כיצד נוצרת סכנת חשמל סטטי בתעשיית האלקטרוניקה?
ניתן לחלק את מפגעי החשמל הסטטי בתעשיית האלקטרוניקה לשתי קטגוריות: האחת היא ספיחה של אבק הנישא באוויר הנגרם ממשיכה אלקטרוסטטית; השני הוא התמוטטות דיאלקטרי שנגרם על ידי פריקה אלקטרוסטטית.
1. ספיחה אלקטרוסטטית
בתהליך הייצור של רכיבי מוליכים למחצה, עקב השימוש הרב בכלים ובחומרים העשויים מקוורץ ופולימרים, בעלי תכונות בידוד גבוהות, חיכוך בלתי נמנע במהלך השימוש עלול לגרום להצטברות מטענים משטחים באופן רציף, מה שמגדיל את הפוטנציאל.
בשל ההשפעות המכניות של חשמל סטטי, אבק הנישא באוויר במקום העבודה יכול להיצמד בקלות למשטח השבב בתנאים אלה. אפילו חלקיקי אבק קטנים יכולים להשפיע על הביצועים של התקני מוליכים למחצה. לכן, ייצור מוצרים אלקטרוניים חייב להתבצע בסביבה נקייה, ועל המפעילים, הכלים והסביבה לנקוט בשורה של אמצעים אנטי-סטטיים כדי למנוע ולהפחית היווצרות של סכנות חשמל סטטי.
2. סיווג של פירוק דיאלקטרי
התמוטטות רכיבים הנגרמים מחשמל סטטי היא הצורה העיקרית של סכנת חשמל סטטי בתעשיית האלקטרוניקה. בשדה חשמלי חזק, ככל שעוצמת השדה עולה, מצטבר מטען. כאשר הוא מגיע לרמה מסוימת, הדיאלקטרי מאבד את הקיטוב שלו והופך למוליך, מה שמוביל בסופו של דבר לנזק תרמי. תופעה זו נקראת פירוק דיאלקטרי. ניתן לסווג פירוק דיאלקטרי לשלושה סוגים: התמוטטות תרמית, התמוטטות כימית והתמוטטות חשמלית.
(1) התמוטטות תרמית
כאשר דיאלקטרי נמצא בפעולה, אם החום שנוצר על ידי אובדן אנרגיה עולה על החום המתפזר לסביבה הסובבת, הטמפרטורה הדיאלקטרית עולה במהירות, ומגבירה את המוליכות עד להתרחשות נזק תרמי. לכן, סוגיית הליבה בהתמוטטות תרמית היא פיזור חום. עיצוב תרמי הוא היבט מכריע בעיצוב המוצר.
(2) פירוק כימי
תחת מתח גבוה, שדה חשמלי חזק יכול לגרום ליינון מקומי של התנגשות אוויר ליד פגמים או נקבוביות על פני השטח הדיאלקטרי או בתוך הדיאלקטרי. יינון זה גורם לזוהר דיאלקטרי, יוצר חומרים כימיים-אוזון ופחמן דו חמצני-אשר מפחיתים את ביצועי הבידוד ומובילים לנזק דיאלקטרי.
(3) תקלה חשמלית
התמוטטות חשמלית מתרחשת כאשר דיאלקטרי נתון לשדה חשמלי חזק, הגורם לו לפלוט אלקטרונים חופשיים. אלקטרונים חופשיים גדלים במהירות עם הגדלת חוזק השדה החשמלי, ובכך הורסים את תכונות הבידוד של הדיאלקטרי. ברור שהתמוטטות חשמלית נגרמת בעיקרה מהצטברות מטען; לכן, מניעת הצטברות מטען יכולה למנוע התמוטטות חשמלית.
3. התמוטטות ופריקה אלקטרוסטטית
(1) פריקה אלקטרוסטטית
למרות שהפריקה והפריקה האלקטרוסטטית הנוצרים על ידי ספק כוח חיצוני יציב נגרמות שניהם על ידי הצטברות מטען, יש ביניהם הבדלים משמעותיים. ראשית, במקרה של פריקה אלקטרוסטטית, מקור הפריקה הוא מטען חלל, ולכן האנרגיה האצורה שלו מוגבלת, בניגוד לספק כוח חיצוני בעל יכולת פריקה רציפה. לפיכך, הוא יכול לספק אנרגיה רק להתמוטטות מקומית-קצרת טווח. למרות שהאנרגיה של פריקה אלקטרוסטטית קטנה יחסית, צורת גל הפריקה שלה מורכבת מאוד וקשה לשלוט בה. התמוטטות רכה של התקני מוליכים למחצה קשורה לכך.
(2) התמוטטות אלקטרוסטטית
נזקי קלקול רכיבים הנגרמים מפריקה אלקטרוסטטית הם המפגע הנפוץ והחמור ביותר בתעשיית האלקטרוניקה, במיוחד בייצור והרכבה של מוצרים אלקטרוניים. פריקה אלקטרוסטטית עלולה לגרום להתמוטטות קשה או להתמוטטות רכה של התקנים. תקלה קשה היא כשל קבוע- חד פעמי של המכשיר, כגון מעגל פתוח או קצר חשמלי בין הפלט לקלט של המכשיר. התמוטטות רכה יכולה לפגוע בביצועים של רכיבים ולהפחית את המפרט שלהם, וליצור פוטנציאל לכישלון. מכיוון שהתמוטטות רכה גורמת למעגלים להתקלקל לסירוגין (עקב מפרט מופחת) וקשה לזהות, הוא גורם לבעיות משמעותיות לתפעול המערכת הכוללת ולפתרון תקלות. במהלך התמוטטות רכה, ציוד עדיין יכול לפעול עם "תקלה", הביצועים שלו לא השתנו מהותית, והוא עשוי לעבור את בדיקת המפעל, אך הוא נוטה לכשל שוב בכל עת. תקלות רכות מרובות עלולות להוביל לתקלה קשה, הגורמת לפעולת ציוד לא תקינה, הגורמת להפסדים למשתמשים, לפגיעה במוניטין היצרן ובמכירות המוצר, ואף להפסדים בלתי הפיכים למדינה.
4. חשמל סטטי מגוף האדם
בייצור תעשייתי, הגורם העיקרי לנזק לרכיבים ולהפרעה לפעולה הרגילה של ציוד אלקטרוני הוא פריקה אלקטרוסטטית מגוף האדם. פריקה אלקטרוסטטית מגוף האדם עלולה לגרום להתחשמלות ולפציעות, ויכולה גם לגרום לתאונות משניות (כלומר, נזק לרכיבים), לכן יש להתייחס אליה ברצינות. חשמל סטטי נוצר על ידי גוף האדם הממיר את האנרגיה המכנית הנצרכת במהלך העבודה היומיומית לאנרגיה חשמלית. גוף האדם הוא מוליך סטטי. כאשר מבודדים מהאדמה (למשל, עם נעליים עשויות חומר מבודד), נוצר קבל בין הגוף לאדמה, האוגר מטען חשמלי. מתח הטעינה הוא בדרך כלל פחות או שווה ל-50kV.
פעולה נפוצה ועדינה מאוד יכולה ליצור מתח סטטי גבוה במידה ניכרת. כאשר גוף האדם פולט חומר טעון, הוא יגיב בדרגות שונות; תגובה זו נקראת רגישות להתחשמלות. בעוד שהלם סטטי לא יגרום לנזק פיזיולוגי גדול, הוא עלול להשפיע על הבריאות או להזיק לגוף.
הגבול לפציעת התחשמלות הוא 3.0kV. יתר על כן, נגיעה במכשירים רגישים-סטטיים עם גוף טעון עלולה לגרום נזק למכשירים אלה.
III. טכנולוגיית בקרה אנטי-סטטית (מדידות)
בהתבסס על העקרונות, הסיכונים והחוקים של פריקה אלקטרוסטטית, ניתן לעקוב אחר העקרונות הבאים כדי לקבוע אמצעי בקרה אנטי{0}}סטטיים יעילים למניעת נזק.
א) שלב בקרה אלקטרוסטטית בתכנון
ב) למנוע הצטברות של מטען אלקטרוסטטי ולדכא ולהפחית את ייצור החשמל הסטטי
ג) הקמת ערוץ פריקה מהיר ובטוח
ד) זיהוי ומעקב אחר היעילות של אמצעים אנטי-סטטיים
1. שלבו בקרה אלקטרוסטטית בתכנון
(1) עיצוב אנטי-סטטי של סביבת הייצור
העיצוב האנטי-סטטי של סביבת הייצור של מוצרים אלקטרוניים הוא המפתח לבקרת ESD. העיצוב מבוסס על הסרט המבודד של רכיבים אלקטרוניים, מתח התפרקות אלקטרוסטטי של מכשירים רגישים לאלקטרוסטטיים (ESDS) בכל המכונה, והביצועים האנטי-סטטים של ציוד הייצור. על היצרנים לקבוע רמת בקרת ESD ספציפית, אשר נקבעת על ידי הרכיבים הרגישים ביותר בתהליך הייצור, ועל סביבת הייצור להבטיח את בטיחות רמה זו. לפי DGJ08-83-2000 "מפרט טכני להנדסה אנטי-סטטית", התכנון ההנדסי לשליטה בחשמל סטטי מחולק ספציפית לשלוש רמות: תקן רמה 1 הוא שהערך המוחלט של הפוטנציאל האלקטרוסטטי בחדר הבקרה אינו גדול מ-100V; תקן רמה 2 הוא שהערך המוחלט של הפוטנציאל האלקטרוסטטי בחדר הבקרה אינו גדול מ-200V; תקן רמה 3 הוא שהערך המוחלט של הפוטנציאל האלקטרוסטטי בחדר הבקרה אינו גדול מ-1000V. המיקומים הרלוונטיים לתקני הסיווג ההנדסי האנטי-סטטי מוצגים בטבלה 5 להלן:
מכיוון שנזק לחשמל סטטי אינו נראה, חיסול מפגעי ESD דורש מניעה כגישה העיקרית. יש להקים אזורים מוגנים אלקטרוסטטיים (EPAs) באזור העבודה. על פי IEC 1340-5-1 (1995) "דרישות כלליות להגנה על מכשירים אלקטרוניים", דרישת הליבה עבור EPAs היא חיבור שווי פוטנציאל, המחבר את אנשי הצוות, החומרים ומשטחי העבודה יחד ומחבר אותם באופן חשמלי לקרקע משותפת כדי למנוע הבדלים פוטנציאליים בין עצמים שונים. מכיוון ש-ESD אינו מתרחש בין חומרים השומרים על אותו פוטנציאל או אפס פוטנציאל, התקנים או מעגלים המועדים ל-ESD בסביבת EPA מוגנים מפני נזקי ESD.