Jak wybrać odpowiednie wyposażenie ESD – Przewodnik krok po kroku

Jak wybrać odpowiednie wyposażenie ESD – poradnik krok po kroku

Wyładowanie elektrostatyczne (ESD) to nagły przepływ prądu elektrycznego między dwoma obiektami o różnych ładunkach. Występuje wówczas, gdy wymiana elektronów jest przyczyną powstania silnego pola elektrostatycznego. Powoduje to liczne problemy w zaawansowanych technologicznie środowiskach produkcyjnych.

Elektryczność statyczna i indukcja elektrostatyczna są najczęstszymi przyczynami wyładowań elektrostatycznych. Aby ich uniknąć, należy postępować zgodnie z procedurami i stosować odpowiedni materiał ekranujący w celu zmniejszenia lub wyeliminowania prądu elektrycznego.

Dwa rodzaje zagrożeń dla sprzętu elektronicznego to:

1. Katastrofalna awaria: powoduje trwałe uszkodzenie takie jak stopienie metalu, uszkodzenie złącza lub uszkodzenie wskutek utlenienia oraz zwykle jest łatwa do wykrycia podczas kontroli.
2. Wada ukryta: powoduje częściowe pogorszenie stanu, w przypadku którego urządzenie nadal działa, a uszkodzenie może być trudniejsze do wykrycia. Częściowa degradacja prowadzi jednak do sporadycznych usterek lub trwałych uszkodzeń w późniejszym czasie.

Jak zapewnić ochronę przed wyładowaniami elektrostatycznymi?

Ochrona przed wyładowaniami elektrostatycznymi ma bardzo duże znaczenie w procesach produkcyjnych, wysyłkowych i operacyjnych.

Ponieważ gama urządzeń zabezpieczających przed wyładowaniami elektrostatycznymi jest bardzo szeroka, wybór odpowiedniej opcji dla danego zastosowania jest bardzo ważny. Nieodpowiednie urządzenie będzie nieskuteczne i może zakłócić normalne funkcjonowanie obwodu. Optymalne urządzenie ESD:

• Błyskawicznie reaguje, zatrzymując niebezpieczne skoki prądu i napięcia podczas wyładowań elektrostatycznych.
• Jest odporne na wielokrotne oddziaływanie wyładowań elektrostatycznych.
• Nie zakłóca funkcjonowania systemu, który zabezpiecza.

Urządzenia zabezpieczające przed wyładowaniami elektrostatycznymi służą do ochrony wrażliwych urządzeń oraz sprzętu elektronicznego przed wyładowaniami elektrostatycznymi podczas przechowywania i transportu, a także zapobiegają gromadzeniu się ładunków elektrostatycznych i zanieczyszczeniu pyłem lub wilgocią. Rodzaje ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi:

1. Pakowanie i przechowywanie

• Torebki z osłoną antystatyczną
• Różowe torebki antystatyczne
• Antystatyczne torebki bąbelkowe
• Pudełka
• Folie i taśmy

2. Akcesoria ESD

Ta kategoria obejmuje szereg urządzeń ESD, których można użyć w celu zapewnienia dodatkowej ochrony. Obejmuje między innymi:

• Pęsety ESD
• Szczypce ESD
• Etykiety/znaki ostrzegawcze ESD

3.  Systemy uziemiające

Systemy uziemiające służą do bezpiecznego uziemienia osób pracujących z wrażliwym sprzętem elektronicznym. Stosowanie systemów uziemiających pozwala zapobiec gromadzeniu się elektryczności statycznej, co zmniejsza ryzyko wyładowań elektrostatycznych. Przykłady systemów uziemiających ESD to:

• Przewody uziemiające
• Mierniki uziemienia
• Maty uziemiające
• Moduły uziemiające
• Jonizatory
• Opaski na rękę

Czynniki mające wpływ na wybór odpowiedniego wyposażenia ESD

1. Aby ustalić, jakiego poziomu ochrony wymaga urządzenie, należy wiedzieć, z której strony może nastąpić wyładowanie.

Rozważając poziom potrzebnej ochrony, można zastosować trzy standardy do określenia odporności układów scalonych na wyładowania elektrostatyczne.

• Kontakt fizyczny – test w oparciu o model ludzkiego ciała. Model ten symuluje wyładowanie elektrostatyczne w przypadku kontaktu człowieka z komponentem elektrycznym. W trakcie chodzenia lub poruszania się ludzie mogą gromadzić ładunki elektrostatyczne, które są następnie wyładowywane za pośrednictwem układów scalonych.
• Normalne użytkowanie urządzenia – test w oparciu o model naładowanego urządzenia. Test symuluje zachowanie urządzenia, gdy ma ono ładunek elektrostatyczny oraz styka się z metalową powierzchnią. Jest to najczęstszy rodzaj wyładowań elektrostatycznych. Wyładowanie tego typu zależy w dużej mierze do wielkości i rodzaju obudowy podzespołów.
• IInne wyposażenie – test w oparciu o model maszyny. Pozwala na symulację rozładowania ładunków elektrostatycznych nagromadzonych w maszynach i urządzeniach.

Model	HBM	MM	CDM
Poziomy testowania	2,4,8 i 15 kV	100,150 i 200 V	250, 500, 750 i 1000 V
Szczytowa wartość natężenia (A)	1.5	3	5–6
Szerokość impulsów (ns)	Około 150	Około 80	Około 1
Czas narastania	2–10 ns	Około 1 ns	Poniżej 400 ps
Typowe usterki ESD	Uszkodzenia złączy, przenikanie metalu, topienie metalu, szpilka przebicia warstwy i uszkodzenie tlenku bramkowego	Uszkodzenia złączy, topienie metalu, uszkodzenie tlenku bramkowego	Uszkodzenie tlenku bramkowego, uwięzienie ładunku i uszkodzenia złączy

Table 1: Test porównawcze ESD
2. Należy określić, co i kogo chcemy chronić.

Co chcemy zabezpieczyć?

Aby zapewnić skuteczną ochronę przez wyładowaniami ESD, należy określić wszystkie elementy podatne na tego typu wyładowania. Na przykład zewnętrzne urządzenia ochronne ESD idealnie sprawdzają się w przypadku interfejsów, które są szczególnie podatne na uszkodzenia wywołane przez wyładowania elektrostatyczne, lecz mogą nie nadawać się do użycia z zaawansowanymi układami SoC.

Wymagania dotyczące uziemienia ESD w firmie będą również zależeć od wielkości miejsca pracy oraz charakteru wykonywanych tam prac. Zwykle mniejsze środowiska pracy będą stosowały się do podstawowych wymogów ESD, natomiast większe zakłady będą musiały przestrzegać bardziej rygorystycznych wymagań w zakresie uziemienia.

W dużym środowisku pracy wymagane może być utworzenie obszaru zabezpieczonego przed elektrycznością statyczną (EPA), w którym wszystkie powierzchnie, obiekty osoby i urządzenia ESD mają ten sam potencjał elektryczny. Można to osiągnąć poprzez:

• Uziemienie wszystkich elementów przewodzących (w tym osób).
• Usunięcie wszystkich izolatorów – bezpośrednio lub poprzez zastąpienie ich alternatywną opcją ESD.
• Używanie jonizatora do neutralizacji niezbędnych izolatorów.

• 

• 

• 

Kogo chcemy zabezpieczyć?

Uziemienie stanowi istotną formę ochrony, ponieważ umożliwia bezpieczną obsługę sprzętu i chroni użytkowników przed wyładowaniami elektrostatycznymi. Wszystkie elementy obszaru roboczego powinny być uziemione, w tym powierzchnie robocze, personel i sprzęt. Rodzaj stosowanego systemu jest uzależniony od pracownika, który go potrzebuje. Na przykład osoby pracujące w pozycji siedzącej powinny nosić opaskę na nadgarstek, natomiast osoby pracujące w pozycji stojącej powinny korzystać z systemu uziemienia stóp. W niektórych sytuacjach należy zastosować połączenie tych dwóch opcji.

3. Ustalenie wymaganych specyfikacji ochrony ESD.

Po określeniu obiektu wymagającego ochrony należy zapewnić wybór wyposażenia ESD o odpowiednich specyfikacjach. Należy wziąć pod uwagę następujące uwarunkowania:

Kapacytancja

Kapacytancja odnosi się do zdolności podzespołu lub obwodu do gromadzenia i magazynowania energii w postaci ładunku elektrycznego. Wzrost częstotliwości sygnału ma wpływ na efekt pojemnościowy. Niewłaściwe dopasowanie kapacytancji tłumika oraz prędkości sygnału w obwodzie może doprowadzić do degradacji sygnału. Najlepiej określić maksymalną kapacytancję diody bez zakłóceń sygnału interfejsu.

Aby zwiększyć kapacytancję, można umieścić elementy przewodzące bliżej siebie; można także użyć większych płyt o większej powierzchni. Ponadto, można dodać kondensatory jako zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrostatycznymi w celu przekierowania lub przechowania ładunku.

Napięcie odcięcia ESD

Określa poziom ochrony zapewniany przez diodę zabezpieczającą. Redukcja napięcia, na które narażony będzie układ scalony w przypadku wyładowania elektrostatycznego, ma zasadnicze znaczenie dla ochrony bardziej wrażliwych elementów danego układu. W związku z tym, urządzenia o niższym napięciu odcięcia zwykle są bardziej skuteczne.

Prąd upływowy

Prąd upływowy odnosi się do ilości prądu, który przepływa przez tłumik ESD, gdy obwód funkcjonuje normalnie. Ta kwestia ma szczególne znaczenie w zastosowaniach z zasilaniem akumulatorowym. W tym przypadku pożądane są tłumiki, które zapewniają jak najmniejszy upływ, aby uniknąć szybkiego wyczerpania akumulatora.

Napięcie robocze systemu

Tłumiki mają różne specyfikacje napięcia roboczego systemu w zależności od ich budowy. Specyfikacje te określają przydatność części w odniesieniu do określonych parametrów obwodu. Są także wykorzystywane, aby zapewnić zastosowanie odpowiednich części. Na przekład część o napięciu 5VDC nie byłaby odpowiednia do użycia z magistralą 9 VDC, ponieważ nadmierne napięcie mogłoby spowodować uszkodzenie części.

Lokalizacja tłumika ESD

Najskuteczniejsze tłumiki to te zlokalizowane w pobliżu źródła wyładowań elektrostatycznych oraz znajdujące się jak najbliżej linii, które chronią. Im większa odległość między nimi, tym większy będzie wpływ napięcia przejściowego na układ scalony.

W branżach zaawansowanych technologicznie ochrona przed wyładowaniami elektrostatycznymi ma ogromne znaczenie dla zapewnienia niezawodności produktów, zmniejszenia kosztów tam, gdzie w przeciwnym razie doszłoby do uszkodzenia, a także jako środek ostrożności dla zdrowia i bezpieczeństwa użytkowników. W miarę postępu technologii wzrasta ryzyko wyładowań elektrostatycznych, co powoduje większe zapotrzebowanie na ochronę ESD. Układy scalone są „mózgiem” wszystkich wyrobów elektronicznych, toteż ich ochrona ma kluczowe znaczenie. Rozwój technologii w tym zakresie następuje bardzo szybko, dlatego wymagania ochrony ESD będą rosły, w wyniku czego powstaną nowe, bardziej zaawansowane urządzenia chroniące przed wyładowaniami elektrostatycznymi.

Zalecane produkty ESD