Guida dettagliata per la scelta della dotazione ESD ottimale

Guida dettagliata per la scelta della dotazione ESD ottimale

La scarica elettrostatica (Electrostatic Discharge, ESD) è un flusso improvviso di corrente elettrica tra due oggetti caricati in modo diverso. Si verifica quando lo scambio di elettroni crea un grande campo elettrostatico che si accumula ed è estremamente problematica in un ambiente di produzione ad alta tecnologia.

L’elettricità statica e l’induzione elettrostatica sono le cause più comuni di ESD. Per evitarle, è necessario seguire le procedure e utilizzare il materiale di schermatura corretto per ridurre o eliminare la corrente elettrica.

Esistono due tipi di rischio per le apparecchiature elettroniche:

1. Guasto catastrofico: provoca un danno permanente come la fusione del metallo, la rottura di giunzioni oppure guasti per ossidazione e di solito è facile da rilevare al momento dell’ispezione.                                             
2. Difetto latente: provoca un parziale degrado. Il dispositivo continuerà normalmente a funzionare e il guasto potrebbe essere più difficile da rilevare. Tuttavia, il degrado parziale tende a provocare guasti intermittenti o, sul lungo periodo, guasti permanenti.

In che modo è possibile assicurare la protezione ESD?

La protezione ESD è importante nei processi di produzione, di spedizione e operativi.

Poiché la gamma di dispositivi di protezione ESD è ampia, è importante scegliere l’opzione giusta per la propria applicazione. Un dispositivo inappropriato risulterà inefficace ed è probabile che interferisca con il normale funzionamento del circuito. Un dispositivo ESD ottimale deve:

• Reagire rapidamente per arrestare picchi di corrente e tensione pericolosi durante gli eventi ESD.
• Resistere a scariche elettrostatiche ripetitive.
• Non essere di disturbo alla funzionalità del sistema che sta proteggendo.

I dispositivi di protezione ESD servono a proteggere i prodotti e le apparecchiature elettroniche sensibili dalle ESD durante lo stoccaggio e il transito e a prevenire l’accumulo di elettricità statica e la contaminazione da polvere o umidità. I tipi di protezione ESD includono:

1. Imballaggio e stoccaggio

• Buste schermanti statiche
• Buste antistatiche rosa
• Buste antistatiche a bolle d’aria
• Scatole
• Pellicole e nastri

2. Accessori ESD

Questa categoria comprende una serie di dispositivi ESD che possono essere utilizzati per fornire ulteriore protezione. Include, tra gli altri:

• Pinzette ESD
• Pinze ESD
• Etichette/segnaletica ESD

3.  Sistemi di messa a terra

I sistemi di messa a terra vengono utilizzati per la messa a terra in sicurezza di chiunque lavori con apparecchiature elettroniche sensibili. I prodotti di messa a terra permettono di prevenire l’accumulo di elettricità statica, riducendo l’ESD. Esempi di sistemi di messa a terra ESD includono:

• Conduttori di scarico a terra
• Tester di scarico a terra
• Tappetini di scarico a terra
• Moduli di messa a terra
• Ionizzatori
• Bracciali

Considerazioni sulla scelta della dotazione ESD ottimale

1. Capire dove è possibile che si verifichi una scarica, per determinare il livello di protezione necessario per il dispositivo.Nel valutare il livello di protezione necessario, è possibile attenersi a tre standard per stabilire l’immunità complessiva dei circuiti integrati (CI) alle ESD.

• Contatto umano – Modello del corpo umano –  Questo modello simula l’ESD di un essere umano su un componente elettrico. Una persona, camminando o muovendosi, può accumulare elettricità statica, che viene poi scaricata attraverso il circuito integrato.
• Uso normale del dispositivo – Modello dispositivo caricato (Charged Device Model, CDM) –  Il test CDM simula il modo in cui un dispositivo agisce quando il dispositivo stesso ha una carica elettrostatica e viene a contatto con una superficie metallica. Si tratta del caso più comune di scarica elettrostatica. Lo scarico del CDM dipende in gran parte dalle dimensioni e dal tipo di pacchetto di componenti.
• Altre attrezzature – Modello della macchina –  Simula la scarica di elettricità statica accumulata da macchine e apparecchiature.

Modello	HBM	MM	CDM
Livelli di test	2,4,8 and 15kV	100,150 and 200V	250, 500, 750 and 1000V
Corrente di picco (A)	1.5	+3	5 to 6
Ampiezza impulso (nsec)	Circa 150	Circa 80	Circa 1
Tempo di salita	2…10 nsec	Circa 1 nsec	Inferiore a 400 psec
Guasti ESD tipici	Danni alla giunzione, penetrazione del metallo, fusione del metallo, picco dei contatti e danni all’ossido di gate	Danni alla giunzione, fusione del metallo e danni all’ossido di gate	Danni all’ossido di gate, intrappolamento di carica e danni alla giunzione

Tabella 1: Test ESD a confronto
2. Stabilire cosa/chi si intende proteggere.

Cosa intendi proteggere?

Al fine di fornire una protezione ESD efficace, è necessario identificare tutti gli elementi gestiti che sono sensibili all’ESD e che richiedono protezione. Ad esempio, i dispositivi di protezione ESD esterni sono ideali per interfacce particolarmente sensibili ai danni da scariche elettrostatiche, ma potrebbero non essere adatti a sistemi su un chip (System on a Chip, SoC).

Le dimensioni del luogo di lavoro e la natura del lavoro svolto determineranno anche i requisiti di messa a terra per ESD di un’azienda. In genere, ambienti di lavoro più piccoli aderiranno ai requisiti ESD di base, mentre le strutture più grandi dovranno seguire requisiti di messa a terra più rigorosi.

In un ampio ambiente di lavoro, potrebbe essere necessaria la creazione di un’area protetta da ESD (ESD protected area, EPA), in cui superfici, oggetti, persone e dispositivi ESD vengono mantenuti allo stesso potenziale elettrico. Questo risultato si ottiene nei seguenti modi:

• Messa a terra di tutti i conduttori (comprese le persone).
• Rimozione di tutti gli isolanti (direttamente o sostituendoli con un’alternativa ESD).
• Utilizzo di uno ionizzatore per neutralizzare gli isolanti essenziali.

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Chi intendi proteggere?

La messa a terra è una forma essenziale di protezione, in quanto garantisce un funzionamento sicuro delle apparecchiature e protegge gli utenti dalle scariche elettrostatiche. Tutti i componenti di un’area di lavoro devono essere messi a terra, inclusi piani di lavoro, personale e attrezzature. Il tipo di sistema di messa a terra utilizzato dipende dal lavoratore per cui è richiesto. Ad esempio, coloro che svolgono il loro lavoro seduti dovrebbero usare un bracciale mentre quelli che lavorano in piedi dovrebbero usare un sistema di messa a terra per i piedi.

In alcune situazioni, potrebbe essere applicabile una combinazione di entrambe le soluzioni.Inoltre, la migliore protezione ESD per un utente in un ambiente di produzione differirà dalla protezione necessaria per chi lavora da remoto. I tecnici dell’assistenza sul campo, ad esempio, avranno bisogno di apparecchiature portatili in grado di fornire un’ampia protezione per compensare l’assenza di un ambiente EPA.  

3. Calcolare le specifiche di protezione ESD necessarie.

Una volta individuato il soggetto per cui è richiesta la protezione, sarà quindi necessario garantire che venga scelta l’attrezzatura ESD con specifiche appropriate. I fattori da considerare includono:

Capacità

La capacità di un componente o di un circuito di raccogliere e immagazzinare energia sotto forma di carica elettrica. Con l’aumentare della frequenza del segnale, l’effetto della capacità cambia. Una discrepanza tra la capacità di un soppressore e la velocità del segnale di un circuito può causare il degrado del segnale. Idealmente, dovrebbe essere stabilita la capacità massima per il diodo senza interferenza con il segnale dell’interfaccia

Per aumentare la capacità, i conduttori possono essere posizionati più vicini tra loro e possono essere utilizzate piastre più grandi con una maggiore superficie. Inoltre, possono essere aggiunti condensatori come protezione ESD, per deviare o immagazzinare la carica.

Tensione di bloccaggio ESD

Determina il livello di sicurezza che un diodo di protezione può garantire. Ridurre la tensione a cui un circuito integrato sarà esposto in caso di scarica elettrostatica è essenziale per la protezione dei componenti più sensibili del circuito. I dispositivi che hanno una bassa tensione di bloccaggio, quindi, tendono ad essere più efficaci.

Corrente di dispersione

La corrente di dispersione è la quantità di corrente che passa attraverso il soppressore ESD durante il normale funzionamento del circuito. Questa considerazione è di particolare importanza per applicazioni alimentate a batteria. In questi casi, sono preferibili soppressori che consentano la minima dispersione possibile in modo da non aumentare il tempo di scarica della batteria.

Tensione operativa del sistema

I soppressori hanno varie specifiche di tensione operativa del sistema, in base alla loro costruzione. Queste specifiche determinano l’idoneità delle parti all’interno di determinati parametri del circuito e vengono adottate per garantire che siano utilizzate parti appropriate. Ad esempio, una parte classificata a 5 V CC non sarebbe adatta per l’uso in un bus da 9 V CC, poiché una tensione eccessiva potrebbe causare il degrado della parte.

Posizionamento dei soppressori ESD

I soppressori più efficaci sono quelli che si trovano vicino alla sorgente ESD e che sono il più vicino possibile alla linea che proteggono. Maggiore è la distanza tra loro, maggiore sarà l’impatto della tensione transitoria sul circuito integrato.

La protezione ESD è di enorme importanza nelle industrie ad alta tecnologia, per garantire l’affidabilità dei prodotti, per ridurre i costi a cui si potrebbe incorrere in caso di danni e come precauzione per la salute e la sicurezza degli utenti. Con il progredire della tecnologia, aumentano le probabilità di scariche elettrostatiche. Ciò comporta una maggiore necessità di protezione ESD. I circuiti integrati sono il “cervello” di tutti i prodotti elettronici e quindi è fondamentale proteggere questi componenti. Dato che il progresso tecnologico si sviluppa rapidamente in questo settore, aumenta la necessità di protezione ESD, da cui deriva un’offerta maggiore e più avanzata di dispositivi di protezione ESD.

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