Wie entsteht die Gefahr statischer Elektrizität in der Elektronikindustrie?
Die Gefahren durch statische Elektrizität in der Elektronikindustrie lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Die eine ist die Adsorption von Staub in der Luft, der durch elektrostatische Anziehung verursacht wird; Das andere ist ein dielektrischer Durchschlag, der durch elektrostatische Entladung verursacht wird.
1. Elektrostatische Adsorption
Im Herstellungsprozess von Halbleiterbauelementen kann es aufgrund der umfangreichen Verwendung von Werkzeugen und Materialien aus Quarz und Polymeren, die über hohe Isolationseigenschaften verfügen, durch unvermeidbare Reibung während des Gebrauchs zu einer kontinuierlichen Anhäufung von Oberflächenladungen kommen, was das Potenzial erhöht.
Aufgrund der mechanischen Wirkung statischer Elektrizität kann sich unter diesen Bedingungen in der Luft befindlicher Staub am Arbeitsplatz leicht an der Spanoberfläche festsetzen. Selbst kleine Staubpartikel können die Leistung von Halbleiterbauelementen beeinträchtigen. Daher muss die Herstellung elektronischer Produkte in einer sauberen Umgebung erfolgen und Bediener, Werkzeuge und die Umwelt müssen eine Reihe antistatischer Maßnahmen ergreifen, um die Entstehung von Gefahren durch statische Elektrizität zu verhindern und zu reduzieren.
2. Klassifizierung des dielektrischen Durchschlags
Der durch statische Elektrizität verursachte Ausfall von Komponenten ist die Hauptgefahr durch statische Elektrizität in der Elektronikindustrie. In einem starken elektrischen Feld sammelt sich mit zunehmender Feldstärke Ladung an. Ab einem bestimmten Wert verliert das Dielektrikum seine Polarisation und wird zum Leiter, was schließlich zu thermischen Schäden führt. Dieses Phänomen wird als dielektrischer Durchschlag bezeichnet. Der dielektrische Durchschlag kann in drei Typen eingeteilt werden: thermischer Durchschlag, chemischer Durchschlag und elektrischer Durchschlag.
(1) Thermischer Zusammenbruch
Wenn beim Betrieb eines Dielektrikums die durch Energieverlust erzeugte Wärme die an die Umgebung abgegebene Wärme übersteigt, steigt die Temperatur des Dielektrikums schnell an und erhöht die Leitfähigkeit, bis ein thermischer Schaden auftritt. Das Kernproblem beim thermischen Abbau ist daher die Wärmeableitung. Das thermische Design ist ein entscheidender Aspekt des Produktdesigns.
(2) Chemischer Abbau
Unter Hochspannung kann ein starkes elektrisches Feld eine lokalisierte Luftkollision in der Nähe von Defekten oder Poren auf der dielektrischen Oberfläche oder innerhalb des Dielektrikums verursachen. Diese Ionisierung verursacht dielektrisches Leuchten und erzeugt chemische Substanzen -Ozon und Kohlendioxid-, die die Isolationsleistung verringern und zu dielektrischen Schäden führen.
(3) Stromausfall
Ein elektrischer Durchschlag tritt auf, wenn ein Dielektrikum einem starken elektrischen Feld ausgesetzt wird und dadurch freie Elektronen aussendet. Freie Elektronen nehmen mit zunehmender elektrischer Feldstärke schnell zu und zerstören so die isolierenden Eigenschaften des Dielektrikums. Es ist offensichtlich, dass ein elektrischer Durchschlag im Wesentlichen durch Ladungsansammlung verursacht wird; Daher kann die Verhinderung einer Ladungsansammlung einen elektrischen Ausfall verhindern.
3. Elektrostatischer Zusammenbruch und Entladung
(1) Elektrostatische Entladung
Obwohl elektrostatische Entladungen und Entladungen, die durch eine externe stabile Stromversorgung erzeugt werden, beide durch Ladungsansammlung verursacht werden, weisen sie erhebliche Unterschiede auf. Erstens ist bei elektrostatischer Entladung die Entladungsquelle eine Raumladung, weshalb ihre gespeicherte Energie begrenzt ist, im Gegensatz zu einer externen Stromversorgung, die sich kontinuierlich entladen kann. Daher kann es Energie nur für kurzfristige, lokale Ausfälle bereitstellen. Obwohl die Energie einer elektrostatischen Entladung relativ gering ist, ist ihre Entladungswellenform sehr komplex und schwer zu kontrollieren. Damit verbunden ist der sanfte Durchbruch von Halbleiterbauelementen.
(2) Elektrostatischer Durchschlag
Durch elektrostatische Entladung verursachte Bauteilschäden sind die häufigste und schwerwiegendste Gefahr in der Elektronikindustrie, insbesondere bei der Herstellung und Montage elektronischer Produkte. Elektrostatische Entladungen können zu einem harten oder sanften Ausfall von Geräten führen. Bei einem harten Ausfall handelt es sich um einen einmaligen dauerhaften Ausfall des Geräts, z. B. einen offenen Stromkreis oder einen Kurzschluss zwischen Ausgang und Eingang des Geräts. Durch einen sanften Ausfall kann sich die Leistung von Komponenten verschlechtern und ihre Spezifikationen herabsetzen, wodurch die Gefahr eines Ausfalls entsteht. Da ein Soft Breakdown (aufgrund reduzierter Spezifikationen) zeitweise zu Fehlfunktionen der Schaltkreise führt und schwer zu erkennen ist, verursacht er erhebliche Probleme für den gesamten Systembetrieb und die Fehlerbehebung. Während eines sanften Ausfalls kann das Gerät immer noch mit einem „Fehler“ betrieben werden, wobei sich seine Leistung nicht grundlegend verändert, und es kann die Werksinspektion bestehen, ist aber jederzeit anfällig für einen erneuten Ausfall. Mehrere Soft-Ausfälle können zu Hard-Ausfällen führen, die einen abnormalen Gerätebetrieb verursachen, was zu Verlusten für Benutzer, Rufschädigung des Herstellers und Produktverkäufen und sogar zu irreparablen Verlusten für das Land führt.
4. Statische Elektrizität vom menschlichen Körper
In der industriellen Produktion ist die elektrostatische Entladung des menschlichen Körpers eine der Hauptursachen für Komponentenschäden und Störungen des normalen Betriebs elektronischer Geräte. Elektrostatische Entladungen aus dem menschlichen Körper können Stromschläge und Verletzungen verursachen und auch Folgeunfälle (z. B. Schäden an Bauteilen) auslösen. Sie sollten daher ernst genommen werden. Statische Elektrizität wird dadurch erzeugt, dass der menschliche Körper die bei der täglichen Arbeit verbrauchte mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Der menschliche Körper ist ein statischer Leiter. Bei Isolierung vom Boden (z. B. mit Schuhen aus isolierendem Material) bildet sich zwischen Körper und Boden ein Kondensator, der elektrische Ladung speichert. Die Ladespannung beträgt typischerweise weniger als oder gleich 50 kV.
Eine sehr häufige und subtile Aktion kann eine beträchtlich hohe statische Spannung erzeugen. Wenn der menschliche Körper eine geladene Substanz entlädt, reagiert er unterschiedlich stark; Diese Reaktion wird als Stromschlagempfindlichkeit bezeichnet. Während ein statischer Schock keine größeren physiologischen Schäden verursacht, kann er die Gesundheit beeinträchtigen oder den Körper schädigen.
Der Grenzwert für Stromschlagverletzungen liegt bei 3,0 kV. Darüber hinaus kann die Berührung statisch-empfindlicher Geräte mit einem aufgeladenen Körper diese Geräte beschädigen.
III. Antistatische Kontrolltechnik (Maßnahmen)
Basierend auf den Prinzipien, Gefahren und Gesetzen der elektrostatischen Entladung können die folgenden Prinzipien befolgt werden, um wirksame antistatische Kontrollmaßnahmen zur Vermeidung von Schäden festzulegen.
a) Integrieren Sie die elektrostatische Kontrolle in das Design
b) Verhindern Sie die Ansammlung elektrostatischer Ladung und unterdrücken und reduzieren Sie die Entstehung statischer Elektrizität
c) Richten Sie einen schnellen und sicheren Abflusskanal ein
d) Ermitteln und überwachen Sie die Wirksamkeit antistatischer Maßnahmen
1. Integrieren Sie die elektrostatische Kontrolle in das Design
(1) Antistatisches Design der Produktionsumgebung
Das antistatische Design der Produktionsumgebung für elektronische Produkte ist der Schlüssel zur ESD-Kontrolle. Das Design basiert auf dem Isolierfilm elektronischer Komponenten, der elektrostatischen Durchbruchspannung elektrostatisch empfindlicher Geräte (ESDS) in der gesamten Maschine und der antistatischen Leistung der Produktionsausrüstung. Hersteller müssen eine spezifische ESD-Kontrollstufe festlegen, die von den empfindlichsten Komponenten im Produktionsprozess bestimmt wird, und die Produktionsumgebung muss die Sicherheit dieser Stufe gewährleisten. Gemäß DGJ08-83-2000 „Technical Specification for Anti-static Engineering“ ist der technische Entwurf zur Kontrolle statischer Elektrizität speziell in drei Stufen unterteilt: Stufe 1-Standard besagt, dass der absolute Wert des elektrostatischen Potenzials im Kontrollraum nicht größer als 100 V ist; Der Level-2-Standard besagt, dass der absolute Wert des elektrostatischen Potentials im Kontrollraum nicht mehr als 200 V beträgt; Der Level-3-Standard besagt, dass der absolute Wert des elektrostatischen Potentials im Kontrollraum nicht mehr als 1000 V beträgt. Die anwendbaren Standorte für die Klassifizierungsstandards für die antistatische Technik sind in der folgenden Tabelle 5 aufgeführt:
Da Schäden durch statische Elektrizität unsichtbar sind, erfordert die Beseitigung von ESD-Gefahren vor allem Prävention. Im Arbeitsbereich müssen elektrostatisch geschützte Bereiche (EPAs) eingerichtet werden. Gemäß IEC 1340-5-1 (1995) „Allgemeine Anforderungen zum Schutz elektronischer Geräte“ ist die Kernanforderung für EPAs der Potenzialausgleich, der Personal, Materialien und Arbeitsflächen miteinander verbindet und sie elektrisch mit einer gemeinsamen Masse verbindet, um Potenzialunterschiede zwischen verschiedenen Objekten zu verhindern. Da ESD nicht zwischen Materialien auftritt, die das gleiche Potenzial oder Nullpotenzial beibehalten, sind ESD-anfällige Geräte oder Leiterplatten in einer EPA-Umgebung vor ESD-Schäden geschützt.