Guinguette Marais Poitevin

ESD Tutorial Bevat:
ESD basics Hoe ESD elektronicacomponenten beïnvloedt Beschermen tegen ESD ESD beschermd gebied ESD werkbank ESD werkmat ESD polsband ESD kleding ESD opslag ESD proces ESD op een budget Ontwerpen om ESD te bestrijden

Electrostatische ontlading of ESD is een feit van het dagelijks leven en het is van bijzonder belang in de elektronica-industrie van deze dagen.

Jaren geleden, toen thermionische ventielen / vacuümbuizen werden gebruikt, was het geen probleem, en zelfs met de introductie van transistors beschouwden weinigen het als een probleem. Toen echter MOSFET’s werden geïntroduceerd, stegen de storingspercentages; het probleem werd onderzocht en men ontdekte dat de opbouw van statische elektriciteit voldoende was om de oxidelaag in het apparaat te doen falen.

Sindsdien is het bewustzijn van ESD aanzienlijk toegenomen omdat is aangetoond dat het een effect heeft op veel apparaten. In feite beschouwen veel fabrikanten tegenwoordig alle componenten als statisch gevoelig, niet alleen MOS-apparaten die het meest vatbaar zijn voor schade.

Als gevolg van het belang dat wordt gehecht aan ESD geven fabrikanten van elektronische apparatuur vele duizenden ponden uit om ervoor te zorgen dat hun werkplekken beschermd zijn tegen de gevolgen van statische elektriciteit. Zij zorgen ervoor dat de producten die zij vervaardigen geen hoge storingspercentages vertonen tijdens de fabricagetest en dat zij een hoge betrouwbaarheid over een lange periode kunnen aantonen.

Wat is ESD?

Statisch is eenvoudigweg de opeenhoping van lading tussen twee oppervlakken. Het ontstaat wanneer oppervlakken tegen elkaar wrijven en dit resulteert in een overmaat aan elektronen op het ene oppervlak en een tekort op het andere.

De oppervlakken waarop de lading zich opbouwt, kunnen worden beschouwd als een condensator. De lading zal op zijn plaats blijven tenzij er een pad is waarlangs het kan stromen. Aangezien er vaak geen echt pad is waarlangs de lading kan stromen, kan de resulterende spanning enige tijd blijven staan en dit geeft aanleiding tot de term “statische elektriciteit”.

Wanneer er echter een geleidingspad bestaat, zal er een stroom vloeien en zal de lading worden gereduceerd. Er is een tijdconstante verbonden aan de ontlading. Een hoge weerstand betekent dat er een kleinere stroom zal vloeien gedurende een langere tijd. Een lage weerstand geeft aanleiding tot een veel snellere ontlading.

Het is duidelijk dat de niveaus van spanning en stroom die worden geproduceerd, afhankelijk zijn van een grote verscheidenheid van factoren. De grootte van de persoon, de mate van activiteit, het voorwerp waartegen de ontlading plaatsvindt, en natuurlijk de vochtigheid van de lucht. Deze hebben allemaal een uitgesproken effect, zodat het bijna onmogelijk is de precieze grootte van de ontladingen die zullen optreden te voorspellen.

Een van de belangrijkste factoren die echter van invloed is op de spanningen die worden geproduceerd, is het soort materiaal dat tegen elkaar wordt gewreven. Het is gebleken dat verschillende materialen verschillende spanningen geven. Het geproduceerde voltage is afhankelijk van de positie van de twee materialen in een reeks die bekend staat als de tribo-elektrische reeks.

Tribo-elektrische reeks

Hoe verder ze in de reeks uit elkaar staan, hoe groter het voltage. Degene die hoger in de reeks staat, krijgt een positieve lading en degene die lager in de reeks staat een negatieve lading. Als we naar de tribo-elektrische reeksenlijst hieronder kijken, zien we dat het kammen van het haar met een plastic kam een positieve lading op het haar zal geven, en dat de kam negatief geladen zal worden.

Er zijn veel manieren waarop ladingen kunnen worden opgebouwd. Zelfs het lopen over een tapijt kan tot zeer grote spanningen leiden. Typisch kan dit leiden tot potentialen van 10 kV. In slechte gevallen kon het zelfs tot potentialen van drie keer deze waarde leiden. Zelfs kan de handeling van het lopen over een vinylvloer tot potentialen van rond 5 kV leiden die worden geproduceerd. In feite zal elke vorm van beweging waarbij oppervlakken tegen elkaar wrijven leiden tot de generatie van statische elektriciteit. Iemand die op een werkbank met elektronische componenten werkt, kan gemakkelijk statische spanningen van 500 V of meer opwekken.

Praktische voorbeelden van ESD

Een van de meest zichtbare voorbeelden van het opwekken van lading is het lopen door een kamer. Zelfs deze alledaagse gebeurtenis kan verrassend hoge spanningen opwekken. De werkelijke spanningen variëren aanzienlijk afhankelijk van een verscheidenheid van factoren, maar schattingen kunnen worden gegeven om de omvang van het probleem te illustreren.

Om de omvang van het probleem te illustreren, worden in de tabel hieronder een aantal voorbeelden gegeven:

* Dit zijn cijfers bij benadering en gaat uit van een relatieve luchtvochtigheid van maximaal 25%. Naarmate de luchtvochtigheid stijgt, dalen deze niveaus: bij een luchtvochtigheid van ongeveer 75% kunnen de statische niveaus dalen met een factor van zeer ruwweg 25 of meer. Al deze cijfers zijn zeer approximatief, omdat zij sterk afhankelijk zijn van de specifieke omstandigheden, maar zij geven een indicatie van de te verwachten ESD-niveaus.

Hoewel de gevolgen van ESD zeer hoog lijken, gaan zij gewoonlijk ongemerkt voorbij. De kleinste elektrostatische ontlading die kan worden gevoeld is ongeveer 5kV, en zelfs dan kan deze grootte van ontlading slechts bij gelegenheid worden gevoeld. De reden hiervoor is dat de resulterende piekstromen weliswaar zeer hoog kunnen zijn, maar slechts zeer kort duren en door het lichaam niet worden opgemerkt omdat de lading erachter relatief klein is. Spanningen van deze omvang uit elektronische of elektrische apparatuur waar meer stroom kan worden opgewekt en gedurende veel langere tijd, zullen een veel groter effect hebben en kunnen zeer gevaarlijk zijn.

Statische overdracht

Er zijn verschillende manieren waarop statische ladingen kunnen worden overgebracht op halfgeleiderelementen, wat kan leiden tot schade door ESD. De meest voor de hand liggende is wanneer ze worden aangeraakt door een voorwerp dat geladen en geleidend is. Het duidelijkste voorbeeld hiervan doet zich voor wanneer een halfgeleider op een werkbank ligt en iemand over de vloer loopt en een lading opbouwt en deze dan oppakt.

De geladen vinger brengt dan de statische lading zeer snel over op de halfgeleider met de mogelijkheid van schade. Gereedschap kan mogelijk nog schadelijker zijn. Metalen schroevendraaiers zijn nog meer geleidend en zullen de lading nog sneller overbrengen en dit resulteert in hogere niveaus van piekstroom.

Het is echter niet nodig om componenten aan te raken om er schade aan te veroorzaken. Voorwerpen zoals plastic bekertjes hebben een zeer hoge lading, en als je zo’n bekertje in de buurt van een IC plaatst, kun je een tegengestelde lading in het IC “induceren”. Ook dit kan het halfgeleiderelement beschadigen. Ook stropdassen van kunstvezel vormen een gevaar voor ESD, omdat ze zich kunnen opladen en gemakkelijk in de buurt van gevoelige elektronische apparatuur kunnen blijven hangen.

ESD-faalmechanismen

Er zijn een aantal manieren waarop ESD halfgeleidercomponenten kan beschadigen. De meest voor de hand liggende manier is door de zeer hoge statische spanning, waardoor hoge piekstromen ontstaan die plaatselijk doorbranden kunnen veroorzaken. Hoewel de stroom slechts gedurende een zeer korte periode vloeit, wordt door de minieme afmetingen van de kenmerken in de geïntegreerde schakeling zeer gemakkelijk schade veroorzaakt. De tussenliggende draadverbindingen of gebieden in de chip zelf kunnen door de hoge piekstroom worden gesmolten.

Een andere manier waarop schade als gevolg van ESD kan ontstaan, is wanneer het hoge spanningsniveau afbraak veroorzaakt in een component in het apparaat zelf. Het kan een oxidelaag in het apparaat afbreken, waardoor het apparaat onbruikbaar wordt. Met afmetingen in sommige IC’s van veel minder dan een micron, is het niet verwonderlijk dat zelfs betrekkelijk lage spanningen afbraak kunnen veroorzaken.

Terwijl schade door ESD apparaten onmiddellijk kan vernietigen, is het ook mogelijk dat zij zogeheten latente defecten veroorzaken. Dit gebeurt omdat ESD het apparaat niet volledig vernietigt, maar de veroorzaakte schade het slechts verzwakt, waardoor het risico bestaat dat het later in zijn leven defect raakt. Deze latente defecten kunnen meestal niet worden opgespoord. Het gevolg is dat het algemene betrouwbaarheidsniveau aanzienlijk daalt of (meer in het geval van analoge apparatuur) dat de prestaties achteruitgaan. Latente defecten ten gevolge van ESD kunnen zeer kostbaar zijn, omdat reparatie tijdens het gebruik veel kostbaarder is dan reparatie van een defect product dat al in de fabriek defect is geraakt. De reden hiervoor is dat een reparateur het artikel gewoonlijk ter plaatse moet repareren, of dat het naar een reparatiewerkplaats moet worden vervoerd.

Latente storingen kunnen worden veroorzaakt wanneer een interconnectie door ESD gedeeltelijk is gesmolten. Vaak is een deel van de geleider vernietigd door de statische ontlading, waardoor hij later kwetsbaar blijft. Een andere manier waarop chips beschadigd raken is wanneer het materiaal dat het gevolg is van de beschadiging over het oppervlak van de halfgeleider wordt verspreid, en dit kan resulteren in alternatieve geleidingspaden.

Als gevolg van het feit dat componenten gemakkelijk beschadigd kunnen worden door ESD, behandelen de meeste fabrikanten alle halfgeleiders als statisch gevoelige apparaten, en samen daarmee behandelen velen alle apparaten, met inbegrip van passieve componenten zoals condensatoren en weerstanden, ook als statisch gevoelig. Wanneer we hiernaar kijken moeten we niet vergeten dat de meeste massa geproduceerde apparaten vandaag de dag gebruik maken van surface mount componenten waar de afmetingen veel kleiner zijn dan de traditionele componenten en dit maakt ze veel gevoeliger voor schade door ESD.

Meer Bouwideeën & Concepten:
Solderen SMT component solderen ESD – Electro-Static Discharge PCB fabricage PCB assemblage
Terug naar Bouwtechnieken menu . . .