Elektrostatická rizika pro elektroniku

Pro přepravu elektrostaticky citlivé elektroniky (součástky/sestavy) je nutno použít ANTISTATICKÝ sáček (disipativní polyetylen)

Elektrostatika vykazuje řadu rizik pro elektronické součástky a sestavy. Jde zejména o degradaci, změnu parametrů nebo selhání součástky či sestavy. To může vést k snížení spolehlivosti zařízení i systémů, které obsahují elektronické podsestavy, nepřímo až k ohrožení života.

Příčiny rizik jsou např.:

Poškození elektrostatickým výbojem; poškození ESD (ESD Damage) - poškození elektrostatickým výbojem resp. poškození napětím indukovaným elektrostatickým polem, tj. řadou poruchových mechanismů. Citlivá součástka/sestava se často označuje zkratkou ESDS (ESD sensitive).

Elektrické přetížení (Electrical OverStress, EOS) je působení elektrické energie s parametry, které přesahují (stanovené nebo nestanovené) hodnoty pro polovodičovou součástku atp. EOS nemá stanoveny meze pro napětí, proud nebo frekvenci; poškození EOS tedy zahrnuje poškození ESD jako podmnožinu.

Poškození elektrostatickým polem (Damage by electrostatic field) - Elektrostatické pole vyvolá interní výboj v součástce; proud výboje prochází pouze interní dielektrickou izolační vrstvou, nikoli vnějším obloukovým nebo korónovým výbojem

Dále jsou uvedeny termíny a definice, které souvisí s riziky pro elektroniku.

Generace elektrostatického náboje

Statická elektřina souvisí s jevy, způsobenými nashromážděním elektrického náboje na povrchu různých těles a předmětů a jejich výměnou při vzájemném kontaktu.

Generátory elektrostatického náboje jsou předměty, na kterých se může prostřednictvím elektrizace tělesa vytvářet elektrostatický náboj, např.:

• přenosem náboje
• indukcí v elektrickém poli
• polarizací
• fotoelektrickým jevem
• pyroelektrickým jevem
• piezoelektrickým jevem
• ionizací a adsorpcí iontů
• elektrochemickými procesy

Náboj může vzniknout také triboelektrickým jevem, tj. třením, přesněji dotykem dvou těles a jejich oddělením. Velikost tohoto nabíjení vyjadřuje triboelektrická řada předmětů.

Elektrostatické výboje

Elektrostatický výboj (ESD, z anglického electrostatic discharge) zahrnuje pomalé vybíjení přes rezistor i výboj s průrazem příslušného dielektrika (vzduchu).

Jde o přenos náboje průrazem z materiálu nebo z předmětu s odlišným elektrickým potenciálem vzhledem k nejbližšímu okolí. Rozlišujeme výboje:

• jiskrový je typický výboj pro poškození elektronické součástky atp.
• korónový vzniká obvykle v blízkosti hrotu elektrody, kde lokální intenzita elektrického pole převyšuje průraznou hodnotu vzduchu. Využívá se pro nabíjení povrchů.
• obloukový je charakterizován velkým (stejnosměrným) proudem – např. 100 A až 100 kA. Při této málo pravděpodobné variantě dochází k úplné destrukci elektroniky.
• další typy: trsový výboj, kuželový výboj atp.

Poruchy elektronických součástek související s ESD 

Elektrické namáhání elektroniky vyvolané působením ESD může vyvolat:

• lokalizovanou generaci tepla
• vysokou proudovou hustotu (tlumené zákmity proudu)
• velký gradient elektrického pole

Takové namáhání může způsobit poruchu, např.:

• selhání součástky
• trvalou změnu parametrů
• latentní poškození

Související dominantní mechanismy poruch polovodičových součástek:

• průraz oxidu při intenzitě elektrického pole nad 6 až 10 MV/cm,
• poškození PN přechodu (zvýšený svodový proud při opačné polaritě; vytvoření zkratu),
• vypálení metalizace a polysilikonu (propojení kov-polisilikon; tenkovrstvové rezistory).

Mechanismy katastrofických poruch jsou v tomto případě např.:

• vypálení PN přechodu (vytvoření zkratu),
• vypálení (odpaření) metalizace,

Potlačování ESD

Program potlačování ESD  (ESD control program) musí být součástí Komplexního řízení kvality (Total Quality Management, TQM). Dále jsou uvedeny komponenty programu potlačování ESD.

Prostory z pohledu výroby/servisu elektroniky:

• Vyhrazený prostor ESD (ESD Protected Area, EPA) - prostor chráněný proti ESD, kde lze manipulovat s ESDS při přijatelném riziku poškození.
• Prostory s potlačovanou kontaminací (contamination controlled areas) jsou tzv. čisté prostory, které často zahrnují prostory, kde lze manipulovat s ESDS.
• Nechráněný prostor (UnProtected Area, UPA) - mimo prostor EPA.

Předměty pro potlačování ESD (ESD control items), např.:

• Elektrostaticky disipativní obuv (electrostatic dissipative footwear) - obuv, která vykazuje rezistanci 10⁵ až 10⁸ ohmů.
• Elektrostaticky vodivá obuv (electrostatic conductive footwear) - vykazuje rezistanci < 10⁵ ohmů.
• Náramek (wrist strap) sestává z pásku, který těsně obepíná zápěstí a zemnícího kabelu, který připojuje náramek k uzemňovací svorce.
• ESD podlaha (ESD floor) - podlahová krytina vyhovující požadavkům programu pro potlačování ESD.
• Propojení (bonding) - pospojování vodivých předmětů, které jsou navzájem izolovány, pomocí vodiče (všechny vodivé předměty jsou na stejném potenciálu).

ESD ochranné obaly (ESD protective packaging) pro citlivé součástky podle rezistance  rozlišujeme:

ESD ochranné obaly jsou vyráběny v různých provedeních.

• vodivé (do 10⁴ Ω),
• stínící před výbojem (do 10³ Ω),
• disipativní (10⁴ Ω až 10¹¹ Ω) a
• izolační (nad 10¹¹ Ω)

Materiály používané při výrobě/servisu elektroniky:

• Obal blízký (proximity packaging) není v přímém kontaktu s ESDS. Obsahuje více než jednu ESDS.
• Obal sekundární (secondary packaging) poskytuje další fyzickou ochranu.
• Obal vnitřní (intimate packaging) je v přímém kontaktu s ESDS.

Uzemňovací rozvod prostoru EPA (EPA ground facility).

Uzemňovací svorka prostoru EPA (EPA ground Bonding Point, EBP).

Výstražné/varovné štítky na ESD pracovišti (ESD workstation warning labels).

Značka ESD (ESD symbol) - na všech ESD obalech a výstražných štítcích.

Simulace elektrostatických výbojů

• Model lidského těla (Human Body Model, HBM) - odpovídá situaci ruční manipulace s citlivými součástkami.
• Model nabité součástky (Charged Device Model, CDM) - náboj může být např. indukován polem a vybíjí se do okolních součástek.
• Model strojový (Machine Model, MM) simuluje výboj z velkého kovového předmětu, jako jsou např. díly osazovacího stroje.

Měření charakteristik

CDM odolnost (CDM withstand) - odolnost při zkoušení podle modelu CDM.

Citlivost podle HBM s napětím nižším než 100 V (HBM sensitivity less than 100 V).

Elektromagnetické rušení (ElectroMagnetic Disturbance, EMD) - rušení parazitně generované výbojem resp. „sousedním“ předmětem.

ESD výdržné napětí (ESD withstand voltage) - ještě nezpůsobí selhání.

Hustota povrchového náboje (Surface charge density, pC/cm²).

Monitor s nabitou deskou (Charged Plate Monitor, CPM) - měří neutralizaci náboje atp.

Pokles náboje (charge decay) může být vyvolán migrací náboje po povrchu tělesa nebo jeho objemem, což vede k poklesu povrchové nebo objemové hustoty náboje.

Poškození (damage) zahrnuje degradaci, změnu parametrů nebo selhání součástky/sestavy.

Prahová napěťová citlivost sestavy ESDS (ESDS threshold voltage sensitivity of an assembly) - odpovídá nejcitlivější součástce v sestavě.

Rezistance (resistance) je vyjádřena poměrem napětí/proud. Rozlišuje se: 

• objemová rezistance (volume resistance),
• povrchová rezistance (surface resistance),
• rezistance mezi dvěma body (point-to-point resistance) a
• rezistance k zemi (resistance to ground).

Systém obuv-podlaha ( footwear-flooring system) je sestava, na které se sleduje vznik napětí na osobě, která chodí po podlaze.

Další související termíny a definice

ESDA (ESD Association) - asociace zaměřená na potlačování ESD; mj. vydává řadu dokumentů, norem a specifikací z této problematiky.

Galerie

• 
  Triboelektrické nabíjení při jízdě na klouzačce -Vlasy nabity kladně a navzájem se odpuzují
• 
  Elektrostatická indukce - Nabitá tyč se přiblíží k ELEKTROSKOPU a indukce způsobí separaci náboje; zlaté lístky uvnitř získaly kladný náboj a odpuzují se
• 
  Varovný štítek - elektrostaticky citlivá součástka/zařízení
• 
  Varovný štítek na materiálu, který chrání jiné předměty před ESD
• 
• 
  Náramek musí používat montážní pracovník; náramek je kabelem připojen k uzemňovací svorce stolu
• 
  Testování Set Top Boxu na odolnost proti ESD
• 
  ESD pistole; Simulátor ESD
• 
  Porucha elektroniky - Přehřátý integrovaný obvod

Odkazy

Reference

V tomto článku byly použity překlady textů z článků Electrostatics na anglické Wikipedii, Elektrostatik na německé Wikipedii a Failure of electronic components na anglické Wikipedii.

Literatura

• ČSN EN 61340 Elektrostatika – Části 1 až 5-3
• ČSN 332030 Elektrostatika - Směrnice pro vyloučení nebezpečí od statické elektřiny
• CLC/TR 50404 Electrostatics - Code of practice for avoidance of hazards due to static electricity
• ESDA, White Paper 1: A Case for Lowering Component Level HBM/MM ESD Specifications and Requirements
• ESDA, White Paper 2: A Case for Lowering Component Level CDM ESD Specifications and Requirements, 2010
• ESDA, White Paper 3: System Level ESD, 2010
• Ochrana elektroniky před elektrostatickými jevy – Terminologie, DPS-AZ, 2013
• Simulace elektrostatických výbojů  – Terminologie, DPS-AZ, 2015