >10 Ом). Эта система обеспечивает мониторинг в реальном времени и устраняет необходимость в утомительном и формальном ведении бумажных записей.