Układy elektroniczne są sukcesywnie miniaturyzowane. Coraz mniejsze wymiary oraz wzrost upakowania elementów w strukturze półprzewodnikowej powoduje, że układy stają się bardziej wrażliwe na wyładowania elektrostatyczne. Zabezpieczenie ich przed skutkami takich wyładowań przynosi wymierne korzyści skutkujące obniżeniem kosztów produkcji (mniej wadliwych podzespołów), podwyższeniem jakości produktu oraz zwiększeniem zadowolenia potencjalnych klientów.
Wskutek zmniejszania się wymiarów układów elektronicznych wzrasta ich wrażliwość na wyładowania elektrostatyczne ESD lub wystąpienie przepięć. Wzrastające wymagania zabezpieczeń podzespołów przed ESD powodują zwiększenie kosztów ich produkcji. W związku z tym część firm produkujących podzespoły elektroniczne zgłosiła potrzebę obniżenie wysokich wymagań bezpieczeństwa ESD. Zmniejszenie wymagań ESD dla podzespołów wymusi na producentach systemów elektronicznych zwiększenie nakładów na zabezpieczenie własnych linii produkcyjnych.
CO TO WŁAŚCIWIE JEST ESD?
Rozładowanie elektrostatyczne ESD (Electro-Static Discharge) polega na przepływie ładunków między obiektami o różnych potencjałach elektrycznych. Ładunki elektrostatyczne powstają, gdy dwa różne materiały są wzajemnie pocierane lub gdy są zbliżone. Do powstawania ładunków elektrycznych przyczyniają się m.in.: chodzenie po syntetycznej podłodze, pocieranie syntetycznych części ubrań, przesuwanie plastikowych pojemników, rozwijanie taśmy samoprzylepnej, itp. Powstałe wskutek tego napięcie elektrostatyczne charakteryzuje się dużą wartością.
W typowym środowisku pracy przekracza 10 kV, ale przy małej wilgotności powietrza (poniżej 20%) może wynosić nawet 30 kV. Zbliżenie dwóch obiektów o różnych potencjałach powoduje przeskok ładunku w kierunku od potencjału ujemnego do potencjału dodatniego (rys. 1). Uszkodzenia powstałe przy niepożądanym „przeskoku” ładunków elektrostatycznych można podzielić na dwa rodzaje:
Pierwszym z nich jest tzw. uszkodzenie twarde. Jest to uszkodzenie, którego skutki ujawniają się natychmiastowo.
Urządzenie jest niezdatne do dalszego użytkowania (jest to uszkodzenie trwałe) i nie przechodzi testów jakościowych.
Drugim jest uszkodzenie miękkie. Urządzenie najczęściej przechodzi pomyślnie testy jakościowe w fabryce i jest zdatne do dalszego użytkowania, jednak jego parametry użytkowe są gorsze od typowych. Skutki uszkodzenia miękkiego mogą się ujawnić w trakcie eksploatacji urządzenia przez klienta. Urządzenie może być awaryjne lub nawet ulec trwałemu uszkodzeniu w krótkim czasie.
Istotnym problemem staje się więc odpowiednie zabezpieczenie zarówno samego układu elektronicznego jak i miejsca pracy, w którym są użytkowane podzespoły i produkowane układy wrażliwe na ESD. Uszkodzenia mogą bowiem powstać na każdym z etapów: produkcji, testowania, składowania, pakowania, transportu oraz użytkowania.
MATERIAŁY I ZABEZPIECZENIA ESD
Do zabezpieczenia przed ESD stosuje się materiały osłaniające, przewodzące, rozpraszające ładunki oraz materiały izolacyjne. Materiały te klasyfikowane są według ich rezystancji powierzchniowej. Do materiałów osłaniających przed ESD zaliczane są materiały o rezystancji powierzchniowej (tzw. rezystancja na kwadrat – rezystancja kwadratowego wycinka materiału) mniejszej od 1 kV.
Przykładem elementu osłaniającego przed rozładowaniami ESD jest klatka Faradaya, która tłumi oraz osłabia energię pola elektrycznego. Materiałami osłaniającymi najczęściej stosowanymi są metale oraz węgiel. Zadaniem materiałów przewodzących (rezystancja powierzchniowa mniejsza od 100 kV) jest szybkie przemieszczanie ładunku przez materiał do uziemienia.
Materiały rozpraszające ładunki są definiowane jako takie, których rezystancja powierzchniowa jest z zakresu 105…1012 V. Ładunki spływają wolniej do uziemienia niż w przypadku materiałów przewodzących, ale wskutek tego następuje zmniejszenie niebezpiecznego, wysokiego potencjału elektrycznego.
Materiały izolacyjne, to materiały o rezystancji powierzchniowej większej od 1012 V. Ponieważ takie materiały są trudne do uziemienia, ładunki elektrostatyczne przez długi czas pozostają na ich powierzchni. Przykładami materiałów izolacyjnych są: szkło, powietrze, powszechnie stosowane opakowania plastikowe.
ZABEZPIECZENIE PERSONELU
W celu ochrony przed ładunkami elektrostatycznymi o dużej wartości konieczne jest zastosowanie odpowiednich materiałów przewodzących i rozpraszających. Ważne jest również zastosowanie systemu uziemienia wyrównującego potencjał elektryczny podzespołów i personelu. Bezpieczne stanowisko to takie, w którym uziemienie łączy stanowisko pracy z ziemią, w celu wyrównania ich potencjałów. Bardzo ważne jest również przeszkolenie personelu w zakresie stosowania się do zaleceń ochrony elektrostatycznej.
Najważniejszym elementem uziemienia osoby pracującej z podzespołami jest antystatyczna opaska nadgarstkowa esd. Jest ona skutecznym sposobem na odprowadzenie ładunków z ciała. Opaska jest połączona przewodem miedzianym z uziemieniem lub punktem uziemiania, czyli tzw. punktami EBP (Earth Bonding Point). W wielu przypadkach konieczne jest używanie specjalnego, antystatycznego obuwia lub antystatycznej opaski na buty. Aby ochrona ESD była prawidłowa, obuwie powinno mieć kontakt z matą ESD lub uziemioną i przewodzącą podłogą. Podłogi z materiału izolacyjnego utrzymują ładunek na swojej powierzchni, przez co mogą powodować wyładowania elektrostatyczne. Elementem podwyższającym stopień zabezpieczenia ESD jest specjalna antystatyczna odzież robocza. Zaszyte w materiale przewodzące włókna tworzą klatkę Faradaya, dzięki której otrzymujemy ochronę w postaci tłumienia statycznych pól elektrycznych.
Wszystkie części odzieży powinny mieć połączenie elektryczne, co zapewnia odpowiednie odprowadzanie ładunków. Uzupełnieniem zabezpieczeń ESD, zwłaszcza w przypadku szczególnie wrażliwych elementów, są rękawiczki ESD. Niechroniona dłoń nie zapewnia odpowiednio szybkiego odprowadzania ładunków.
WILGOTNOŚĆ POWIETRZA
Jednym z najistotniejszych czynników środowiskowych w ochronie ESD jest względna wilgotność powietrza Rh (relative humidity). Niska wilgotności powietrza (poniżej 30%) sprzyja gromadzeniu ładunków elektrycznych na powierzchni izolatorów (ważnym jest więc pomiar temperatury otoczenia i względnej wilgotności powietrza).
W takich przypadkach stosuje się jonizatory. Stosuje się je również w przypadku, gdy nie jest możliwe zastosowanie uziemienia, poprzez system odpowiedniego okablowania lub gdy to okablowanie uniemożliwia bądź znacząco utrudnia pracę. Jonizatory powietrza działają na zasadzie rozsiewania w atmosferze dodatnich i ujemnych jonów. Jony wchodzą w kontakt z powierzchniami, na których znajdują się dodatnie i ujemne ładunki, dzięki temu niebezpieczne ładunki są neutralizowane. Ochronę jonową można podzielić na lokalną i kompletną.
W ochronie lokalnej stosowane są jonizatory stanowiskowe i pistoletowe (fot. 6). Kontrola kompletna polega na kontroli warunków środowiskowych całego pomieszczenia. Należy zwrócić uwagę na ilość ozonu wytwarzanego przez jonizator. Maksymalny, dopuszczalny poziom wytwarzanego ozonu nie może przekraczać: 0,2 mg/m3.
STREFA EPA
Strefa EPA (ESD Protected Area) jest to przestrzeń, w której nie występują przedmioty lub działania powodujące uszkodzenia urządzeń wrażliwych na ESD. Wszelkie niebezpieczne wyładowania i ładunki są przenoszone poza obszar EPA. W strefie EPA maksymalne, dopuszczalne natężenie pola elektrycznego wynosi 100 V/cm. Ważne jest odpowiednie przygotowanie bezpiecznego stanowiska pracy (fot. 7). Należy z niego usunąć wszystkie zbędne przedmioty, a w szczególności jedzenie, torby, napoje.
Przed wejściem do strefy EPA każda osoba powinna sprawdzić za pomocą testera osobiste wyposażenie uziemiające. Elementy zabezpieczenia ESD należy okresowo sprawdzać. Opaska nadgarstkowa powinna być sprawdzana codziennie, gdyż jest to jeden z kluczowych elementów zabezpieczenia elektrostatycznego personelu. Przegląd okablowania i poprawności połączenia mat z uziemieniem musi być przeprowadzany systematycznie (raz na tydzień). Należy też dbać o czystość powierzchni mat ESD, używając do tego celu specjalistycznych środków. Powszechnie stosowane środki czystości pozostawiają niewidoczną warstwę izolacyjną na powierzchni maty i mogą powodować gromadzenie ładunków elektrycznych. Zalecenia dotyczące systemów ochrony ESD zawarte są w normie IEC 61340-5-1. Pozostałe normy dotyczące zabezpieczeń ESD wymieniono w tab. 2.
BEZPIECZEŃSTWO PODZESPOŁÓW I URZĄDZEŃ
Urządzenia wrażliwe na wyładowania elektrostatyczne powinny być przechowywane z zachowaniem szczególnej ostrożności. Do transportu komponentów najczęściej używane są przewodzące pianki, które zapobiegają powstawaniu różnicy potencjałów większej niż kilka woltów pomiędzy wyprowadzeniami (fot. 8). W przypadku zmontowanych płytek PCB stosuje się rozpraszające lub przewodzące kuwety, tacki lub uchwyty do ich magazynowania (fot. 9). Pojedyncze pakiety elektroniczne przechowuje się w odpowiednich torebkach, które powinny utrzymywać niski poziom ładunku, a więc powinny być zrobione z materiału rozpraszającego lub przewodzącego.
POBIERZ PDF