มาตรการป้องกันไฟฟ้าสถิตในห้องสะอาด

1. การเกิดไฟฟ้าสถิตและการเกิดอันตราย

ไฟฟ้าสถิตเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนภายในหรือระหว่างวัสดุ (รวมถึงการขั้วและตัวนำ) เมื่อวัสดุสองชนิดสัมผัสกันหรืออยู่ในระยะใกล้มาก (เช่น 10–25 ซม.) อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ผ่านพื้นผิวร่วมกันเนื่องจากปรากฏการณ์การทะลุผ่านควอนตัม (quantum tunneling effect) ส่งผลให้เกิดการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอน เมื่อถึงจุดสมดุล จะเกิดความต่างศักย์ระหว่างวัสดุทั้งสอง ทำให้เกิดประจุบวกและลบในปริมาณเท่ากันทั้งสองด้านของพื้นผิวสัมผัส หากวัสดุถูกแยกออกจากกันหลังจากการสัมผัส วัสดุทั้งสองจะพาประจุที่เท่ากันแต่ตรงข้ามกันไปด้วย นี่คือหลักการพื้นฐานของการเกิดไฟฟ้าสถิต

ไฟฟ้าสถิตเกิดขึ้นหลักๆ ได้สามวิธี:

• การชาร์จแบบไทรโบอิเล็กทริก (Triboelectric Charging) : เมื่อวัสดุสองชนิดสัมผัสหรือถูกถูเข้าด้วยกัน อิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนจากวัสดุที่มีแรงยึดเหนี่ยวอิเล็กตรอนอ่อนกว่า ไปยังวัสดุที่มีแรงยึดเหนี่ยวอิเล็กตรอนแข็งแรงกว่า ทำให้วัสดุหนึ่งมีประจุบวก และอีกวัสดุหนึ่งมีประจุลบ

• การชาร์จแบบนำไฟฟ้า : สำหรับตัวนำไฟฟ้า อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระบนพื้นผิว เมื่อตัวนำไฟฟ้าสัมผัสกับวัตถุที่มีประจุ อิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนจนกระทั่งเกิดสมดุลของประจุ ส่งผลให้เกิดไฟฟ้าสถิต

• การชาร์จแบบเหนี่ยวนำ : เมื่อตัวนำไฟฟ้าถูกวางอยู่ในสนามไฟฟ้าสถิตจากภายนอก อิเล็กตรอนจะถูกจัดระเบียบใหม่ เนื่องจากแรงผลักร่วมระหว่างประจุชนิดเดียวกันและแรงดึงดูดระหว่างประจุที่ต่างกัน ทำให้เกิดความไม่สมดุลของประจุและเกิดไฟฟ้าสถิต

จากหลักการและวิธีการเกิดไฟฟ้าสถิตขั้นพื้นฐาน ชี้ให้เห็นว่าหลายขั้นตอนในกระบวนการผลิตและการประกอบผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไปสามารถก่อให้เกิดไฟฟ้าสถิตได้ ในระหว่างการผลิตอิเล็กทรอนิกส์ ผู้ปฏิบัติงาน โต๊ะทำงาน เครื่องมือ ชิ้นส่วน และบรรจุภัณฑ์ สามารถสะสมประจุไฟฟ้าได้ ทุกที่ที่มีไฟฟ้าสถิตอยู่ จะเกิดปรากฏการณ์ ESD (Electro-Static Discharge) โดยมีอันตรายหลักคือ กระแสไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาอย่างรวดับทันทีทำให้เกิดสัญญาณรบกวนในวงจร และก่อให้เกิดความแปรปรวนในศักย์ไฟฟ้าอ้างอิง (เช่น ตัวเครื่องกราวด์ สัญญาณกราวด์) ซึ่งจะรบกวนการทำงานปกติของวงจร

อันตรายจากไฟฟ้าสถิตมีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างจากฟ้าผ่าหรือการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า:

• ลักษณะแฝง : ปรากฏการณ์ ESD มักไม่สามารถรับรู้ได้ด้วยมนุษย์ แต่ชิ้นส่วนอาจถูกทำลายโดยที่ไม่รู้ตัว

• ความล่าช้าและผลสะสม : บางส่วนอาจมีประสิทธิภาพลดลงหลังจากถูกไฟฟ้าสถิตย์โดยไม่เกิดความล้มเหลวทันที แต่อาจเกิดความล้มเหลวในภายหลังขณะใช้งาน

• ความสุ่ม : ความเสียหายจากไฟฟ้าสถิตย์สามารถเกิดขึ้นได้ทุกขั้นตอน - การผลิต การประกอบ หรือการบำรุงรักษา - และขณะสัมผัสกับวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าใดๆ ทำให้ไม่สามารถคาดการณ์ได้สูงมาก

• ความซับซ้อน : มักเข้าใจผิดว่าความเสียหายจากไฟฟ้าสถิตย์เป็นความล้มเหลวประเภทอื่น ส่งผลให้วินิจฉัยผิดพลาด

สำหรับการประกอบผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ ไฟฟ้าสถิตย์ส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อคุณภาพ ผลผลิต และความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ จำเป็นต้องดำเนินมาตรการป้องกันไฟฟ้าสถิตย์อย่างเป็นระบบในห้องสะอาด เพื่อลดความเสี่ยงจากไฟฟ้าสถิตย์ระหว่างการผลิต

2. การป้องกันไฟฟ้าสถิตย์

การป้องกันไฟฟ้าสถิตย์ที่มีประสิทธิภาพมักปฏิบัติตามหลักการพื้นฐานสามประการ ได้แก่

1. ลดหรือป้องกันการสะสมของประจุไฟฟ้าสถิตย์

2. จัดตั้งเส้นทางการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิตย์ที่ปลอดภัย

3. ดำเนินระบบตรวจสอบไฟฟ้าสถิตย์ที่จำเป็นและมีประสิทธิภาพ

2.1 ระบบต่อลงดิน

ระบบต่อลงดินที่มีความแข็งแรงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการป้องกันการสะสมประจุไฟฟ้าและจัดเตรียมเส้นทางการปล่อยประจุที่ปลอดภัย การต่อลงดินทางไฟฟ้าสถิตคือการเชื่อมต่อวัตถุที่มีประจุหรือวัตถุที่มีแนวโน้มจะสร้างไฟฟ้าสถิต (วัตถุที่ไม่ใช่ฉนวน) เข้ากับพื้นดินผ่านตัวนำไฟฟ้า เพื่อให้วัตถุเหล่านั้นอยู่ในระดับศักย์เดียวกับพื้นดิน ซึ่งจะช่วยเร่งการเคลื่อนที่และการรั่วของประจุ ทำให้สามารถปล่อยประจุไฟฟ้าสถิตและป้องกันการสะสมได้อย่างมีประสิทธิภาพ

2.2 การควบคุมสภาพแวดล้อม

การเกิดและระดับของไฟฟ้าสถิตย์มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับความชื้นในสภาพแวดล้อมและปริมาณไอออนในอากาศ ศักย์ไฟฟ้าสถิตย์มีค่าเป็นสัดส่วนกลับกับความชื้น ในสภาพแวดล้อมที่สะอาดเป็นพิเศษ เช่น ห้องคลีนรูม การมีไอออนในปริมาณต่ำทำให้เกิดไฟฟ้าสถิตย์ได้ง่ายขึ้น

การกระทำเดียวกันอาจก่อให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสถิตที่แตกต่างกันถึงหนึ่งลำดับเลขในระดับความชื้นที่แตกต่างกัน อย่างไรก็ตาม การที่ความชื้นสูงเกินไปไม่ใช่สิ่งที่แนะนำ เนื่องจากอาจทำให้เกิดการควบแน่นบนอุปกรณ์ ดังนั้นควรมีการควบคุมความชื้นให้อยู่ในช่วงที่เหมาะสม เช่น 30%–75%

3. การตรวจสอบไฟฟ้าสถิต

ความชื้นสูงสามารถลดไฟฟ้าสถิตให้อยู่ในระดับที่มนุษย์รับรู้ไม่ได้ แต่ยังคงมีศักยภาพที่จะทำให้ชิ้นส่วนที่ไวต่อไฟฟ้าเสียหายได้อยู่ วิธีที่ถูกต้องคือการตระหนักว่า ความชื้นสูงจะยับยั้งการเกิดไฟฟ้าสถิต ในขณะที่ความชื้นต่ำจะทำให้ปัญหาไฟฟ้าสถิกรุนแรงขึ้น สำหรับผลิตภัณฑ์ที่ต้องควบคุมไฟฟ้าสถิตอย่างเข้มงวด นอกเหนือจากมาตรการป้องกันแบบดั้งเดิม แล้วจำเป็นต้องมีการตรวจสอบและบันทึกการเกิดไฟฟ้าสถิตด้วย วิธีการเชิงปฏิบัติรวมถึงระบบควบคุมการเข้าถึงเพื่อป้องกันไฟฟ้าสถิต และระบบตรวจสอบไฟฟ้าสถิตแบบออนไลน์เรียลไทม์

3.1 ระบบควบคุมการเข้าถึงเพื่อป้องกันไฟฟ้าสถิต

เพื่อควบคุมไฟฟ้าสถิตย์ตั้งแต่ต้นทาง ระบบควบคุมการเข้าถึงแบบป้องกันไฟฟ้าสถิตย์จะถูกนำไปใช้ในพื้นที่สำคัญ ระบบเหล่านี้จะตรวจสอบว่าบุคลากรที่เข้าไปในเขตควบคุมไฟฟ้าสถิตย์มีมาตรการหรืออุปกรณ์ป้องกันไฟฟ้าสถิตย์ที่เหมาะสมหรือไม่ โมดูลการทำงานประกอบด้วย:

• การตรวจสอบอัตลักษณ์และการอนุญาต

• การทดสอบสายรัดข้อมือและรองเท้าป้องกันไฟฟ้าสถิตย์

• แผงควบคุมระดับ

เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ในสภาพแวดล้อมที่ต้องการความสะอาดสูง ระบบควบคุมการเข้าถึงสามารถเชื่อมต่อกับระบบห้องพ่นลมได้ โดยการนำสัญญาณการเข้าถึงไปรวมกับระบบควบคุมประตูห้องพ่นลม จะช่วยให้มั่นใจได้ว่าอุปกรณ์ป้องกันไฟฟ้าสถิตย์มีผลใช้ได้ตั้งแต่บุคลากรก้าวเข้าสู่พื้นที่ทำงาน

3.2 ระบบตรวจสอบไฟฟ้าสถิตย์แบบออนไลน์แบบเรียลไทม์

ในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โดยทั่วไป เครื่องทดสอบไฟฟ้าสถิตย์มักถูกใช้เพื่อตรวจสอบสายรัดข้อมือป้องกันไฟฟ้าสถิตย์ของพนักงาน เพื่อให้สอดคล้องกับมาตรฐาน ISO 9001 มักมีการบันทึกข้อมูลด้วยการระบุลงในแบบฟอร์มแบบแมนนวล อย่างไรก็ตาม หากสายรัดข้อมือป้องกันไฟฟ้าสถิตย์เกิดความล้มเหลวระหว่างการปฏิบัติงาน หรือชิ้นส่วนหนึ่งของระบบต่อพื้นดินเกิดการหลุดออก การตรวจจับความล้มเหลวนั้นจะเป็นเรื่องยากทันทีที่เกิดเหตุ

เพื่อแก้ไขปัญหาดังกล่าว โรงงานอิเล็กทรอนิกส์บางแห่งจึงได้เพิ่มโมดูลตรวจสอบแบบเรียลไทม์เข้าไว้ในระบบต่อพื้นดิน โดยใช้หลักการสมบูรณ์ของวงจรต่อพื้นดิน ระบบจะทำงานเตือนด้วยการเปิดไฟสัญญาณสีแดง (และอาจมีเสียงเตือนเพิ่มเติม) หากชิ้นส่วนใดในวงจรเกิดการขาดวงจรหรือมีความต้านทานสูงเกินไป (เช่น >10 โอห์ม) ระบบนี้ช่วยให้สามารถตรวจสอบสถานะแบบเรียลไทม์ ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้การบันทึกข้อมูลบนกระดาษที่น่าเบื่อและเป็นพิธีการ