Statische Elektrizität ist das Ergebnis von Elektronenbewegungen innerhalb oder zwischen Materialien (einschließlich Polarisation und Leitung). Wenn zwei verschiedene Materialien in Kontakt kommen oder sich in sehr geringem Abstand (z. B. 10–25 cm) befinden, tunneln Elektronen aufgrund des Quantentunnel-Effekts über die Grenzfläche, was zum Elektronenaustausch führt. Wenn das Gleichgewicht erreicht ist, bildet sich eine Potentialdifferenz zwischen den Materialien, was zu gleichen Mengen an positiven und negativen Ladungen auf beiden Seiten der Grenzfläche führt. Werden die Materialien nach dem Kontakt getrennt, tragen sie gleiche, aber entgegengesetzte Ladungen. Dies ist das Grundprinzip der Erzeugung statischer Elektrizität.

Statische Elektrizität wird hauptsächlich auf drei Arten erzeugt:

• Triboelektrische Aufladung: Wenn zwei verschiedene Materialien in Kontakt kommen oder aneinander reiben, wandern Elektronen von dem Material mit geringerer Elektronenbindungsfähigkeit zu dem mit stärkerer Bindungsfähigkeit, wodurch sich das eine Material positiv und das andere negativ auflädt.

• Leitfähige Aufladung: Bei Leitern bewegen sich Elektronen frei auf der Oberfläche. Wenn ein Leiter ein geladenes Objekt berührt, wandern Elektronen, bis ein Ladungsgleichgewicht erreicht ist, was zu statischer Elektrizität führt.

• Induktive Aufladung: Wenn ein Leiter in ein externes elektrostatisches Feld gebracht wird, verteilen sich Elektronen aufgrund der Abstoßung zwischen gleichartigen Ladungen und der Anziehung zwischen entgegengesetzten Ladungen neu, was zu einem Ladungsungleichgewicht und statischer Elektrizität führt.

Aus den Grundprinzipien und Methoden der Erzeugung statischer Elektrizität geht hervor, dass viele Phasen in der Produktion und Herstellung von allgemeinen elektronischen Produkten statische Elektrizität erzeugen können. Während der Elektronikfertigung können sich Bediener, Werkbänke, Werkzeuge, Komponenten und Verpackungen aufladen. Überall dort, wo statische Elektrizität vorhanden ist, kommt es zu einem ESD-Ereignis (Electro-Static Discharge). Die Hauptgefahren sind der momentane Entladestrom, der Rauschen in Schaltkreisen induziert und Schwankungen in den Bezugsmassepotentialen (z. B. Produktmasse, Signalmasse) verursacht, wodurch der normale Schaltungsbetrieb gestört wird.

Gefahren durch statische Elektrizität haben im Vergleich zu Blitzen oder elektromagnetischen Störungen einzigartige Eigenschaften:

• Verborgene Natur: ESD-Ereignisse sind für den Menschen oft nicht wahrnehmbar, aber Komponenten können unbemerkt beschädigt werden.

• Latenz und kumulative Wirkung: Einige Komponenten können nach einer ESD-Exposition eine verminderte Leistung aufweisen, ohne sofort auszufallen, aber später während des Gebrauchs ausfallen.

• Zufälligkeit: ESD-Schäden können in jeder Phase – Produktion, Herstellung oder Wartung – und während des Kontakts mit jedem geladenen Objekt auftreten, was sie höchst unvorhersehbar macht.

• Komplexität: ESD-Schäden werden oft mit anderen Arten von Ausfällen verwechselt, was zu falschen Diagnosen führt.

Für die Montage elektronischer Produkte wirkt sich statische Elektrizität stark auf die Produktqualität, die Ausbeute und die Zuverlässigkeit aus. In Reinräumen müssen systematische Antistatikmaßnahmen ergriffen werden, um ESD-Risiken während der Produktion zu minimieren.

Ein wirksamer Schutz vor statischer Elektrizität folgt typischerweise drei Grundprinzipien:

1. Reduzierung oder Verhinderung der Ansammlung elektrostatischer Ladungen.

2. Festlegung sicherer elektrostatischer Entladepfade.

3. Implementierung notwendiger und effektiver elektrostatischer Überwachungssysteme.

Ein robustes Erdungssystem ist unerlässlich, um die Ladungsansammlung zu verhindern und sichere Entladepfade bereitzustellen. Die elektrostatische Erdung beinhaltet das Verbinden geladener Objekte oder Objekte, die wahrscheinlich statische Elektrizität erzeugen (Nicht-Isolatoren), über Leiter mit der Erde, um sicherzustellen, dass sie das gleiche Potential wie die Erde haben. Dies beschleunigt die Ladungsbewegung und -ableitung und setzt statische Ladungen effektiv frei, um eine Ansammlung zu verhindern.

Die Erzeugung und Größe statischer Elektrizität hängen eng mit der Umgebungsfeuchtigkeit und der Luftionenkonzentration zusammen. Das elektrostatische Potential ist umgekehrt proportional zur Luftfeuchtigkeit. In ultrareinen Umgebungen wie Reinräumen führt eine geringe Ionenkonzentration dazu, dass statische Elektrizität leichter erzeugt wird.

Die gleiche Aktion kann elektrostatische Spannungen erzeugen, die sich um eine Größenordnung unterscheiden, je nach Luftfeuchtigkeit. Übermäßig hohe Luftfeuchtigkeit ist jedoch nicht ratsam, da sie zu Kondensation auf Geräten führen kann. Die Luftfeuchtigkeit sollte in einem angemessenen Bereich gehalten werden, z. B. 30 %–75 %.

Hohe Luftfeuchtigkeit kann statische Elektrizität auf für den Menschen nicht wahrnehmbare Werte reduzieren, aber dennoch empfindliche Komponenten beschädigen. Der richtige Ansatz ist zu erkennen, dass hohe Luftfeuchtigkeit die statische Erzeugung unterdrückt, während niedrige Luftfeuchtigkeit sie verschlimmert. Für Produkte, die eine strenge statische Kontrolle erfordern, sind über die traditionellen Schutzmaßnahmen hinaus die Überwachung und Aufzeichnung der Erzeugung statischer Elektrizität erforderlich. Praktische Lösungen umfassen Antistatik-Zugangskontrollsysteme und Echtzeit-Online-Elektrostatik-Überwachungssysteme.

Um statische Elektrizität an der Quelle zu kontrollieren, werden in kritischen Bereichen Antistatik-Zugangskontrollsysteme implementiert. Diese Systeme überprüfen, ob das Personal, das statisch kontrollierte Bereiche betritt, über geeignete Antistatikmaßnahmen oder -ausrüstung verfügt. Funktionale Module umfassen:

• Identitäts- und Berechtigungsprüfung

• Testen von Antistatik-Armbändern und -Schuhen

• Pegelkontrolltafeln

Um die Effektivität zu erhöhen, kann das Zugangskontrollsystem in Umgebungen, die hohe Sauberkeit erfordern, in Luftduschensysteme integriert werden. Durch die Einbeziehung von Zugangssignalen in das Steuerungssystem der Luftduschentür wird die Gültigkeit der Antistatik-Ausrüstung vom Moment des Betretens des Arbeitsbereichs durch das Personal an gewährleistet.

In der allgemeinen Elektronikfertigung werden Elektrostatik-Tester üblicherweise verwendet, um die Antistatik-Armbänder der Mitarbeiter zu überprüfen. Um ISO 9001 zu entsprechen, werden Aufzeichnungen oft manuell auf Formularen markiert. Wenn jedoch ein Antistatik-Armband während des Betriebs ausfällt oder ein Teil des Erdungssystems getrennt wird, ist es schwierig, den Fehler sofort zu erkennen.

Um dies zu beheben, integrieren einige Elektronikfabriken Echtzeit-Online-Überwachungsmodule in ihre Erdungssysteme. Das System nutzt die Integrität des Erdungskreises und löst einen Alarm mit rotem Licht (und optional einen akustischen Alarm) aus, wenn ein Teil des Kreises offen ist oder einen übermäßig hohen Widerstand aufweist (z. B. >10 Ω). Dieses System ermöglicht eine Echtzeitüberwachung, wodurch mühsame und zeremonielle Papieraufzeichnungen überflüssig werden.

Statische Elektrizität ist im Allgemeinen „unsichtbar und ungreifbar“, aber sie ist allgegenwärtig und allgegenwärtig. Daher ist der Schutz vor statischer Elektrizität ein umfassendes systematisches Projekt. Prinzipiell sollte es die Kontrolle sowohl der Erzeugung als auch der Ableitung statischer Elektrizität umfassen. Die Kontrolle der Erzeugung beinhaltet in erster Linie die Verwaltung von Prozessen und die Materialauswahl, während sich die Kontrolle der Ableitung auf das sichere und schnelle Freisetzen oder Neutralisieren statischer Ladungen konzentriert.

Dieser Artikel stellte kurz die Prinzipien und Gefahren statischer Elektrizität vor. Basierend auf praktischer Erfahrung betonte er die grundlegende Rolle von Erdungssystemen und Umweltkontrolle beim statischen Schutz. Er hob ferner den praktischen Wert von Zugangskontroll- und Echtzeit-Online-Überwachungssystemen hervor, die in einer Elektronikfabrik implementiert werden. Diese Methoden sind einfach, kostengünstig und liefern schnelle Ergebnisse und bieten wertvolle Einblicke für allgemeine Elektronikfabriken bei der Umsetzung von Maßnahmen zum Schutz vor statischer Elektrizität.