1. การเกิดไฟฟ้าสถิตย์
โดยทั่วไปเราจะสามารถสังเกตเห็นปรากฎการณ์เกี่ยวกับไฟฟ้าสถิตย์ได้เมื่อเกิดปรากฎการณ์แบบใหญ่ๆ (Macroscopic) เช่นฟ้าแลบ, ฟ้าฝ่า เป็นต้น แต่จริงๆแล้ว ไฟฟ้าสถิตย์นั้นอาจจะเกิดขึ้นได้อยู่ตลอดเวลาในระบบเล็กๆ (Microscopic) ด้วย ตัวอย่างเช่นเสื้อผ้าที่ยับลู่ติดตัว, การเกิดฝุ่นหนาเกาะจับตามหน้าจอของเครื่องรับโทรทัศน์, การเกิดไฟฟ้าดูดเมื่อเราจับโลหะบางประเภทเช่นลูกบิดประตู สัตว์เลี้ยง หรือแม้แต่วัสดุอื่น นอกจากนี้ยังอาจจะเห็นได้จากการที่พลาสติกสำหรับห่อของยังถูกแรงดูดติดอยู่กับวัสดุที่มันห่อหุ้มอยู่
รูปที่ 1 ปรากฏการณ์ถ่ายเทประจุเนื่องจากการเสียดสีหรือ Triboelectric (Tribo หมายถึงการ "ถู")
ไฟฟ้าสถิตย์เกิดได้หลายวิธี วิธีหนึ่งที่ง่ายคือเมื่อมีการสัมผัสแล้วแยกจากกันหรือถูกันระหว่างวัสดุสองชนิด (เรียกว่าเกิดปรากฏการณ์ Triboelectric - ดูรูปที่ 1) ทำให้เกิดการถ่ายเทประจุจากที่วัสดุทั้งสองเป็นกลางทางไฟฟ้า (คือมีประมาณประจุบวกและลบเท่ากัน) ไปเป็นว่าวัสดุทั้งสองนั้น ชิ้นหนึ่งมีประจุบวกมากกว่า และอีกชิ้นหนึ่งมีประจุลบมากกว่า ทั้งนี้ การที่วัสดุใดจะมีประจุชนิดใดมากกว่าภายหลังจากการเสียดสีกันนั้น ขึ้นกับชนิดของวัสดุทั้งสอง
Acrylic
PVC (Vinyl)
เป็น Negative
ตารางที่ 1 Triboelectric Series แสดงความจะเป็นศักย์บวกหรือลบหลังการถ่ายเทประจุ
ตารางที่ 1 แสดงศักย์ไฟฟ้า (อำนาจประจุ) ของวัสดุต่างๆภายหลังจากการเสียดสีกัน เช่นเมื่อเรานำแท่งแก้วถูกับผ้า PVC หรือไวนิล จะทำให้แท่งแก้วแสดงอำนาจเป็นประจุบวกเนื่องจากเสียอิเล็กตรอนไป และผ้า PVC หรือไวนิลแสดงอำนาจเป็นประจุลบเพราะมีอิเล็กตรอนส่วนเกินเพิ่มมา (นั่นคือแท่งแก้วเสียอิเล็กตรอนให้กับผ้าไวนิล)ยิ่งนำวัสดุสองชนิดที่อยู่ห่างกันมากในตารางมาถูกัน ยิ่งทำให้ความน่าจะเป็นในการถ่ายเทประจุให้แก่กันรุนแรงมากกว่าการนำวัสดุที่ไกล้กันในตารางมาถูกัน
ประจุที่เกิดขึ้นนี้จะไม่ไปไหน (คือไม่เคลื่อนที่ไปไหน หากไม่มี "ทาง" ให้มันวิ่งไป) ดังนั้นเราจึงเรียกประจุเหล่านี้ว่าเป็นประจุสถิตย์ หรือไฟฟ้าสถิตย์ (Electrostatic - คืออยู่เฉยๆ)
ปริมาณหรือความรุนแรงที่เกิดขึ้นเนื่องจากการเสียดสีนี้อาจสูงมาก ขึ้นอยู่กับสิ่งต่างๆดังต่อไปนี้
1. ชนิดของวัสดุทั้งสอง (ดูตารางที่ 1)
2. ความรุนแรง, ระยะเวลาในการสัมผัส
3. ความชื้นสัมพัทธ์ (ยิ่งมีค่าต่ำ ยิ่งเกิดการถ่ายเทประจุมาก,สะสมประจุได้ง่าย)
4. ลักษณะพื้นผิวของวัสดุทั้งสอง (เรียบ, ขรุขระ, ฯลฯ)
เมื่อเกิดประจุขึ้นบนวัสดุ (เนื่องจากความไม่สมดุลของอิเล็กตรอนและโฮล) แล้ว จะทำให้เกิดศักย์ไฟฟ้าขึ้นบนพื้นผิวของวัสดุนั้นด้วย ศักย์ไฟฟ้าจะมีค่าสูงหรือต่ำขึ้นอยู่กับจำนวนประจุ (Charge - Q) และค่าความจุ (Capacitance - C) ของวัสดุนั้น ตามสมการ
V (Volt) = Q (Coulomb) / C (Farad) สมการที่ 1
จากสมการจะเห็นว่า หากเกิดประจุขึ้นในจำนวนไม่มากนัก แต่วัสดุที่สะสมประจุนั้นมีค่าความจุไฟฟ้าต่ำมาก ก็จะทำให้เกิดศักย์ไฟฟ้าขนาดสูงมากขึ้นได้ ทั้งนี้บางครั้งการเสียดสีอย่างง่ายๆ เช่นการเดินบนพื้นปูพรมในห้องที่อากาศแห้ง (10 - 20%) สามารถสร้างศักย์ไฟฟ้าได้สูงถึง 35,000 โวลท์ ดูตารางที่ 2
ศักย์ไฟฟ้าสถิตย์ที่เกิดขึ้น (โวลท์)
กิจกรรมที่ทำให้เกิดไฟฟ้าสถิตย์
ที่ความชื้นสัมพัทธ์ 10-20%
ที่ความชื้นสัมพัทธ์ 65-90%
การเดินบนพื้นปูพรม
35,000
1,500
การเดินบนพื้นที่ปูด้วยไวนิล
12,000
250
การนั่งทำงานอยู่บนโต๊ะ
6,000
100
การนำกระดาษเข้าออกซองไวนิล
7,000
600
การหยิบซองพลาสติก PVC ขึ้นจากโต๊ะ
20,000
1,200
ตารางที่ 2 ศักย์ไฟฟ้าสถิตย์ที่เกิดขึ้นโดยทั่วไป
จากตารางข้างบนนี้ จะเห็นได้ว่าเพียงการเดินบนพื้นที่ปูพรมในห้องที่แห้ง (คือมีความชื้นสัมพัทธ์ต่ำ) ก็สามารถสร้างศักย์ไฟฟ้าขึ้นได้มากกว่า 30,000 โวลท์แล้ว ซึ่งในความเป็นจริงแล้ว ศักย์ไฟฟ้าขนาดนี้เพียง 1 โวลท์ก็สามารถทำลายชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็น Class 1 ESD Sensitive ได้แล้ว
จากตารางยังเห็นอีกว่า เมื่อความชื้นสัมพัทธ์เพิ่มขึ้น ศักย์ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะต่ำลงด้วย ทั้งนี้เนื่องจากเมื่อความชื้นสัมพัทธ์เพิ่มขึ้นจะทำให้พื้นผิวของวัสดุต่างๆสามารถเก็บประจุได้ในเวลาเพียงสั้นๆเพราะเกิดการรวมตัว (Recombination) ระหว่างประจุบวกและลบและเกิดการนำประจุ (Conduction) ง่ายขึ้น ทำให้ประจุลดลง (ในขณะที่ความจุไฟฟ้าของชิ้นวัสดุยังคงเท่าเดิม จึงเกิดศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่าเมื่ออากาศมีความชื้นสัมพัทธ์ต่ำ
อย่างไรก็ตาม เราไม่สามารถทำให้สภาวะแวดล้อมที่ทำงาน (เช่นห้องที่เราทำงาน) มีความชื้นสัมพัทธ์สูงๆ (เพื่อให้เกิดศักย์ หรือเกิดการสะสมประจุน้อย) ได้ เนื่องจากจะทำให้เกิดการกัดกร่อน, เกิดสนิม, มีโอกาสสูงขึ้นในการเกิดการกลั่นตัวของหยดน้ำ ซึ่งจะทำอันตรายโดยตรงกับอุปกรณ์ เครื่องมือต่างๆ ได้
2. หลักการเบื้องต้นเกี่ยวกับไฟฟ้าสถิตย์และคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุ
2.1 ประจุไฟฟ้าในสสาร
ส่วนที่เล็กที่สุดของธาตุแท้ก็คือ อะตอม ในอะตอมประกอบไปด้วยอิเล็กตรอนวิ่งอยู่รอบๆนิวเคลียส และอะตอมในสภาวะปกติจะเป็นกลางทางไฟฟ้า นิวเคลียสเองจะเป็นแสดงอำนาจบวกเนื่องจากภายในนิวเคลียสประกอบด้วยนิวตรอน (เป็นกลางทางไฟฟ้า คือไม่แสดงอำนาจประจุไฟฟ้า) และโปรตอน (แสดงอำนาจบวก) ซึ่งจำนวนของโปรตอนภายในนิวเคลียสจะเท่ากับจำนวนของอิเล็กตรอนที่วิ่งล้อมรอบนิวเคลียสอยู่ ดังนั้นจึงทำให้ประจุไฟฟ้ารวมของทั้งอะตอมเป็นศูนย์
อิเล็กตรอนแต่ละตัวจะมีประจุภายในตัวเอง คือ 1.6 x 10-19 คูลอมบ์ (Coulomb) ซึ่งเท่ากับประจุของโปรตอน
เมื่อใดก็ตามที่อะตอมของธาตุมีจำนวนของอิเล็กตรอนเปลี่ยนไปจากสภาวะสมดุลตามธรรมชาติของมัน จะทำให้อะตอมนั้นแสดงอำนาจทางไฟฟ้าออกมา ถ้าอะตอมของธาตุเสียอิเล็กตรอนไป อะตอมนั้นจะแสดงประจุไฟฟ้าเป็นบวก ในทางตรงกันข้าม หากอะตอมของธาตุได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มมากเกินกว่าในสภาวะสมดุล อะตอมนั้นจะแสดงประจุลบ
อะตอมของธาตุที่ไม่เป็นกลาง (คือแสดงอำนาจเป็นประจุบวกและลบ) นี้จะมีปฏิกิริยาต่อกัน กล่าวคือ ประจุที่เหมือนกันจะผลักกัน และประจุที่ต่างกันจะดูดกัน ด้วยแรงกระทำต่อกันที่สามารถคำนวณได้ (ดูหัวข้อ 3. ไฟฟ้าสถิตย์และสนามไฟฟ้า) เราสามารถทดลองให้เห็นแรงที่กระทำต่อกันเนื่องมาจากประจุไฟฟ้าสถิตย์ได้ด้วยการใช้ Electroscope ดูรูปที่ 2
รูปที่ 2 เป็นแบบหนึ่งของ Electroscope เมื่อเราเคลื่อนแท่งวัตถุที่มีประจุไม่เป็นกลาง (เช่นประจุบวก) เข้าใกล้ลูกบอลทรงกลม (ซึ่งเป็นกลาง) จะเห็นว่าลูกบอลถูกดูดเข้าหาแท่งวัตถุ จากนั้นสักระยะหนึ่ง ลูกบอลจะถูกผลักออกจากแท่งวัตถุเมื่อลูกบอลมีประจุเดียวกับแท่งวัตถุ
2.2 ความนำไฟฟ้าของวัสดุและคุณสมบัติด้านไฟฟ้าสถิตย์
วัสดุหรือวัตถุที่อยู่ในชีวิตประจำวันสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภทใหญ่ๆตามความสามารถในการนำไฟฟ้าคือ ตัวนำและฉนวน
จริงๆแล้วมีการเข้าใจผิดอยู่มากในเรื่องของคุณสมบัติทางไฟฟ้าสถิตย์ของวัสดุที่เป็นตัวนำไฟฟ้าเช่นโลหะ ว่าไม่สามารถสร้างประจุและเก็บประจุไว้ได้ ซึ่งในความเป็นจริงแล้ว โลหะก็สามารถสร้างประจุได้ (ย้อนกลับไปดูตารางที่ 1 Triboelectric Series) นอกจากนั้นแล้ว โลหะที่ไม่ได้ถูกต่อลงดินก็สามารถเก็บประจุไว้ได้เช่นเดียวกับวัสดุที่เป็นฉนวน
2.2.1 ตัวนำไฟฟ้า (Conductive)
วัสดุที่เป็นตัวนำไฟฟ้าจะมีความนำไฟฟ้าจำเพาะ 105 mho/cm. หรือมากกว่า คุณสมบัติที่สำคัญทางด้านไฟฟ้าสถิตย์ของตัวนำไฟฟ้า (เช่นโลหะ) คือประจุสามารถเดินทางได้เร็วบนพื้นผิวของมัน ทำให้ประจุบวกและประจุลบ รวมตัวกันได้ง่ายและรวดเร็ว ซึ่งคุณสมบัตินี้จะทำให้ประจุบนตัวนำที่ไม่ได้ถูกต่อลงดินมีเพียงชนิดเดียว คือบวกหรือลบเพียงอย่างใดอย่างหนึ่ง เพราะส่วนน้อยที่เหลืออยู่จะถูกรวมหายไป (ดูรูปที่ 3 ก) กระจายอยู่ตลอดผิวของโลหะนั้น (เมื่อไม่มีสนามไฟฟ้าอื่นใดภายนอกมาเกี่ยวข้อง ดูหัวข้อ 2.4) ซึ่งจะทำให้วัตถุตัวนำมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากันตลอดทั้งชิ้นสาร และเมื่อเราต่อโลหะลงกราวด์จะทำให้ประจุทั้งหมดสามารถไหลถ่ายเทลงกราวด์ (ซึ่งมักจะถูกต่อลงพื้นดินจริงอีกทีหนึ่ง) ได้ และทำให้แผ่นโลหะทั้งแผ่นนั้นเป็นกลาง
รูปที่ 3 แสดงประจุที่อยู่บนตัวนำและฉนวน (ก) ประจุไฟฟ้าบนตัวนำจะ Recombine กันจนมีประจุเดียว (ข) ประจุบนฉนวนอาจจะต่างกันได้ในแต่ละตำแหน่ง (ค) เมื่อต่อตัวนำลงดิน ประจุทั้งหมดจะไหลลงดินจนเป็นกลาง (ง) แต่ประจุบนฉนวนจะยังคงอยู่
2.2.2 ฉนวน (Insulator)
ตรงกันข้ามกับตัวนำไฟฟ้า ประจุจะเดินทางได้ยากบนวัสดุที่เป็นฉนวน ทำให้การรวมตัวระหว่างกันเกิดได้ยากและ/หรือเกิดขึ้นอย่างช้าๆ ผลที่เกิดขึ้นจากคุณสมบัตินี้คือ บางตำแหน่งของแท่งวัตถุที่เป็นฉนวนอาจจะเป็นบวกในขณะที่บางตำแหน่งของฉนวนจะมีประจุลบ (ดูรูปที่ 3 ข) นอกจากนี้แล้ว เรายังไม่สามารถถ่ายประจุจากวัตถุประเภทฉนวนลงดินได้ด้วยวิธีการต่อสายดิน (ดูรูปที่ 3 ง) เนื่องจากประจุไฟฟ้าเดินทางได้ยากบนฉนวนนั่นเอง ทั้งนี้ เมื่อต่อสายดินเข้ากับแท่งฉนวนที่ไม่เป็นกลาง ฉนวนนั้นก็ยังคงแสดงอำนาจประจุไฟฟ้าเหมือนเดิมอยู่
2.3 วัสดุในงานเกี่ยวกับไฟฟ้าสถิตย์
มีวัสดุบางประเภทที่ถึงแม้ว่าเสียดสีกันก็จะเกิดการถ่ายเทประจุน้อยมาก เราเรียกวัสดุเหล่านี้ว่า Low Charging Material หรือ Antistatic วัสดุเหล่านี้สามารถเป็นได้ทั้งตัวนำ (Conductive มีความต้านทานจำเพาะ < 104 Ohms.cm), ตัวกระจาย (Dissipative มีความต้านทานจำเพาะระหว่าง 104 และ 1011 Ohms.cm), หรือแม้แต่ฉนวน (Insulator มีความต้านทานจำเพาะสูงกว่า 1011 Ohms.cm) อย่างไรก็ตาม เราจะเลือกเฉพาะวัสดุที่เป็นตัวนำ หรือ Dissipative เท่านั้นมาใช้งานในบริเวณที่ต้องการป้องกันความเสียหายอันเนื่องมาจากการถ่ายเทประจุไฟฟ้าสถิตย์ (ESD protected area)
2.4 การเหนี่ยวนำ
ถ้าเราวางตัวนำไฟฟ้า (Conductor) ไว้ในสนามไฟฟ้า จะเกิดการแยกตัวกันของประจุไฟฟ้าบนตัวนำนั้น ดูรูปที่ 4 ทั้งนี้เนื่องจากคุณสมบัติของประจุบวกที่วิ่งตามทิศทางของสนามไฟฟ้า, และประจุลบที่วิ่งสวนกับทิศทางของสนามไฟฟ้า
รูปที่ 4 การเกิดการเหนี่ยวนำอย่างง่าย จะเห็นว่าเกิดการแยกตัวของประจุเนื่องจากผลของสนามไฟฟ้า
ในรูปที่ 4 สมมติว่าวัตถุทรงรี(2) ในรูปเป็นโลหะที่เป็นกลางทางไฟฟ้าถูกวางอยู่บนแท่นที่เป็นฉนวน (เพื่อไม่ให้เกิดการถ่ายเทประจุลงดินหรือหนีหายไปทางใด) และมีวัตถุรูปสี่เหลี่ยม(1) อีกชิ้นหนึ่งที่มีประจุบวกอยู่นำมาเข้าใกล้กับวัตถุรูปทรงรี ประจุบนวัตถุทรงรีจะแบ่งแยกออกเป็นสองส่วน โดยที่ประจุลบจะเดินทางมาอยู่ด้านใกล้กับวัตถุรูปสี่เหลี่ยม (ด้าน ก.) ในขณะเดียวกันประจุบวกบนวัตถุรูปทรงรีจะเดินทางไปอยู่ในบริเวณตรงกันข้าม (ด้าน ข.) จากสิ่งที่เกิดขึ้นในรูปที่ 4 หากเราต่อด้านขวามือ (ด้าน ข.) ของวัตถุรูปทรงรีลงดิน จะเกิดการถ่ายประจุบวก (ที่อยู่ทางด้านที่ต่อลงดินนั้น) ลงดินหายไป เหลือแต่ประจุลบทางด้านใกล้กับวัตถุทรงสี่เหลี่ยม(1) จะยังคงอยู่บริเวณนั้นไม่ได้หายไปไหนเนื่องจากถูกประจุบวกบนวัตถุรูปสี่เหลี่ยมดึงดูดเอาไว้ หลังจากนั้น เมื่อเราปลดสายดินออก จะเหลือแต่เพียงประจุลบกระจายตัวอยู่ทั่วพื้นผิวของวัตถุทรงรี
2.5 ความจุไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าเนื่องจากการถ่ายเทประจุ
2.5.1 ความจุไฟฟ้า
ความจุไฟฟ้าสามารถแบ่งออกได้เป็นสองชนิด
1) ความจุไฟฟ้าของวัตถุเดี่ยว (Self-capacitance)
วัตถุทุกชนิดสามารถเก็บประจุไฟฟ้าไว้ได้ในตัวเอง ความสามารถนี้ขึ้นอยู่กับชนิดและรูปร่างของวัตถุนั้น และเมื่อวัตถุใดๆมีประจุ (ที่ไม่สมดุล) บนตัวมัน จะเกิดศักย์ไฟฟ้าบนวัตถุนั้น ความสัมพันธ์ระหว่างประจุ, ศักย์ไฟฟ้า, และศักย์ที่เกิดขึ้นบนวัตถุสามารถหาได้ตามสมการที่ 1 ข้างล่าง
V (Volt) = Q (Coulomb) / C (Farad) สมการที่ 1
ซึ่งสมการนี้มีความสำคัญต่อการทำงานกับ ESD มากดังจะได้กล่าวถึงต่อไป และเมื่อมีประจุบนวัตถุแล้ว ประจุนั้นจะเหมือนพลังงานส่วนเหลือที่เก็บอยู่ สามารถคำนวณได้จากสมการ
E (Joules) = 1/2 [C (Farad) / V (volt) 2] สมการที่ 2
2) ความจุไฟฟ้าระหว่างวัตถุ (Mutual Capacitance)
รูปที่ 5 การเกิด Mutual Capacitance ระหว่างตัวนำ
เมื่อมีวงจรไฟฟ้า (หรือวงจรเสมือนของวัตถุจริง) ดังในรูป จะเกิดประจุขึ้นบนตัวนำ 1, 2, และ 3 ซึ่งสามารถหาความสัมพันธ์ได้ดังนี้
Qi = Ci1V1 + Ci2V2 + Ci3V3 + . . . + CinVn สมการที่ 3
เมื่อ Qi เป็นประจุไฟฟ้าบนวัตถุ i
Cin=Cni (เมื่อ i ¹ n) เป็น Mutual capacitance ระหว่างวัตถุ i และ n
Cii เป็น Self-capacitance ของวัตถุ i
Vi เป็นศักย์ไฟฟ้าบนวัตถุ i
Mutual capacitance หาได้จาก Qi/Vn เมื่อให้ศักย์ไฟฟ้าบนตัวนำอื่นๆนอกจาก n เป็นศูนย์โวลท์
เนื่องจากประจุที่ถูกเหนี่ยวนำให้เกิดขึ้นมีเครื่องหมายเป็นตรงกันข้าม (กับประจุที่เป็นตัวเริ่มเหนี่ยวนำ) สัมประสิทธิ์ของ Mutual capacitance ทั้งหมดจะเป็น Negative (คือติดลบ) ในขณะที่ Self-capacitance เป็นบวก
จะเห็นว่าเราสามารถคำนวณศักย์ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นบนวัตถุต่างๆได้
ตัวอย่าง เราสามารถหาประจุบนตัวนำ 1 ได้เป็น
Q1 = C11V1 - C12V2 - C13V3 สมการที่ 4
2.5.2 กระแสไฟฟ้าเนื่องจาการถ่ายเทประจุ
ในหัวข้อที่ 2.4 จะเห็นว่าการที่เราต่อสายดินจากด้าน ข. ของวัตถุทรงรีลงดิน เมื่อมีสนามไฟฟ้ากระทำกับวัตถุทรงรีนั้น จะเกิดการถ่ายเทของประจุเกิดขึ้น (ประจุบวกจากด้าน ข ไหลลงดิน) ทั้งที่ยังไม่ได้มีการสัมผัสระหว่างวัตถุทรงเหลี่ยม 1 และวัตถุทรงรี 2 เลย
จากสิ่งที่เกิดขึ้นนี้ จะเห็นสิ่งที่เราควรระวัง ทั้งนี้หากวัตถุที่มีประจุมีการเคลื่อนไหว (คือระยะระหว่างกันเปลี่ยนไป) ก็คือมีความต่างศักย์ไฟฟ้าเปลี่ยนไปมา จะทำให้เกิดการถ่ายเทของประจุไปมา นอกจากนี้ หากวัตถุต่างๆหลายๆชิ้นมาอยู่ใกล้กัน การถ่ายเทและโยกย้ายประจุไปมาจะเกิดขึ้นต่อเนื่องกันได้ ซึ่งจะเหมือนกับการที่กระแสสามารถไหลผ่านตัวเก็บประจุได้หากมีการเปลี่ยนแปลงของศักดา (คือกระแสไหลได้หากศักดาไม่คงที่ - ตัวเก็บประจุสามารถผ่านกระแส AC ได้) ในทางตรงกันข้าม หากการถ่ายเทประจุถึงจุดสมดุล และไม่มีศักดาไฟฟ้าภายนอกเปลี่ยนแปลงอีกแล้ว ก็จะไม่มีกระแสไหล (เปรียบเหมือนกระแสเป็นศูนย์เมื่อศักดาคงที่ - ตัวเก็บประจุเปิดวงจรเมื่อศักดาไฟฟ้าไม่เปลี่ยนแปลง)
3. ESD/EOS และความเสียหายที่เกิดขึ้น
ESD (Electrostatic Discharge) เป็นสิ่งที่สามารถทำลายส่วนประกอบของวงจรไฟฟ้าเล็กๆ สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือจะเกิดปัญหาในด้านความแน่นอนในการทำงานของอุปกรณ์โดยรวม (Reliability problem) ซึ่ง ESD นี้จะเกิดขึ้นได้ที่หลายขั้นตอนในการผลิตเช่นประกอบ, การจับถือ, การใช้งานในภาคสนาม เป็นต้น
ESD เกิดขึ้นจากการสะสมประจุบนพื้นผิวของชิ้นงาน ประจุที่เกิดขึ้นนี้อาจจะเกิดจากกระบวนการเสียดสีระหว่างวัสดุ (Triboelectric effect - ดูหัวข้อ 1. การเกิดไฟฟ้าสถิตย์) เมื่อเกิดการสะสมของประจุ สิ่งที่ตามมาคือพื้นผิวทั้งสองจะมีศักย์ไฟฟ้าที่ต่างกัน และหากพื้นผิวสองชนิดมาสัมผัสกันจะเกิดการถ่ายเทของประจุ (คืออิเล็กตรอน) ทำให้มีกระแสไฟฟ้าไหลเป็นปริมาณ
i = dq / dt สมการที่ 5
ซึ่งจะเกิดขึ้นในเวลาสั้นๆ แต่หากพิจารณาสมการให้ดีแล้ว ยิ่งการถ่ายเทประจุใช้เวลาสั้นเท่าใด ปริมาณกระแสที่เกิดขึ้นก็สูงเท่านั้น (แต่ในระยะเวลาอันสั้น) บางครั้งการถ่ายเทประจุนี้จะทำให้เกิดการกระโดดของกระแสไฟ (เรียกว่า Spark) ด้วย การถ่ายเทประจุจะเกิดขึ้นจนกระทั่งเกิดการสมดุลประจุ (คือศักย์ไฟฟ้าของพื้นผิวทั้งสองมีค่าเท่ากัน นั่นคือพื้นผิวทั้งสองมีประจุเท่ากัน - อาจเป็นกลาง, เป็นบวกทั้งคู่, หรือเป็นนลบทั้งคู่ก็ได้)
ความเสียหายเนื่องจาก ESD อาจจะไม่ได้เกิดขึ้นแล้วเห็นผลในทันที แต่เป็นความเสียหายที่เกิดขึ้นแล้วแฝงอยู่ในตัวอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ความเสียหายแฝงนี้จะทำให้อุปกรณ์นั้นยังคงทำงานได้ตามปกติเมื่ออยู่ที่โรงงานของผู้ผลิตแต่จะเกิดความบกพร่องหลังจากนั้นเมื่อส่งถึงมือผู้ใช้ปลายทาง (End-users) และใช้งานไปสักระยะหนึ่ง
จริงๆแล้ว ผู้ผลิตสามารถพยายามเลือกชนิดของอุปกรณ์ (Element) เพื่อให้วงจรที่สร้างขึ้นสามารถทนต่อ ESD ได้ ดูตารางที่ 3 ซึ่งแสดงความสามารถในการทนทานต่อ ESD ของอุปกรณ์ต่างๆกัน
ชนิดของ Device
ESD threshold voltage (V)
V-MOS
30 - 1200
MOSFET, EPROM, GaAs FET
10 - 300
JFET
150 - 7000
OPAMP
190 - 2500
Schottky Diodes
30 - 2500
Film Resistors
300 - 3000
SAW
150 - 500
Schottky TTL
1000 - 2500
CMOS
150 - 3000
256K DRAM
200 - 3000
Bipolar transistors
300 - 7000
ECL
500 - 2000
ตารางที่ 3 ศักดาที่สามารถทำลายอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆได้
3.1 ESD และ EOS ทำลายชิ้นส่วนอุปกรณ์ของวงจรได้อย่างไร
ปัจจุบันนี้อุปกรณ์ชิ้นส่วนเล็กๆประกอบไปด้วยชั้นออกไซด์บางๆ (Thin oxide layer) จำนวนมาก และนับวันยิ่งจะบางลงเรื่อยๆ ชั้นของออกไซด์เหล่านี้สามารถเสียหายได้ง่าย (เกิด Breakdown คือเสียสภาพการเป็นฉนวน) เมื่อมันบางลง, ชั้นของโลหะบางๆที่ทำหน้าที่เชื่อมต่อวงจรเข้าด้วยกันอาจจะละลายและเปิดวงจร (ขาดออกจากกันทางไฟฟ้า) เหมือนกับเป็นฟิวส์เนื่องจากกระแสจำนวนมากไหลผ่านและเกิดความร้อน (I2R loss) ขึ้น, p-n junction อาจจะเสียหายเนื่องจากปรากฏการณ์ "Current Crowding" คือเมื่อมีกระแสไหลผ่านรอยต่อและเกิดความเข้มของกระแส (Current density) สูงมาก, และ ESD อาจทำให้เกิด Electrical Over Stress (EOS) และละลายชั้นของโลหะในอุปกรณ์ได้
3.2 ลักษณะบ่งชี้ของความเสียหายอันเนื่องมาจาก EOS
EOS คือความเสียหายเนื่องจากอุปกรณ์ได้รับศักดาหรือกระแสมากกว่าที่มันสามารถทนได้และอุปกรณ์ได้รับศักดาหรือกระแสนั้นไหลผ่านอยู่เป็นเวลานาน (มากกว่า 50 uS) โดยทั่วไปแล้วเราสามารถเห็นร่องรอยของความเสียหายอันเนื่องมาจาก EOS ได้ใต้กล้องจุลทรรศน์อัตราขยายต่ำ
ลักษณะที่เราเห็นหลังจากที่เกิดความเสียหายเนื่องจาก EOS คือ
ก) โดยทั่วไปสามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์อัตราขยายต่ำ
ข) อาจจะเห็น Bond wire หรือเส้นลายโลหะเกิดการหลอมละลาย
ค) อาจเห็นพลาสติกหรือผิวหน้าของ Die มีรอยไหม้ (Burnt) หรือเมื่อ Decapsule แล้วก็ยังคงเห็น Compound เหลือติดอยู่ที่ด้านหน้าของ Die โดยไม่ยอมหลุดร่อนออกง่ายๆ
ง) เกิดการเปลี่ยนสี (Discoloration) ของบริเวณที่ไหม้หรือบริเวณที่เสียหาย (ซึ่งจะไม่เป็นกับ ESD)
3.3 ลักษณะบ่งชี้ของความเสียหายอันเนื่องมาจาก ESD
ความเสียหายจาก ESD เกิดเนื่องจากการถ่ายเทประจุไฟฟ้าอย่างรวดเร็ว (ซึ่งอาจจะมีการกระโดดของกระแสไฟ เรียกว่า Spark เกิดขึ้นด้วย) ระหว่างวัตถุที่มีศักย์ไฟฟ้าต่างกัน (คือมีประจุต่างกัน) โดยทั่วไปเราสนใจ ESD สองประเภทคือ HBM (Human Body Model) และ CDM (Charge Device Model) อุปกรณ์ของเราจะเสียหายเนื่องจาก ESD เมื่อวัสดุที่เป็นฉนวน (โดยทั่วๆไปคือออกไซด์) ไม่สามารถทนต่อความต่างศักย์ ทำให้ตัวมันเกิดความเสียหายและหมดสภาพของความเป็นฉนวนและทำให้เกิดการนำกระแสระหว่าง Layer สองชั้นได้
ตัวอย่างความเสียหายอันเนื่องจาก ESD คือ
1) เกิดการ Breakdown ของฉนวนซึ่งโดยทั่วไปสร้างมาจากออกไซด์
2) Threshold Voltage ที่ทำให้ทรานซิสเตอร์เริ่มทำงานหรือหยุดทำงาน (Gate turn-off or turn-on VT) เปลี่ยนแปลงไป
3) คุณสมบัติด้านกระแส-ศักดา (I-V characteristic) ของรอยต่อ PN เลวลง
4) หากรุนแรง สามารถทำความเสียหายให้กับ Metal line ได้ด้วย
ร่องรอยหรือลักษณะที่เราเห็นในอุปกรณ์หลังจากที่เกิดความเสียหายเนื่องจาก ESD คือ
ก) โดยทั่วไปจะไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแสง (Opticalmicroscope) กำลังต่ำ
ข) มักจะเกิดการเสียหายแบบ Breakdown ของออกไซด์ทั้งอย่างหนาและอย่างบาง (Thin/Thick Oxide) เป็น Pin hole หรือความเสียหาย ที่บริเวณริมขอบของ Gate (HBM), หรือมี Pin hole จำนวนหลายจุดที่บริเวณริมขอบของ Gate (CDM) เกิด Filamentation, Silicon Pitting
4. แบบจำลองการเกิด ESD ชนิดต่างๆ เพื่อการศึกษาและทดสอบความเสียหายจาก ESD
การศึกษาความเสียหายต่างๆเนื่องมาจาก ESD/EOS ทำให้เราจำเป็นต้องคิดแยกวิธีและแบบต่างๆที่ทำให้เกิดการถ่ายเทประจุเข้าออกตัว Device (ซึ่งทำให้เกิดความเสียหายติดตามมา) เราทราบว่าโดยทั่วไปแล้วเราจะสามารถจำลองแบบต่างๆที่ทำให้เกิดการถ่ายเทประจุได้จำนวน 3 แบบคือ Human Body Model (HBM), Charge Device Model (CDM), และ Machine Model (MM) ซึ่งวิธีการเหล่านี้ได้รับการยอมรับเป็นวิธีมาตรฐานในการทดสอบความทนทานของ Device ต่อการถ่ายเทประจุ นอกจากนี้ ยังเป็นเครื่องมือที่ทำให้เราสร้างความเสียหายให้กับ Device (โดยตั้งใจ) เพื่อการศึกษาอีกด้วย
4.1 Human Body Model (HBM)
Model หรือแบบจำลองนี้ เป็นการพยายามเลียนแบบผลที่เกิดขึ้นจากการถ่ายเทประจุจากผู้ปฏิบัติการสู่ Device ต้นเหตุของเหตุการณ์เกิดขึ้นเมื่อผู้ปฏิบัติงานเดินผ่านพื้นซึ่งอาจจะปูพรม ทำให้เกิดการสะสมประจุขึ้นบนตัวของผู้ปฏิบัติการ จากนั้นผู้ปฏิบัติงานนั้นอาจจะสัมผัสกับ Device ที่ไวต่อ ESD ทำให้เกิดการถ่ายประจุออกจากร่างกาย (และเสื้อผ้าเครื่องแต่งตัว) ของผู้ปฏิบัติงานสู่ Device และทำให้เกิดความเสียหาย
แบบจำลองนี้ จริงๆแล้วมีมานานแล้วโดยมีวัตถุประสงค์ที่จะใช้ทดสอบการเกิดประกายไฟและสาเหตุที่ทำให้เกิดการระเบิดของแก๊สในเหมืองแร่ คือต้องการจำลองการถ่ายเทประจุ (และกระแสไฟฟ้า) จากปลายเล็บมือของผู้ปฏิบัติการสู่วัตถุอื่น รูปที่ 6 แสดงกระแสไฟฟ้าที่ไหลในโมเดลแบบ HBM
รูปที่ 6 ลักษณะกระแสที่ไหลของ HBM
4.2 Machine Model (MM)
รูปที่ 7 ลักษณะกระแสที่ไหลของ MM
การถ่ายเทประจุที่คล้ายๆกับการถ่ายประจุจากตัวผู้ปฏิบัติการสู่ Device สามารถเกิดขึ้นได้จากเครื่องจักรด้วย (คือเกิดการถ่ายประจุจากเครื่องจักรสู่ Device) เราสามารถจำลองการเกิดปรากฎการณ์นี้ได้ด้วยวงจรที่ประกอบด้วยตัวเก็บประจุขนาด 200 pF ซึ่งจะคายประจุสู่ตัว Device โดยตรงโดยไม่ผ่านความต้านทานไฟฟ้าใดๆ แสดงวงจรทดสอบการคายประจุสำหรับ Machine Model
4.3 Charge Device Model (CDM)
บางครั้ง การถ่ายเทประจุที่ทำให้เกิดการเสียหายแก่อุปกรณ์ที่ไวต่อ ESD อาจจะมาจากการถ่ายเทประจุ จาก ตัว Device ไปสู่วัตถุอื่นๆภายนอกก็ได้
ตัวอย่างเช่น เมื่อเราเลื่อนตัว Device ตามรางขนถ่าย อาจจะทำให้เกิดการถ่ายเทประจุทำให้ตัว Device เองไม่เป็นกลางทางไฟฟ้า จากนั้นตัว Device อาจจะสัมผัสกับวัตถุอื่นเช่นอุปกรณ์ที่ใช้จับให้เข้าที่ (Insertion Head) หรือตัวนำไฟฟ้าอย่างอื่น ก็อาจเกิดการถ่ายเทประจุอย่างรวดเร็วจาก Device ไปสู่วัตถุอื่นหรือโลหะนั้น การเกิดเหตุการณ์เช่นนี้เรียกว่า Charge Device Model และอาจจะรุนแรงสร้างความเสียหายได้มากกว่า HBM เพราะถึงแม้ว่าช่วงเวลาของการถ่ายเทประจุจะสั้นมาก (อาจจะสั้นเพียง 1 nS) แต่กระแสสูงสุดที่เกิดขึ้นอาจจะสูงได้หลายสิบแอมแปร์
ถ้าสังเกตให้ดีจะพบว่า การที่ Device ได้รับการถ่ายเทประจุและได้รับผลจากการถ่ายเทประจุจาก Model นี้ จะเกิดการถ่ายประจุจำนวนสองครั้ง โดยครั้งแรก เป็นการที่ตัว Device ได้รับการประจุเข้า (Charge) และครั้งที่สองเป็นการที่ตัว Device ถ่ายประจุออกจากตัวมัน
รูปที่ 8 ลักษณะกระแสที่ไหลของ CDM
4.4 ประเภทของ Device ที่ไวต่อ ESD ชนิดต่างๆ
เมื่อเราทำการทดสอบ Device และทราบว่ามันสามารถทนต่อ ESD ได้เพียงใดแล้ว เราจะทำการแบ่งประเภทของมันซึ่งเรียกว่า Class ตามชนิดของการ Test ต่างๆ ตารางที่ 4, 5 และ 6 แสดงความไวต่อ ESD ตามผลของการทดสอบแบบ HBM, MM, และ CDM ตามลำดับ
Class
Voltage Range
Class 0
<250 volts
Class 1A
250 volts to <500 volts
Class 1B
500 volts to < 1,000 volts
Class 1C
1000 volts to < 2,000 volts
Class 2
2000 volts to < 4,000 volts
Class 3A
4000 volts to < 8000 volts
Class 3B
>= 8000 volts
ตารางที่ 4 แสดงประเภทของ Device ตามความไวต่อ Human Body Model
Class
Voltage Range
Class M1
<100 volts
Class M2
100 volts to <200 volts
Class M3
200 volts to <400 volts
Class M4
> or = 400 volts
ตารางที่ 5 แสดงประเภทของ Device ตามความไวต่อ Machine Model
Class
Voltage Range
Class C1
<125 volts
Class C2
125 volts to <250 volts
Class C3
250 volts to <500 volts
Class C4
500 volts to <1,000 volts
Class C5
1,000 volts to <1,500 volts
Class C6
1,500 volts to <2,000 volts
Class C7
=>2,000 volts
ตารางที่ 6 แสดงประเภทของ Device ตามความไวต่อ Charge Device Model
5. วิธีการป้องกัน ESD/EOS
จากบทที่ผ่านมา จะเห็นว่าวัตถุต่างๆ (แม้แต่โลหะ) สามารถถูกทำให้ไม่เป็นกลางได้โดยกระบวนการถ่ายเทประจุแบบเสียดสี (Triboelectric process) ได้ ความรุนแรงในการประจุขึ้นอยู่กับชนิดของวัตถุสองชนิด (หรือมากกว่า) ที่เสียดสีกัน, ความเร็วและความรุนแรงในการเสียดสีกัน, ความชื้น และอีกหลายๆตัวแปร การถ่ายเทประจุหรือที่เรียกว่า Discharge สามารถทำให้เกิดความเสียหายแก่อุปกรณ์ของเราทั้งแบบที่เสียเป็นการถาวรทันที (เรียก Catastrophic) และแบบที่เป็นความเสียหายแอบแฝงที่ทำให้อุปกรณ์มีอายุสั้นลงอย่างมาก (เรียกว่า Latent failure) ได้ การเกิดการถ่ายเทประจุและความเสียหายขึ้นจะเกิดได้ทั้งในขั้นตอนของการผลิต, ประกอบ, ทดสอบ, ขนส่ง, และกระบวนการทุกอย่างที่เกี่ยวกับตัว Device ซึ่งการถ่ายเทประจุแล้วทำให้เสียหายนั้นเกิดได้ทั้งจากการถ่ายประจุ จาก ตัวอุปกรณ์ไปยังวัตถุภายนอก และการถ่ายประจุจากวัตถุภายนอก เข้าไปยัง ตัวอุปกรณ์ และอุปกรณ์ของเราแต่ละอย่างก็มีความสามารถในการทนทานต่อ ESD ไม่เท่ากัน
รูปที่ 9,10,11 แสดงความเสียหายที่เกิดจาก ESD, ESD, และ EOS ตามลำดับ
5.1 หลักการเบื้องต้นในการควบคุม ESD
การควบคุมปัญหาที่เกิดจากการถ่ายเทประจุหรือ ESD นั้นไม่ใช่เรื่องง่าย แต่สามารถแบ่งแยกออกจากกันได้เป็นกลุ่มได้จำนวน 4 สาขา มีสิ่งหนึ่งที่เราควรจำไว้คือ ไม่ว่าเราจะพยายามทำอะไรก็ตาม ประจุไฟฟ้าย่อมพยายามหาทางที่มันจะสามารถถ่ายเทไปยังวัตถุอื่นให้ได้
1) การออกแบบเพื่อให้ทนทานต่อ ESD
เป็นสิ่งแรกที่สามารถทำได้ นั่นคือการออกแบบวงจรหรืออุปกรณ์ทั้งหมดของเราให้สามารถทนทานต่อ ESD ได้มากเท่าที่จำเป็น ตัวอย่างเช่นออกแบบวงจรป้องกันด้านขาเข้า (Input) ของวงจร
2) กำจัดและลดการกำเนิดประจุ
นอกจากการพยายามออกแบบและสร้างอุปกรณ์ของเราให้ทนทานต่อ ESD ตั้งแต่แรกเริ่มแล้ว สิ่งต่อไปที่จะต้องทำคือ พยายามลดหรือกำจัดการกำเนิดประจุและการสะสมประจุ ซึ่งเป็นพื้นฐานที่ว่า หากไม่มีประจุแล้ว ก็ย่อมไม่มีการถ่ายเทประจุ
เราทำดังนี้ได้โดยการพยายามลดการเสียดสีและการแยกจากกันของวัสดุต่างชนิดกันภายในบริเวณที่ปฏิบัติงาน พยายามทำให้กระบวนการและวัสดุต่างๆอยู่ที่ศักย์ไฟฟ้าเดียวกันทั้งหมดซึ่งจะทำให้ไม่มีการถ่ายเทประจุเกิดขึ้น (เนื่องจากศักย์เท่ากัน หรือศักย์เป็นศูนย์เท่ากันทั้งหมด) ทำให้มีเส้นทางเดินของประจุลงไปยังดิน (Ground Paths) โดยอาจจะผ่านทาง Wrist strap เป็นต้น
3) กระจายประจุออกและทำให้เป็นกลาง (Dissipate and neutralize)
เนื่องจากในสภาพความเป็นจริง เราไม่สามารถกำจัดการกำเนิดประจุได้ทั้งหมด สิ่งต่อไปที่ต้องทำก็คือพยายามทำให้ประจุที่เกิดขึ้นแล้วถ่ายเทไปจากชิ้นงานและ/หรือชิ้นวัสดุอันอาจจะทำอันตรายต่ออุปกรณ์ของเราได้อย่างปลอดภัย การกราวด์วัสดุที่เป็นโลหะอย่างเหมาะสมและใช้วัสดุที่เป็น Dissipative เป็นวิธีที่ใช้กันได้ผลเป็นส่วนใหญ่ ตัวอย่างเช่นผู้ปฏิบัติงานที่ มีประจุ อยู่จะถูกถ่ายประจุเหล่านั้นลงดินไปเมื่อเขาใส่ Wrist Strap หรือเมื่อเดินบนแผ่นปูพื้นป้องกัน ESD เมื่อสวมใส่รองเท้าสำหรับป้องกัน ESD ประจุจะวิ่งลงดินแทนที่จะถ่ายเทเข้าสู่อุปกรณ์ที่ไวต่อ ESD และเพื่อเป็นการป้องกันความเสียหายจากการถ่ายเทประจุ จาก อุปกรณ์ของเรา (ที่ถูกประจุ) ลงดิน เราสามารถควบคุมอัตราการถ่ายเทประจุได้ด้วยการใช้วัสดุที่เป็น Electrostatic Dissipative
สำหรับวัสดุบางชนิดเช่นพลาสติกทั่วไปและฉนวนต่างๆ การต่อสายดินจะไม่สามารถนำพาประจุลงสู่ดินได้เนื่องจากไม่มีเส้นทางที่ไฟฟ้าสามารถไหลได้ วิธีที่จะทำให้วัสดุเหล่านี้เป็นกลางทำได้โดยการใช้ Air Ionizer เป่าโดยที่Air Ionizer จะให้กำเนิดประจุทั้งบวกและลบจำนวนมากที่จะรวมกับประจุ (ที่ไม่เป็นกลาง) บนวัสดุเพื่อทำให้ประจุเป็นกลาง
4) ปกป้องชิ้นส่วนและอุปกรณ์
สิ่งสุดท้ายคือพยายามป้องกันหรือแยกอุปกรณ์ของเราออกจากสภาพแวดล้อมที่อาจมีการถ่ายเทประจุ วิธีแรกคือทำให้อุปกรณ์ของเรามีการลงดินที่จะกระจายประจุออกไปจากอุปกรณ์ของเรา วิธีที่สองคือการบรรจุอุปกรณ์ของเราไว้ในหีบห่อซึ่งทำจากวัสดุที่เหมาะสม วัสดุเหล่านี้จะป้องกัน (Shield) อุปกรณ์ของเราจากประจุและลดการกำเนิดประจุที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอุปกรณ์เองภายในหีบห่อนั้น
5.2 ระบุพื้นที่ทำงานที่อาจมีปัญหา
สองสิ่งแรกที่สำคัญในการออกแบบป้องกันชิ้นส่วนอุปกรณ์ที่ไวต่อ ESD คือ
1) ระบุชิ้นงานที่ไวต่อ ESD
2) พิจารณาบริเวณทำงานและกระบวนการทั้งหมดเพื่อกำหนดพื้นที่ที่ต้องให้การป้องกัน
พื้นที่ที่มักจะเป็นบริเวณที่ต้องป้องกันอาจจะมีมากกว่าที่เราเคยคิดไว้ คือเป็นพื้นที่ทั้งหมดที่มีชิ้นส่วนอุปกรณ์ที่ไวต่อ ESD ต้องเดินทางผ่าน โดยอาจเริ่มตั้งแต่การรับงานจนกระทั่งส่งงานออกนอกโรงงาน ตามปกติแล้วพื้นที่ที่จำเป็นต้องให้การป้องกันต่อ ESD แสดงในตารางที่ 7
บริเวณที่ต้องทำการป้องกัน ESD
บริเวณรับงาน (Receiving)
บริเวณที่แกะหีบห่อและทำการตรวจรับชิ้นงาน (Inspection)
พื้นที่เก็บวัตถุดิบและสินค้า (Store and Warehouse)
ส่วนทำการประกอบชิ้นส่วน (Assembly area)
บริเวณทดสอบและตรวจสอบ (Test and Inspection)
ส่วนทำการวิจัยและพัฒนา (Research and Development)
บริเวณบรรจุหีบห่อ (Packaging)
ส่วนซ่อมนอกสถานที่ (Field service and repair)
สำนักงานและห้องทดลอง (Offices and Laboratories)
Clean Room
ตารางที่ 7 พื้นที่ทั่วไปที่ต้องมีมาตรการป้องกัน ESD
5.2 พนักงานและเครื่องมือเครื่องใช้
5.2.1 พนักงานและเครื่องมือที่มีการเคลื่อนที่
ในหลายๆพื้นที่ทำงาน พนักงานเองเป็นต้นเหตุสำคัญที่กำเนิดไฟฟ้าสถิตย์ เพราะเพียงการเดินบนพื้นที่ไม่เหมาะสมก็สามารถสร้างประจุไฟฟ้าบนตัวของพนักงานนั้นเองได้ และหากไม่มีการควบคุมที่เหมาะสม ก็จะเกิดการถ่ายประจุจากตัวพนักงานนั้นลงสู่ชิ้นงานและเกิดความเสียหายได้ทันที (เป็น HBM)
แม้แต่ในพื้นที่ที่มีการใช้เครื่องมือทำงานเช่นใน Assembly และ Test ก็ยังคงต้องใช้พนักงานในการเคลื่อนย้ายชิ้นงานจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่ง นอกจากนี้การนำงานใส่ในรถเข็นก็อาจกำเนิดประจุไฟฟ้าและเกิดการถ่ายประจุไปสู่ชิ้นงานที่อยู่บนรถเข็นนั้นได้
5.2.2 สายรัดข้อมือ (Wrist Straps)
โดยทั่วไปเราสามารถควบคุมประจุ (ที่ไม่เป็นกลาง) บนร่างกายและเครื่องแต่งกายของพนักงานได้โดยการใช้สายรัดข้อมือหรือ Wrist strap ซึ่งจะมีสายไฟเพื่อต่อเชื่อมลงดินอีกครั้งหนึ่ง ผลที่ได้คือทำให้ศักย์ไฟฟ้าของร่างกายพนักงานนั้นมีค่าไกล้เคียงกับศูนย์ (คือระดับศักย์ของดิน) ที่สุดซึ่งทำให้ไม่มีความต่างศักย์ระหว่างตัวพนักงานกับชิ้นส่วนอุปกรณ์รวมถึงเครื่องมือต่างๆที่ใช้ทำงาน ดังนั้นจึงไม่มีการถ่ายเทประจุระหว่างกัน (เพราะศักย์เท่ากัน) นอกจากนั้นจะทำให้ประจุเกิดการถ่ายเทจากตัวพนักงานลงสู่ดินและไม่ทำให้เกิดการสะสมของประจุ
บนสายรัดข้อมือด้านที่จะต่อกับสายไฟเพื่อลงสู่ดินนั้นมักจะมีความต้านทานขนาด 1 MW ขนาด 1/4 วัตต์ และทนศักดาได้ 250 โวลท์ ต่ออนุกรมอยู่กับสายดินด้วย ทั้งนี้เพื่อความปลอดภัยไม่ให้พนักงานถูกไฟฟ้าดูดในกรณีที่สัมผัสกับเครื่องจักรที่อาจจะมีไฟฟ้ารั่วอยู่
การใช้งานสายรัดข้อมือที่ถูกต้องนั้น ตัวสายรัดข้อมือจะต้องได้รับการทดสอบเป็นประจำทุกวันและต่ออยู่กับวงจรสายดินที่มีการตรวจความต่อเนื่องว่ามีการลงดินอยู่ตลอดเวลาหรือไม่
5.2.3 พื้น, แผ่นปูรองพื้น, และวัสดุที่ใช้ทำพื้น
อีกวิธีหนึ่งที่สามารถควบคุมประจุบนตัวพนักงานคือใช้พื้นหรือแผ่นปูพื้นที่ป้องกัน ESD ร่วมกับรองเท้าป้องกัน ESD ทั้งสองอย่างนี้เมื่อใช้ร่วมกันจะสร้างเส้นทางเดินไฟฟ้า (และประจุ) ที่ทำให้เกิดการถ่ายเทประจุออกจากร่างกายและเครื่องแต่งกายของพนักงาน (รวมทั้งเครื่องจักรที่ตั้งอยู่พื้นหรือแผ่นปูพื้นป้องกัน ESD นั้นด้วย)
นอกจากการพยายามถ่ายเทประจุออกจากพนักงานและเครื่องจักรแล้ว ผลิตภัณฑ์แผ่นปูพื้นบางอย่างยังสามารถป้องกันหรือลดการเกิดประจุอันเนื่องมาจาก Triboelectric ได้ด้วย แผ่นปูพื้นเหล่านี้เหมาะสมเป็นอย่างยิ่งในพื้นที่ที่ต้องมีการเคลื่อนที่เคลื่อนไหวมากๆ นอกจากนี้แล้วแผ่นปูพื้นที่เหมาะสมนี้ยังสามารถถ่ายเทประจุออกจากรถเข็น, เก้าอี้, รถยก ได้ด้วย แต่ว่ารถเข็น, เก้าอี้, และรถยกเหล่านั้นจะต้องมีล้อที่ทำด้วยวัสดุที่ประจุสามารถวิ่งผ่านได้
5.2.4 เสื้อผ้าและเครื่องแต่งกาย
เสื้อผ้าเป็นสิ่งที่ต้องคำนึงถึงค่อนข้างมากในบริเวณที่มีการควบคุม ESD โดยเฉพาะอย่างยิ่งใน Clean Room และในพื้นที่ที่มีความชื้นต่ำ วัสดุที่ใช้ทำเสื้อผ้าสามารถกำเนิดประจุไฟฟ้าได้เมื่อสัมผัสและแยกออกจากวัสดุต่างชนิด, หรือเสียดสีตัวของมันเอง ประจุเหล่านี้สามารถถ่ายเทลงบนอุปกรณ์ที่ไวต่อไฟฟ้าสถิตย์และ/หรือสร้างสนามไฟฟ้าที่อาจจะเหนี่ยวนำประจุบนร่างกาย แม้ว่าตัวของพนักงานเองจะถูก "ต่อลงดิน" โดยผ่านสายรัดข้อมือและ/หรือรองเท้าสำหรับป้องกัน ESD แต่ไม่ได้หมายความว่าประจุจากเสื้อผ้าจะสามารถถ่ายเทลงดินได้ ทั้งนี้เนื่องจากว่าเสื้อผ้าเองนั้นเป็นฉนวนไฟฟ้าซึ่งประจุไม่สามารถไหลได้อย่างสะดวก เสื้อผ้าเครื่องแต่งกายที่เป็นแบบป้องกัน ESD ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้สามารถลดผลของสนามไฟฟ้าหรือประจุไฟฟ้าที่อาจจะมีอยู่ได้มากที่สุด
5.2.5 โต๊ะงานและพื้นผิวสำหรับทำงาน
พื้นผิวสำหรับทำงานและโต๊ะงานเป็นส่วนหนึ่งที่สำคัญมากในการป้องกันความเสียหายจาก ESD ชิ้นส่วนและอุปกรณ์หลายอย่างจะต้องถูกทำงาน, ซ่อมแซม บนโต๊ะงานนี้
โต๊ะงานป้องกัน ESD เป็นคำนิยามของโต๊ะสำหรับพนักงาน 1 คนนั่งทำงานที่ประกอบด้วยโต๊ะที่สร้างขึ้นและมีเครื่องมือต่างๆอันจำเป็นที่ทำมาจากวัสดุป้องกัน ESD เพื่อที่จะไม่ทำความเสียหายให้กับชิ้นส่วนอุปกรณ์ที่เสียหายได้ง่าย โต๊ะงานนี้อาจจะอยู่ตัวเดียวโดดเดี่ยวในห้องเก็บอุปกรณ์, อยู่ในคลังเก็บของ, หรืออยู่ในบริเวณที่ทำการผลิตประกอบก็ได้
โต๊ะทำงานจะมีสายไฟฟ้าหรือทางเดินไฟฟ้าที่สามารถต่อพื้นผิวที่ทำงานทั้งหมด, ส่วนประกอบจับยึดต่างๆ, เครื่องมือที่ต้องใช้ทำงานกับชิ้นงาน, และอุปกรณ์ต่อเชื่อมสำหรับลงดิน เข้าด้วยกันที่จุดต่อร่วมจุดหนึ่ง นอกเหนือจากนั้น อาจจะมีอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ต่อร่างกายของพนักงานที่ปฏิบัติงานลงดินและมีอุปกรณ์สำหรับตรวจดูว่าระบบการลงดินนั้นยังทำงานสมบูรณ์หรือไม่
พื้นของโต๊ะอาจจะปูด้วยแผ่นรองที่สามารถนำพาประจุให้ไหลลงดินได้โดยสะดวก ซึ่งจะทำให้ไม่มีศักย์ไฟฟ้าเหลืออยู่บนผิวโต๊ะที่จะต้องวางชิ้นงาน
5.2.6 เครื่องมือสำหรับทำการผลิต
นอกจากการที่พนักงานจะเป็นผู้ที่กำเนิดประจุไฟฟ้าแล้ว เครื่องมือเครื่องใช้ต่างๆในส่วนที่ทำการผลิตก็อาจจะสร้างประจุและทำความเสียหายให้กับชิ้นส่วนได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่น ชิ้นงานอาจจะถูกประจุได้จากการไหลลงจากรางหรือท่อ จากนั้นหากชิ้นงานสัมผัสกับวัตถุอีกชิ้นหนึ่งซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าต่างกัน ย่อมจะเกิดการถ่ายเทประจุระหว่างกันและสร้างความเสียหายให้กับชิ้นงานได้ (เป็น Charge Device Model - CDM)
นอกจากนั้น อุปกรณ์ที่ช่วยเหลือการผลิตต่างๆก็อาจจะทำร้ายชิ้นงานได้เช่นกัน อุปกรณ์ที่ช่วยเหลือนั้นหมายถึงเครื่องมือ, ของใช้ต่างๆที่ช่วยผลิตแต่ไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของผลิตภัณฑ์ ตัวอย่างเช่นหัวแร้ง, เทปกาว, น้ำยาต่างๆ เป็นต้น
การต่อสายดินเป็นวิธีเบื้องต้นที่จะควบคุมประจุไฟฟ้าในเครื่องจักรเครื่องมือหลายๆชนิด ตัวถังโลหะหรือกระป๋องครอบเครื่องที่เป็นตัวนำไฟฟ้าของเครื่องจักรที่ต้องใช้ไฟฟ้าในการทำงานจะต้องถูกต่อลงดินตามมาตรฐานทางไฟฟ้าโดยผ่านสายไฟสีเขียว ทั้งนี้เพื่อความปลอดภัยกับผู้ปฏิบัติงานในกรณีที่เกิดไฟฟ้ารั่ว สายดินนี้ก็จะทำหน้าที่ป้องกัน ESD ด้วยเช่นกัน ส่วนเครื่องมืออื่นๆที่ไม่ได้ใช้ไฟฟ้าในการทำงานเช่นไขควง, สว่านมือ, มีด, ปากคีบ ต่างๆเหล่านี้จะถูกต่อลงดินโดยทางอ้อมด้วยการวางลงบนแผ่นพื้นปูโต๊ะที่เป็นวัสดุแบบ Conductive หรือ Dissipative หรืออาจจะโดยผ่านร่างกายของผู้ปฏิบัติงาน (ที่ถูกต่อลงดินผ่าน Wrist strap) แต่หากเครื่องมือใดๆที่เป็นโลหะและไม่ได้ถูกต่อลงดินโดยการวางลงบนพื้นปูป้องกัน ESD ก็จะต้องถูกต่อลงดินด้วยสายดินต่างหาก และถ้ามีเครื่องมือที่ไม่ได้ทำจากโลหะ (คือไม่เป็นตัวนำทางไฟฟ้า) ก็จะต้องถูกทำให้เป็นกลางด้วยการเป่าด้วยเครื่อง Air ionizer
5.2.7 หีบห่อและการขนถ่าย
การป้องกันโดยตรงที่เราสามารถทำกับชิ้นส่วนที่ไวต่อความเสียหายจาก ESD สามารถทำได้โดยการบรรจุชิ้นส่วนเหล่านั้นลงในหีบห่อ, ถุง, กล่อง ที่ทำจากวัสดุพิเศษ หน้าที่หลักของบรรจุภัณฑ์เหล่านี้คือป้องกันชิ้นงานเมื่อออกจากโรงงานไปยังลูกค้า หรือระหว่างการขนส่งชิ้นงาน (ที่ยังไม่เสร็จเรียบร้อย) จากโรงงานหนึ่งไปยังอีกโรงงานหนึ่ง
หีบห่อเหล่านี้สามารถจำกัดความเสียหายจากการถ่ายเทประจุจากศักดาเนื่องจากการเสียดสี, การถ่ายประจุโดยตรง, และสนามไฟฟ้า สิ่งแรกที่ต้องระวังคือต้องใช้วัสดุที่เป็น (1)กำเนิดประจุได้น้อย (Low charging material - หรือที่เรียกว่า Antistatic) เช่นเมื่อเลื่อนชิ้นงานเพื่อเข้าบรรจุในหีบห่อนั้น จะต้องเกิดประจุไฟฟ้าน้อย อย่างที่สองที่ต้องการคือวัสดุหีบห่อจะต้องให้การ (2)ป้องกันการถ่ายเทประจุโดยตรงและต้อง (3)ป้องกันชิ้นงานภายในจากสนามไฟฟ้าด้วย
มีวัสดุอยู่หลายชนิดที่มีคุณสมบัติทั้งสามประการดังกล่าวข้างต้น ข้างในของหีบห่อเหล่านี้จะเป็นวัสดุ Antistatic และมีผิวด้านนอกเป็นวัสดุที่มีความต้านทานที่ผิวอยู่ในช่วง Dissipative
