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Electrostatic Discharge o ESD è un fatto della vita quotidiana ed è di particolare importanza nell’industria elettronica in questi giorni.

Anche anni fa, quando si usavano valvole termoioniche / tubi a vuoto, non era un problema, e anche con l’introduzione dei transistor pochi lo consideravano un problema. Tuttavia, quando sono stati introdotti i MOSFET, i loro tassi di guasto sono aumentati, il problema è stato indagato e si è scoperto che l’accumulo statico era sufficiente a causare il guasto dello strato di ossido nel dispositivo.

Da allora la consapevolezza di ESD è aumentata notevolmente perché è stato dimostrato che ha un effetto su molti dispositivi. Infatti molti produttori oggi considerano tutti i componenti sensibili all’elettricità statica, non solo i dispositivi MOS che sono i più soggetti a danni.

Come risultato dell’importanza attribuita alle ESD i produttori di apparecchiature elettroniche spendono molte migliaia di sterline per garantire che i loro posti di lavoro siano protetti dagli effetti dell’elettricità statica. Si assicurano che i prodotti che producono non abbiano alti tassi di fallimento durante il test di produzione, e siano in grado di dimostrare un’alta affidabilità per un lungo periodo di tempo.

Cos’è l’ESD? Si verifica quando le superfici si sfregano tra loro e questo provoca un eccesso di elettroni su una superficie e una carenza sull’altra.

Le superfici su cui si accumula la carica possono essere considerate come un condensatore. La carica rimarrà al suo posto a meno che non abbia un percorso attraverso il quale possa fluire. Poiché spesso non c’è un vero percorso attraverso il quale la carica può fluire, la tensione risultante può rimanere sul posto per un certo tempo e questo dà origine al termine “elettricità statica”.

Tuttavia, quando esiste un percorso di conduzione, la corrente fluisce e la carica si riduce. C’è una costante di tempo associata alla scarica. Un’alta resistenza significherà che una corrente più piccola scorrerà per un tempo più lungo. Una bassa resistenza darà luogo a una scarica molto più veloce.

Ovviamente i livelli di tensione e di corrente che vengono prodotti dipendono da una grande varietà di fattori. La taglia della persona, il livello di attività, l’oggetto contro il quale la scarica viene fatta, e naturalmente l’umidità dell’aria. Tutti questi fattori hanno un effetto pronunciato, per cui è quasi impossibile prevedere l’esatta dimensione delle scariche che si verificheranno.

Tuttavia uno dei fattori principali che influenza le tensioni che vengono prodotte è il tipo di materiale che viene sfregato insieme. Si è scoperto che materiali diversi danno tensioni diverse. La tensione prodotta dipende dalla posizione dei due materiali in una serie nota come serie tribo-elettrica.

Serie tribo-elettrica

Più distanti sono nella serie, maggiore è la tensione. Quello che è più in alto nella serie riceverà una carica positiva, e quello più in basso una carica negativa. Guardando la lista della serie tribo-elettrica qui sotto si può vedere che pettinarsi con un pettine di plastica darà luogo a una carica positiva sui capelli, e il pettine diventerà carico negativamente.

Ci sono molti modi in cui si possono accumulare cariche. Anche camminare su un tappeto può dare origine a tensioni molto grandi. Tipicamente questo può dare origine a potenziali di 10 kV. In brutti casi potrebbe anche portare a potenziali di tre volte questo valore. Anche l’atto di camminare su un pavimento in vinile può generare potenziali di circa 5 kV. In effetti, qualsiasi forma di movimento in cui le superfici si sfregano tra loro porterà alla generazione di elettricità statica. Qualcuno che lavora ad un banco utilizzando componenti elettronici potrebbe facilmente generare potenziali statici di 500 V o più.

Esempi pratici di ESD

Uno degli esempi più comunemente visibili di generazione di carica è quando si cammina attraverso una stanza. Anche questo evento quotidiano può generare tensioni sorprendentemente alte. Le tensioni effettive variano considerevolmente a seconda di una varietà di fattori, ma si possono fornire delle stime per illustrare la portata del problema.

Per illustrare l’estensione del problema, una varietà di casi sono dettagliati nella tabella sottostante:

* Queste sono cifre approssimative e presuppongono un’umidità relativa fino al 25%. Man mano che l’umidità aumenta, questi livelli diminuiscono: con un’umidità del 75% circa, i livelli statici possono diminuire di un fattore molto approssimativo di 25 o più. Tutte queste cifre sono molto approssimative, perché dipendono molto dalle condizioni particolari, ma danno una guida di ordine di grandezza ai livelli ESD da aspettarsi.

Anche se le risultanti ESD sembrano molto alte, di solito passano inosservate. La più piccola scarica elettrostatica che può essere sentita è di circa 5kV, e anche in questo caso questa grandezza di scarica può essere sentita solo in alcune occasioni. La ragione è che anche se le correnti di picco risultanti possono essere molto alte, durano solo per un tempo molto breve e il corpo non le rileva perché la carica dietro di esse è relativamente piccola. Tensioni di questa entità da apparecchiature elettroniche o elettriche dove la corrente più può essere fonte e per molto più tempo avrà un effetto molto maggiore e può essere molto pericoloso.

Trasferimento statico

Ci sono diversi modi in cui le cariche statiche possono essere trasferite ai dispositivi a semiconduttore con conseguente danno da ESD. Il più ovvio è quando vengono toccati da un oggetto che è carico e conduttivo. L’esempio più ovvio di questo può verificarsi quando un semiconduttore è su un banco di lavoro e qualcuno cammina sul pavimento accumulando una carica e poi lo raccoglie.

Il dito carico impartisce quindi la carica statica molto rapidamente al semiconduttore con la possibilità di danni. Gli utensili possono essere ancora più dannosi. I cacciaviti di metallo sono ancora più conduttivi e impartiscono la carica ancora più velocemente e questo si traduce in livelli più alti di corrente di picco.

Tuttavia non è necessario toccare i componenti per causarne il danno. Oggetti come i bicchieri di plastica portano una carica molto alta, e metterne uno vicino a un IC può “indurre” una carica opposta nell’IC. Anche questo può danneggiare il dispositivo a semiconduttore. Anche le cravatte fatte di fibre artificiali sono un pericolo ESD perché possono caricarsi e appendere facilmente vicino ad apparecchiature elettroniche sensibili.

Meccanismi di fallimento ESD

Ci sono diversi modi in cui ESD può danneggiare i componenti a semiconduttore. Il più ovvio deriva dalla tensione statica molto alta, che dà luogo ad alti livelli di corrente di picco che possono causare bruciature locali. Anche se la corrente scorre per un periodo di tempo molto breve, le dimensioni minime delle caratteristiche nel circuito integrato fanno sì che il danno sia causato molto facilmente. I collegamenti dei fili di interconnessione o le aree nel chip stesso possono essere fusi dall’alto picco di corrente.

Un altro modo in cui possono verificarsi danni come risultato di ESD è quando l’alto livello di tensione causa la rottura di un componente nel dispositivo stesso. Può rompere uno strato di ossido nel dispositivo rendendo il dispositivo inutilizzabile. Con dimensioni in alcuni circuiti integrati di molto meno di un micron, non è sorprendente che anche tensioni relativamente basse possano causare la rottura.

Mentre i danni da ESD possono distruggere istantaneamente i dispositivi, è anche possibile per loro creare quelli che sono chiamati guasti latenti. Questo accade perché ESD non distrugge completamente il dispositivo, ma il danno causato lo indebolisce soltanto, lasciandolo a rischio di guasto più avanti nella sua vita. Questi difetti latenti di solito non possono essere rilevati. Il risultato è che il livello generale di affidabilità è notevolmente ridotto, o (più nel caso di dispositivi analogici) le prestazioni possono essere degradate. I guasti latenti causati da ESD possono essere molto costosi perché la riparazione mentre un articolo è in servizio è molto più costosa che riparare un articolo che si è guastato in fabbrica. La ragione di questo è che un tecnico di riparazione ha normalmente bisogno di riparare l’articolo sul posto, o deve essere spedito ad una struttura di riparazione.

I guasti latenti possono essere causati quando un’interconnessione è parzialmente fusa da ESD. Spesso parte del conduttore è stato distrutto dalla scarica statica lasciandolo vulnerabile in seguito. Un altro modo in cui i chip vengono danneggiati è quando il materiale risultante dal danno si diffonde sulla superficie del semiconduttore, e questo può portare a percorsi di conduzione alternativi.

Come risultato del fatto che i componenti possono essere facilmente danneggiati da ESD, la maggior parte dei produttori tratta tutti i semiconduttori come dispositivi sensibili alle scariche elettrostatiche, e insieme a questo molti gestiscono tutti i dispositivi compresi i componenti passivi come condensatori e resistenze come anch’essi sensibili alle scariche elettrostatiche. Quando si guarda a questo bisogna ricordare che la maggior parte delle apparecchiature prodotte in serie oggi usano componenti a montaggio superficiale dove le dimensioni sono molto più piccole dei componenti tradizionali e questo li rende molto più suscettibili ai danni da ESD.

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