Guinguette Marais Poitevin

Samouczek ESD zawiera:
Podstawy ESD Jak ESD wpływa na komponenty elektroniczne Ochrona przed ESD Obszar chroniony ESD Stół roboczy ESD Mata robocza ESD Pasek na rękę ESD Odzież ESD Przechowywanie ESD Proces ESD w budżecie Projektowanie w celu zwalczania ESD

Wyładowanie elektrostatyczne lub ESD jest faktem życia codziennego i ma szczególne znaczenie w przemyśle elektronicznym w tych dniach.

Lata temu, kiedy używano zaworów termionowych / lamp próżniowych, nie stanowiło to problemu, a nawet po wprowadzeniu tranzystorów niewielu uważało to za problem. Jednak kiedy wprowadzono MOSFETy, ich awaryjność wzrosła, zbadano problem i okazało się, że gromadzenie się ładunków elektrostatycznych było wystarczające, aby spowodować uszkodzenie warstwy tlenku w urządzeniu.

Od tego czasu świadomość ESD znacznie wzrosła, ponieważ wykazano, że ma ono wpływ na wiele urządzeń. W rzeczywistości wielu producentów uważa dziś wszystkie komponenty za wrażliwe na wyładowania elektrostatyczne, a nie tylko urządzenia MOS, które są najbardziej podatne na uszkodzenia.

W wyniku wagi przywiązywanej do ESD producenci sprzętu elektronicznego wydają wiele tysięcy funtów, aby zapewnić ochronę swoich miejsc pracy przed skutkami wyładowań elektrostatycznych. Dbają o to, aby wytwarzane przez nich produkty nie miały wysokiego wskaźnika awaryjności podczas testów produkcyjnych i były w stanie wykazać się wysoką niezawodnością przez długi okres czasu.

Co to jest ESD?

Statyka to po prostu gromadzenie się ładunku pomiędzy dwoma powierzchniami. Powstaje on, gdy powierzchnie ocierają się o siebie, co skutkuje nadmiarem elektronów na jednej powierzchni i niedoborem na drugiej.

Powierzchnie, na których gromadzi się ładunek, można traktować jak kondensator. Ładunek pozostanie w miejscu, chyba że ma ścieżkę, przez którą może przepływać. Ponieważ często nie ma rzeczywistej drogi, przez którą ładunek może przepłynąć, napięcie wynikowe może pozostać na miejscu przez pewien czas, co daje początek terminowi „elektryczność statyczna”.

Jednakże, gdy istnieje ścieżka przewodzenia, popłynie prąd i ładunek zostanie zredukowany. Istnieje stała czasowa związana z rozładowaniem. Duża rezystancja oznacza, że mniejszy prąd będzie płynął przez dłuższy czas. Niski opór spowoduje znacznie szybsze rozładowanie.

Oczywiście poziomy napięcia i prądu, które są produkowane zależą od wielu różnych czynników. Rozmiar osoby, poziom aktywności, obiekt, przeciwko któremu wyładowanie jest wykonane, i oczywiście wilgotność powietrza. Wszystkie te czynniki mają wyraźny wpływ, więc jest prawie niemożliwe, aby przewidzieć dokładny rozmiar wyładowań, które wystąpią.

Jednakże jednym z głównych czynników, który wpływa na napięcia, które są produkowane jest rodzaj materiału, który jest pocierany razem. Stwierdzono, że różne materiały dają różne napięcia. Wytwarzane napięcie zależy od pozycji dwóch materiałów w szeregu znanym jako szereg tribo-elektryczny.

Seria trioelektryczna

Im dalej od siebie są w szeregu, tym większe jest napięcie. Ten, który jest wyżej w szeregu otrzyma ładunek dodatni, a ten niżej ujemny. Patrząc na poniższą listę szeregów tryboelektrycznych można zauważyć, że czesanie włosów plastikowym grzebieniem spowoduje powstanie dodatniego ładunku na włosach, a grzebień naładuje się ujemnie.

Istnieje wiele sposobów, w jaki ładunki mogą się gromadzić. Nawet chodzenie po dywanie może powodować powstawanie bardzo dużych napięć. Zazwyczaj może to spowodować powstanie potencjałów rzędu 10 kV. W złych przypadkach może to prowadzić nawet do potencjałów trzykrotnie większych od tej wartości. Nawet samo chodzenie po winylowej podłodze może prowadzić do powstania potencjałów rzędu 5 kV. W rzeczywistości każda forma ruchu, w której powierzchnie ocierają się o siebie, prowadzi do generowania elektryczności statycznej. Ktoś pracujący przy stanowisku z elementami elektronicznymi może z łatwością wygenerować potencjał statyczny 500 V lub więcej.

Praktyczne przykłady ESD

Jednym z najbardziej widocznych przykładów generowania ładunków jest chodzenie po pokoju. Nawet to codzienne zdarzenie może generować zaskakująco wysokie napięcia. Rzeczywiste napięcia różnią się znacznie w zależności od wielu czynników, ale można podać szacunkowe wartości, aby zobrazować zakres problemu.

Aby zilustrować zakres problemu, w poniższej tabeli przedstawiono różne przypadki:

* Są to dane przybliżone i zakładają wilgotność względną do 25%. Wraz ze wzrostem wilgotności, poziomy te spadają: przy wilgotności około 75%, poziomy statyczne mogą spaść o współczynnik 25 lub więcej. Wszystkie te liczby są bardzo przybliżone, ponieważ są bardzo zależne od konkretnych warunków, ale dają rząd wielkości wskazówek co do poziomów ESD, których należy się spodziewać.

Ale chociaż wyładowania elektrostatyczne wydają się bardzo wysokie, zwykle pozostają niezauważone. Najmniejsze wyładowanie elektrostatyczne, które może być odczuwalne to około 5kV, a nawet wtedy ta wielkość wyładowania może być odczuwalna tylko w sporadycznych przypadkach. Wynika to z faktu, że nawet jeśli powstające prądy szczytowe są bardzo wysokie, to trwają one bardzo krótko i ciało ich nie wykrywa, ponieważ ładunek za nimi stojący jest stosunkowo niewielki. Napięcia o tej wielkości pochodzące z urządzeń elektronicznych lub elektrycznych, gdzie więcej prądu może być źródłem i to przez znacznie dłuższy czas, będą miały znacznie większy wpływ i mogą być bardzo niebezpieczne.

Przenoszenie ładunków statycznych

Istnieje kilka sposobów, w jaki ładunki statyczne mogą być przenoszone na urządzenia półprzewodnikowe, powodując uszkodzenia ESD. Najbardziej oczywistym jest dotknięcie ich przez przedmiot, który jest naładowany i przewodzi prąd. Najbardziej oczywistym tego przykładem może być sytuacja, gdy półprzewodnik znajduje się na stole roboczym i ktoś idzie po podłodze, gromadząc ładunek, a następnie podnosi go.

Naładowany palec przekazuje ładunek statyczny bardzo szybko do półprzewodnika z możliwością uszkodzenia. Narzędzia mogą być jeszcze bardziej szkodliwe. Metalowe śrubokręty są jeszcze bardziej przewodzące i przekazują ładunek jeszcze szybciej, co powoduje wyższe poziomy prądu szczytowego.

Jednakże nie jest konieczne dotykanie komponentów, aby je uszkodzić. Przedmioty takie jak plastikowe kubki przenoszą bardzo duży ładunek, a umieszczenie jednego z nich w pobliżu układu scalonego może „indukować” przeciwny ładunek w układzie scalonym. To również może spowodować uszkodzenie urządzenia półprzewodnikowego. Krawaty wykonane z włókien sztucznych również stanowią zagrożenie ESD, ponieważ mogą się naładować i łatwo zawisnąć w pobliżu wrażliwego sprzętu elektronicznego.

Mechanizmy uszkodzeń ESD

Istnieje wiele sposobów, w jakie ESD może uszkodzić elementy półprzewodnikowe. Najbardziej oczywisty wynika z bardzo wysokiego napięcia statycznego, powodującego wysoki poziom prądu szczytowego, który może spowodować lokalne przepalenie. Nawet jeśli prąd płynie przez bardzo krótki okres czasu, niewielkie rozmiary elementów w układzie scalonym powodują, że uszkodzenie jest bardzo łatwe do spowodowania. Połączenia między przewodami lub obszary w samym układzie scalonym mogą zostać stopione przez wysoki prąd szczytowy.

Innym sposobem, w jaki mogą wystąpić uszkodzenia w wyniku ESD jest sytuacja, w której wysoki poziom napięcia powoduje awarię komponentu w samym urządzeniu. Może to spowodować rozerwanie warstwy tlenku w urządzeniu, czyniąc je niezdolnym do pracy. Przy wymiarach niektórych układów scalonych znacznie mniejszych niż mikron, trudno się dziwić, że nawet stosunkowo niskie napięcia mogą powodować awarie.

Pomimo, że uszkodzenia spowodowane ESD mogą natychmiast zniszczyć urządzenia, możliwe jest również, aby tworzyły one tak zwane ukryte awarie. Dzieje się tak dlatego, że ESD nie niszczy całkowicie urządzenia, ale spowodowane uszkodzenia jedynie je osłabiają, pozostawiając ryzyko uszkodzenia w późniejszym okresie eksploatacji. Tych ukrytych uszkodzeń zazwyczaj nie można wykryć. W rezultacie ogólny poziom niezawodności jest znacznie obniżony, lub (bardziej w przypadku urządzeń analogowych) wydajność może ulec pogorszeniu. Ukryte usterki spowodowane przez ESD mogą być bardzo kosztowne, ponieważ naprawa elementu w trakcie jego eksploatacji jest znacznie bardziej kosztowna niż naprawa elementu, który uległ awarii w fabryce. Powodem tego jest fakt, że technik naprawczy zazwyczaj musi naprawić element na miejscu lub musi on zostać wysłany do zakładu naprawczego.

Awarie utajone mogą być spowodowane, gdy połączenie jest częściowo przetopione przez ESD. Często część przewodnika jest zniszczona przez wyładowania elektrostatyczne, pozostawiając go podatnym na uszkodzenia w późniejszym czasie. Innym sposobem uszkodzenia chipów jest rozprzestrzenienie się materiału powstałego w wyniku uszkodzenia na powierzchni półprzewodnika, co może skutkować powstaniem alternatywnych ścieżek przewodzenia.

W wyniku tego, że komponenty mogą być łatwo uszkodzone przez ESD, większość producentów traktuje wszystkie półprzewodniki jako urządzenia wrażliwe na wyładowania elektrostatyczne, a wraz z tym wielu traktuje wszystkie urządzenia, w tym elementy pasywne, takie jak kondensatory i rezystory, jako również wrażliwe na wyładowania elektrostatyczne. Patrząc na to należy pamiętać, że większość masowo produkowanych urządzeń używa dziś komponentów do montażu powierzchniowego, których wymiary są znacznie mniejsze niż tradycyjnych komponentów, co czyni je znacznie bardziej podatnymi na uszkodzenia spowodowane ESD.

Więcej pomysłów konstrukcyjnych & Pojęcia:
Lutowanie SMT lutowanie komponentów ESD – Electro-Static Discharge Produkcja PCB Montaż PCB
Powrót do menu Techniki konstrukcyjne . . .