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