Guinguette Marais Poitevin

Le tutoriel ESD comprend :
Les bases de l’ESD Comment l’ESD affecte les composants électroniques Se protéger contre l’ESD Zone protégée ESD Banc de travail ESD Tapis de travail ESD Bracelet ESD Vêtements ESD Stockage ESD Processus ESD sur un budget Conception pour combattre l’ESD

La décharge électrostatique ou ESD est un fait de la vie quotidienne et elle revêt une importance particulière dans l’industrie électronique de nos jours.

Il y a des années, lorsque les valves thermioniques / tubes à vide étaient utilisées, ce n’était pas un problème, et même avec l’introduction des transistors, peu de personnes considéraient cela comme un problème. Cependant, lorsque les MOSFET ont été introduits, leurs taux de défaillance ont augmenté, le problème a été étudié et il a été constaté que l’accumulation d’électricité statique était suffisante pour provoquer la défaillance de la couche d’oxyde du dispositif.

Depuis lors, la sensibilisation à l’ESD a considérablement augmenté car il a été démontré qu’elle avait un effet sur de nombreux dispositifs. En fait, de nombreux fabricants considèrent aujourd’hui que tous les composants sont sensibles à l’électricité statique, et pas seulement les dispositifs MOS qui sont les plus susceptibles d’être endommagés.

En raison de l’importance accordée à l’ESD, les fabricants d’équipements électroniques dépensent plusieurs milliers de livres pour s’assurer que leurs lieux de travail sont protégés contre les effets de l’électricité statique. Ils veillent à ce que les produits qu’ils fabriquent ne présentent pas de taux de défaillance élevé lors du test de fabrication et soient capables de démontrer une grande fiabilité sur une longue période.

Qu’est-ce que l’ESD ?

La statique est simplement l’accumulation de charges entre deux surfaces. Elle se produit lorsque des surfaces frottent l’une contre l’autre, ce qui entraîne un excès d’électrons sur une surface et un déficit sur l’autre.

Les surfaces sur lesquelles la charge s’accumule peuvent être considérées comme un condensateur. La charge reste en place à moins qu’elle ne dispose d’un chemin par lequel elle peut circuler. Comme il n’y a souvent aucun chemin réel par lequel la charge peut circuler, la tension résultante peut rester en place pendant un certain temps, ce qui donne lieu au terme « électricité statique ».

En revanche, lorsqu’un chemin de conduction existe, un courant circule et la charge se réduit. Il y a une constante de temps associée à la décharge. Une résistance élevée signifiera qu’un courant plus faible circulera pendant un temps plus long. Une faible résistance donnera lieu à une décharge beaucoup plus rapide.

Evidemment, les niveaux de tension et de courant qui sont produits dépendent d’une grande variété de facteurs. La taille de la personne, son niveau d’activité, l’objet contre lequel la décharge est effectuée, et bien sûr l’humidité de l’air. Tous ces facteurs ont un effet prononcé, il est donc presque impossible de prédire la taille exacte des décharges qui se produiront.

Cependant, l’un des principaux facteurs qui affecte les tensions produites est le type de matériaux qui sont frottés ensemble. On constate que différents matériaux donnent des tensions différentes. La tension produite dépend de la position des deux matériaux dans une série connue sous le nom de série tribo-électrique.

Série tribo-électrique

Plus ils sont éloignés dans la série, plus la tension est élevée. Celui qui est plus haut dans la série recevra une charge positive, et celui qui est plus bas une charge négative. En regardant la liste de la série tribo-électrique ci-dessous, on peut voir que peigner ses cheveux avec un peigne en plastique donnera lieu à une charge positive sur les cheveux, et le peigne deviendra chargé négativement.

Il existe de nombreuses façons d’accumuler des charges. Même marcher sur un tapis peut donner lieu à des tensions très importantes. Typiquement, cela pourrait donner lieu à des potentiels de 10 kV. Dans de mauvais cas, cela peut même conduire à des potentiels de trois fois cette valeur. Même le fait de marcher sur un sol en vinyle peut générer des potentiels d’environ 5 kV. En fait, toute forme de mouvement où les surfaces se frottent l’une contre l’autre entraînera la génération d’électricité statique. Une personne travaillant à un établi en utilisant des composants électroniques pourrait facilement générer des potentiels statiques de 500 V ou plus.

Exemples pratiques d’ESD

L’un des exemples les plus couramment visibles de génération de charge est le fait de traverser une pièce en marchant. Même cette occurrence quotidienne peut générer des tensions étonnamment élevées. Les tensions réelles varient considérablement en fonction d’une variété de facteurs, mais des estimations peuvent être données pour illustrer l’étendue du problème.

Pour illustrer l’étendue du problème, une variété de cas sont détaillés dans le tableau ci-dessous :

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* Ces chiffres sont approximatifs et supposent une humidité relative allant jusqu’à 25%. Plus l’humidité augmente, plus ces niveaux baissent : avec une humidité d’environ 75 %, les niveaux statiques peuvent baisser d’un facteur très approximatif de 25 ou plus. Tous ces chiffres sont très approximatifs, car ils dépendent beaucoup des conditions particulières, mais ils donnent un ordre de grandeur indicatif des niveaux d’ESD à prévoir.

Bien que les résultant de l’ESD semblent très élevés, ils passent généralement inaperçus. La plus petite décharge électrostatique qui peut être ressentie est d’environ 5kV, et même dans ce cas, cette magnitude de décharge peut n’être ressentie qu’occasionnellement. En effet, même si les courants de pointe qui en résultent sont très élevés, ils ne durent que très peu de temps et le corps ne les détecte pas car la charge qui les sous-tend est relativement faible. Des tensions de cette ampleur provenant d’équipements électroniques ou électriques où le plus de courant peut être source et pendant beaucoup plus longtemps auront un effet beaucoup plus important et peuvent être très dangereux.

Transfert statique

Il existe plusieurs façons de transférer des charges statiques aux dispositifs semi-conducteurs, ce qui entraîne des dommages dus aux ESD. La plus évidente est lorsqu’ils sont touchés par un élément qui est chargé et conducteur. L’exemple le plus évident se produit éventuellement lorsqu’un semi-conducteur se trouve sur une table de travail et que quelqu’un marche sur le sol en accumulant une charge, puis le ramasse.

Le doigt chargé transmet alors très rapidement la charge statique au semi-conducteur avec la possibilité d’un dommage. Les outils peuvent éventuellement être encore plus nocifs. Les tournevis en métal sont encore plus conducteurs et transmettent la charge encore plus rapidement, ce qui entraîne des niveaux plus élevés de courant de pointe.

Cependant, il n’est pas nécessaire de toucher les composants pour les endommager. Des objets tels que des gobelets en plastique portent une charge très élevée, et en placer un près d’un CI peut « induire » une charge opposée dans le CI. Cela aussi peut endommager le dispositif semi-conducteur. Les cravates en fibre synthétique constituent également un risque d’ESD, car elles peuvent se charger et s’accrocher facilement près d’un équipement électronique sensible.

Mécanismes de défaillance de l’ESD

Il existe un certain nombre de façons dont l’ESD peut endommager les composants semi-conducteurs. La plus évidente résulte de la tension statique très élevée, donnant lieu à des niveaux élevés de courant de pointe qui peuvent provoquer un grillage local. Même si le courant circule pendant une très courte période, la taille infime des caractéristiques du circuit intégré permet de provoquer très facilement des dommages. Les liaisons filaires d’interconnexion ou les zones de la puce elle-même peuvent être fusionnées par le courant de pointe élevé.

Une autre façon dont les dommages peuvent se produire à la suite d’une ESD est lorsque le niveau élevé de tension provoque une rupture dans un composant du dispositif lui-même. Elle peut rompre une couche d’oxyde dans le dispositif, rendant ce dernier inopérant. Les dimensions de certains circuits intégrés étant bien inférieures au micron, il n’est guère surprenant que même des tensions relativement faibles puissent provoquer un claquage.

Si les dommages causés par les ESD peuvent détruire instantanément les dispositifs, il leur est également possible de créer ce que l’on appelle des défaillances latentes. Cela se produit parce que les ESD ne détruisent pas complètement le dispositif, mais les dommages causés ne font que l’affaiblir, ce qui le rend susceptible de tomber en panne plus tard dans sa vie. Ces défauts latents ne peuvent généralement pas être détectés. Le résultat est que le niveau global de fiabilité est considérablement réduit, ou (plus dans le cas des dispositifs analogiques) les performances peuvent être dégradées. Les défaillances latentes causées par les décharges électrostatiques peuvent être très coûteuses, car la réparation d’un article en service est beaucoup plus coûteuse que la réparation d’un article qui est tombé en panne en usine. La raison en est qu’un technicien de réparation doit normalement réparer l’article sur place, ou bien il doit être expédié vers un centre de réparation.

Les défaillances latentes peuvent être causées lorsqu’une interconnexion est partiellement fusionnée par une ESD. Souvent, une partie du conducteur a été détruite par la décharge statique, ce qui le rend vulnérable par la suite. Une autre façon dont les puces sont endommagées est lorsque le matériau résultant des dommages est répandu sur la surface du semi-conducteur, ce qui peut entraîner des chemins de conduction alternatifs.

En raison du fait que les composants peuvent être facilement endommagés par les ESD, la plupart des fabricants traitent tous les semi-conducteurs comme des dispositifs sensibles à l’électricité statique, et parallèlement à cela, beaucoup traitent tous les dispositifs, y compris les composants passifs comme les condensateurs et les résistances, comme étant également sensibles à l’électricité statique. En examinant cela, il faut se rappeler que la plupart des équipements produits en masse aujourd’hui utilisent des composants montés en surface dont les dimensions sont beaucoup plus petites que les composants traditionnels, ce qui les rend beaucoup plus susceptibles d’être endommagés par les ESD.

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