Come si forma il rischio di elettricità statica nell'industria elettronica?
I rischi legati all'elettricità statica nell'industria elettronica possono essere suddivisi in due categorie: una è l'adsorbimento di polvere aerodispersa causata dall'attrazione elettrostatica; l'altro è la rottura dielettrica causata dalle scariche elettrostatiche.
1. Adsorbimento elettrostatico
Nel processo di fabbricazione dei componenti semiconduttori, a causa dell'uso estensivo di strumenti e materiali in quarzo e polimeri, che hanno elevate proprietà isolanti, l'inevitabile attrito durante l'uso può causare un accumulo continuo di cariche superficiali, aumentandone il potenziale.
A causa degli effetti meccanici dell'elettricità statica, in queste condizioni la polvere presente nell'aria sul posto di lavoro può facilmente aderire alla superficie del truciolo. Anche le più piccole particelle di polvere possono influenzare le prestazioni dei dispositivi a semiconduttore. Pertanto, la produzione di prodotti elettronici deve essere effettuata in un ambiente pulito e gli operatori, gli strumenti e l'ambiente devono adottare una serie di misure anti-statiche per prevenire e ridurre la formazione di pericoli legati all'elettricità statica.
2. Classificazione della degradazione dielettrica
La rottura dei componenti causata dall'elettricità statica è la principale forma di pericolo dovuto all'elettricità statica nell'industria elettronica. In un campo elettrico intenso, all’aumentare dell’intensità del campo, la carica si accumula. Quando raggiunge un certo livello, il dielettrico perde la sua polarizzazione e diventa un conduttore, provocando infine un danno termico. Questo fenomeno è chiamato rottura dielettrica. La rottura dielettrica può essere classificata in tre tipi: rottura termica, rottura chimica e rottura elettrica.
(1) Ripartizione termica
Quando un dielettrico è in funzione, se il calore generato dalla perdita di energia supera il calore dissipato nell'ambiente circostante, la temperatura del dielettrico aumenta rapidamente, aumentando la conduttività fino a quando non si verifica un danno termico. Pertanto, il problema principale della rottura termica è la dissipazione del calore. La progettazione termica è un aspetto cruciale della progettazione del prodotto.
(2) Decomposizione chimica
Sotto alta tensione, un forte campo elettrico può causare la ionizzazione localizzata di collisione dell'aria vicino a difetti o pori sulla superficie dielettrica o all'interno del dielettrico. Questa ionizzazione provoca un bagliore dielettrico, generando sostanze chimiche-ozono e anidride carbonica-che riducono le prestazioni di isolamento e provocano danni dielettrici.
(3) Guasto elettrico
La rottura elettrica si verifica quando un dielettrico è sottoposto a un forte campo elettrico, che gli fa emettere elettroni liberi. Gli elettroni liberi aumentano rapidamente con l’aumentare dell’intensità del campo elettrico, distruggendo così le proprietà isolanti del dielettrico. È evidente che il guasto elettrico è causato essenzialmente dall'accumulo di carica; pertanto, prevenire l'accumulo di carica può prevenire guasti elettrici.
3. Decomposizione e scarica elettrostatica
(1) Scarica elettrostatica
Sebbene le scariche elettrostatiche e quelle generate da un alimentatore esterno stabile siano entrambe causate dall'accumulo di carica, presentano differenze significative. Innanzitutto, nel caso della scarica elettrostatica, la fonte di scarica è la carica spaziale, e quindi la sua energia immagazzinata è limitata, a differenza di un alimentatore esterno che ha la capacità di scaricarsi continuamente. Pertanto, può fornire energia solo per guasti localizzati a breve-termine. Sebbene l'energia della scarica elettrostatica sia relativamente piccola, la forma d'onda della scarica è molto complessa e difficile da controllare. A ciò è collegata la rottura graduale dei dispositivi a semiconduttore.
(2) Guasto elettrostatico
I danni da guasto dei componenti causati dalle scariche elettrostatiche rappresentano il pericolo più comune e grave nel settore dell'elettronica, in particolare nella produzione e nell'assemblaggio di prodotti elettronici. Le scariche elettrostatiche possono causare guasti gravi o guasti lievi dei dispositivi. Un guasto grave è un-guasto permanente del dispositivo, come un circuito aperto o un cortocircuito tra l'uscita e l'ingresso del dispositivo. Il guasto graduale può degradare le prestazioni dei componenti e ridurne le specifiche, creando il rischio di guasti. Poiché il guasto lieve causa il malfunzionamento intermittente dei circuiti (a causa delle specifiche ridotte) ed è difficile da rilevare, provoca problemi significativi al funzionamento complessivo del sistema e alla risoluzione dei problemi. Durante un guasto lieve, l'apparecchiatura può ancora funzionare con un "guasto", le sue prestazioni non sono sostanzialmente modificate e può superare l'ispezione di fabbrica, ma è soggetta a guasti nuovamente in qualsiasi momento. Diversi guasti lievi possono portare a guasti gravi, causando un funzionamento anomalo delle apparecchiature, con conseguenti perdite per gli utenti, danni alla reputazione del produttore e alle vendite dei prodotti e persino perdite irreparabili per il Paese.
4. Elettricità statica del corpo umano
Nella produzione industriale, una delle principali cause di danni ai componenti e di interferenze con il normale funzionamento delle apparecchiature elettroniche è la scarica elettrostatica del corpo umano. Le scariche elettrostatiche provenienti dal corpo umano possono causare scosse elettriche e lesioni, nonché provocare incidenti secondari (ad esempio danni ai componenti), pertanto dovrebbero essere prese sul serio. L'elettricità statica è generata dal corpo umano convertendo l'energia meccanica consumata durante il lavoro quotidiano in energia elettrica. Il corpo umano è un conduttore statico. Quando si è isolati da terra (ad esempio con scarpe in materiale isolante), tra il corpo e la terra si forma un condensatore che immagazzina la carica elettrica. La tensione di carica è generalmente inferiore o uguale a 50 kV.
Un'azione molto comune e subdola può generare una tensione statica considerevolmente elevata. Quando il corpo umano scarica una sostanza carica, reagirà a vari livelli; questa reazione è chiamata sensibilità alla scossa elettrica. Anche se uno shock statico non causerà gravi danni fisiologici, potrebbe avere effetti sulla salute o danneggiare il corpo.
Il limite per le lesioni da scossa elettrica è 3,0 kV. Inoltre, toccare dispositivi sensibili all'elettricità statica-con il corpo carico può danneggiare tali dispositivi.
III. Tecnologia di controllo anti-statico (misure)
In base ai principi, ai pericoli e alle leggi sulle scariche elettrostatiche, è possibile seguire i seguenti principi per stabilire misure di controllo anti-statiche efficaci per prevenire danni.
a) Integrare il controllo elettrostatico nella progettazione
b) Prevenire l'accumulo di carica elettrostatica e sopprimere e ridurre la generazione di elettricità statica
c) Stabilire un canale di scarico rapido e sicuro
d) Rilevare e monitorare l'efficacia delle misure anti-statiche
1. Integrare il controllo elettrostatico nel progetto
(1) Progettazione anti-statica dell'ambiente di produzione
La progettazione anti-statica dell'ambiente di produzione per i prodotti elettronici è la chiave per il controllo ESD. Il design si basa sulla pellicola isolante dei componenti elettronici, sulla tensione di scarica elettrostatica dei dispositivi sensibili alle cariche elettrostatiche (ESDS) nell'intera macchina e sulle prestazioni anti-statiche delle apparecchiature di produzione. I produttori devono determinare un livello di controllo ESD specifico, determinato dai componenti più sensibili nel processo di produzione, e l'ambiente di produzione deve garantire la sicurezza di questo livello. Secondo la DGJ08-83-2000 "Specifica tecnica per l'ingegneria antistatica", la progettazione ingegneristica per il controllo dell'elettricità statica è specificatamente suddivisa in tre livelli: lo standard di livello 1 prevede che il valore assoluto del potenziale elettrostatico nella sala di controllo non sia superiore a 100 V; Lo standard di livello 2 prevede che il valore assoluto del potenziale elettrostatico nella sala di controllo non sia superiore a 200 V; Lo standard di livello 3 prevede che il valore assoluto del potenziale elettrostatico nella sala di controllo non sia superiore a 1000 V. Le posizioni applicabili per gli standard di classificazione ingegneristica antistatica sono mostrate nella Tabella 5 di seguito:
Poiché i danni dovuti all’elettricità statica sono invisibili, l’eliminazione dei rischi da scariche elettrostatiche richiede la prevenzione come approccio primario. Nell'area di lavoro devono essere predisposte aree protette elettrostatiche (EPA). Secondo la norma IEC 1340-5-1 (1995) "Requisiti generali per la protezione dei dispositivi elettronici", il requisito principale per gli EPA è il collegamento equipotenziale, che collega insieme personale, materiali e superfici di lavoro e li collega elettricamente a una terra comune per evitare potenziali differenze tra oggetti diversi. Poiché l'ESD non si verifica tra materiali che mantengono lo stesso potenziale o potenziale zero, i dispositivi o i circuiti stampati soggetti a ESD in un ambiente EPA sono protetti dai danni da ESD.