Zabezpieczenia ESD. Jak chronić układy elektroniczne

88 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 NOTATNIK KONSTRUKTORA Wskutek zmniejszania się wymiarów ukła- dów elektronicznych wzrasta ich wrażliwość na wyładowania elektrostatyczne ESD lub wy- stąpienie przepięć. Wzrastające wymagania za- bezpieczeń podzespołów przed ESD powodują zwiększenie kosztów ich produkcji. W związku z tym część ?rm produkujących podzespoły elektroniczne zgłosiła potrzebę obniżenie wyso- kich wymagań bezpieczeństwa ESD. Zmniejsze- nie wymagań ESD dla podzespołów wymusi na producentach systemów elektronicznych zwięk- szenie nakładów na zabezpieczenie własnych linii produkcyjnych. Zabezpieczenia ESD Jak chronić układy elektroniczne 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. Co to właściwie jest ESD? Rozładowanie elektrostatyczne ESD (Elec- tro-Static Discharge) polega na przepływie ła- dunków między obiektami o różnych potencja- łach elektrycznych. Ładunki elektrostatyczne po- wstają, gdy dwa różne materiały są wzajemnie pocierane lub gdy są zblizone. Do powstawania ładunków elektrycznych przyczyniają się m.in.: chodzenie po syntetycznej podłodze, pocieranie syntetycznych części ubrań, przesuwanie plasti- kowych pojemników, rozwijanie taśmy samo- przylepnej, itp. Powstałe wskutek tego napięcie elektrostatyczne charakteryzuje się dużą warto- ścią. W typowym środowisku pracy przekracza 10 kV, ale przy małej wilgotności powietrza (po- niżej 20%) może wynosić nawet 30 kV. W tab. 1 zestawiono wartości napięć elektrostatycznych występujących w różnych sytuacjach. Zbliżenie dwóch obiektów o różnych potencjałach powo- duje przeskok ładunku w kierunku od potencja- łu ujemnego do potencjału dodatniego (rys. 1). Uszkodzenia powstałe przy niepożądanym ?przeskoku? ładunków elektrostatycznych moż- na podzielić na dwa rodzaje: ? Pierwszym z nich jest tzw. uszkodzenie twarde. Jest to uszkodzenie, którego skutki Rys. 1. Przepływ ładunku elektrostatycz- nego Dodatkowe materiały na CD NOTATNIK KONSTRUKTORA 89ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 Jak chronić układy elektroniczne 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 jako- ściowe w fabryce i jest zdatne do dalszego użytkowania, jednak jego parametry użyt- kowe są gorsze od typowych. Skutki uszko- dzenia miękkiego mogą się ujawnić w trakcie eksploatacji urządzenia przez klienta. Urzą- dzenie może być awaryjne lub nawet ulec trwałemu uszkodzeniu w krótkim czasie. Istotnym problemem staje się więc odpo- wiednie zabezpieczenie zarówno samego ukła- du elektronicznego jak i miejsca pracy, w którym są użytkowane podzespoły i produkowane ukła- dy wrażliwe na ESD. Uszkodzenia mogą bowiem powstać na każdym z etapów: produkcji, te- stowania, składowania, pakowania, transportu oraz użytkowania. Tab. 1 Poziomy ładunków generowane w typowych sytuacjach Napięcie elektrostatyczne [V] Wilgotność względna 10...25% 65...90% Chodzenie po dywanie 35000 1500 Chodzenie po winylowej wykładzinie 12000 250 Pracownik przy biurku 6000 100 Krzesło z pianki poliuretanowej 18000 1500 W ochronie ESD należy przestrzegać czterech reguł: 1. Załóż, że wszystkie aktywne elementy są wrażliwe na ESD. 2. Chwytaj element tylko w stre?e EPA przy odpo- wiednim własnym uziemieniu. 3. Przechowuj i transportuj elementy wrażliwe na ESD w specjalnych pojemnikach ESD. 4. Sprawdzaj regularnie system ochrony ESD, poprzez system wewnętrznego i zewnętrznego audytu. Rys. 2. Klasy?kacja materiałów zabezpieczających przed ESD według rezystancji powierzchniowej Podstawowy symbol składa się z żółtej dłoni na czarnym trójkącie. Tak jest oznaczany sprzęt wrażliwy na rozładowania ESD Fot. 3. Opaska nadgarstkowa Fot. 4. Odzież robocza ESD Materiały i zabezpieczenia ESD Do zabezpieczenia przed skutkami ESD stosuje się materiały osłaniające, przewodzące, rozpraszające ładunki oraz materiały izolacyjne. Materiały te klasy?kowane są według ich rezy- stancji powierzchniowej (rys. 2). Do materiałów osłaniających od rozłado- wań ESD zaliczane są materiały o rezystancji powierzchniowej (tzw. rezystancja na kwadrat ? rezystancja kwadratowego wycinka materiału) mniejszej od 1 kV. Przykładem elementu osła- niającego przed rozładowaniami ESD jest klatka Faradaya, która tłumi oraz osłabia energię pola elektrycznego. Materiałami osłaniającymi naj- częściej stosowanymi są metale oraz węgiel. Zadaniem materiałów przewodzących (re- zystancja powierzchniowa mniejsza od 100 kV) jest szybkie przemieszczanie ładunku przez ma- teriał do uziemienia. Materiały rozpraszające ładunki są de?nio- wane jako takie, których rezystancja powierzch- niowa jest z zakresu 105 ...1012 V. Ładunki spły- wają wolniej do uziemienia niż w przypadku materiałów przewodzących, ale wskutek tego następuje zmniejszenie niebezpiecznego, wyso- kiego potencjału elektrycznego. 90 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 NOTATNIK KONSTRUKTORA Materiały izolacyjne, to materiały o rezy- stancji powierzchniowej większej od 1012 V. Po- nieważ takie materiały są trudne do uziemienia, ładunki elektrostatyczne przez długi czas pozo- stają na ich powierzchni. Przykładami materia- łów izolacyjnych są: szkło, powietrze, powszech- nie stosowane opakowania plastikowe. Zabezpieczenie personelu W celu ochrony przed ładunkami elektrosta- tycznymi o dużej wartości konieczne jest zastoso- wanie odpowiednich materiałów przewodzących i rozpraszających. Ważne jest również zastosowa- nie 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 prze- szkolenie personelu w zakresie stosowania się do zaleceń ochrony elektrostatycznej. Najważniejszym elementem uziemienia osoby pracującej z podzespołami jest opaska nadgarstkowa (fot. 3). 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 uży- wanie specjalnego, przewodzącego obuwia lub przewodzącej opaski na buty. Aby ochrona ESD była prawidłowa, obuwie powinno mieć kontakt z matą ESD lub uziemioną i przewodzącą podło- gą. Podłogi z materiału izolacyjnego utrzymują Fot. 5. Rękawiczki ESD do kontaktu z wrażliwymi urządzeniami Fot. 6. Jonizatory do ochrony lokalnej: a) stanowiskowe, b) pistoletowe a) b) ładunek na swojej powierzchni, przez co mogą powodować wyładowania elektrostatyczne. Elementem podwyższającym stopień za- bezpieczenia ESD jest specjalna odzież robocza (fot. 4). Zaszyte w materiale przewodzące włók- na tworzą klatkę Faradaya, dzięki której otrzy- mujemy ochronę w postaci tłumienia statycz- nych pół elektrycznych. Wszystkie części odzieży powinny mieć połączenie elektryczne, co zapew- nia odpowiednie odprowadzanie ładunków. Uzupełnieniem zabezpieczeń ESD, zwłasz- cza w przypadku szczególnie wrażliwych ele- mentów, są rękawiczki ESD (fot. 5). Niechronio- na dłoń nie zapewnia odpowiednio szybkiego odprowadzania ładunków. Wilgotność powietrza Jednym z najistotniejszych czynników śro- dowiskowych 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 zastosowa- nie uziemienia, poprzez system odpowiedniego okablowania lub gdy to okablowanie uniemoż- liwia bądź znacząco utrudnia pracę. Jonizatory powietrza działają na zasadzie rozsiewania w atmosferze dodatnich i ujem- nych jonów. Jony wchodzą w kontakt z po- wierzchniami, na których znajdują się dodatnie i ujemne ładunki, dzięki temu niebezpieczne ładunki są neutralizowane. Ochronę jono- wą można podzielić na lokalną i kompletną. W ochronie lokalnej stosowane są jonizatory stanowiskowe i pistoletowe (fot. 6). Kontrola kompletna polega na kontroli warunków śro- dowiskowych całego pomieszczenia. Należy zwrócić uwagę na ilość ozonu wytwarzanego przez jonizator. Maksymalny, dopuszczalny po- ziom wytwarzanego ozonu nie może przekra- czać: 0,2 mg/m3 . Strefa EPA Strefa EPA (ESD Protected Area) jest to prze- strzeń, w której nie występują przedmioty lub działania powodujące uszkodzenia urządzeń wrażliwych na ESD. Wszelkie niebezpieczne wy- ładowania i ładunki są przenoszone poza obszar EPA. W stre?e EPA maksymalne, dopuszczalne natężenie pola elektrycznego wynosi 100 V/cm. Fot. 7. Bezpieczne stanowisko pracy 91ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 Jak chronić układy elektroniczne Fot. 8. Pojemniki do bezpiecznego przechowywania układów elektronicznych Tab. 2 Normy dotyczące zabezpieczeń ESD Oznaczenie Opis IEC 61340-5-1 Ochrona urządzeń elektronicznych przed zjawiskiem elektrostatyczności ? Zalecenia Ogólne IEC 61340-5-2 Ochrona urządzeń elektronicznych przed zjawiskiem elektrostatyczności ? Zalecenia dla użytkowników IEC 61340-4-1 Rezystancja elektryczna powłoki podłogi oraz montaż podłóg ANSI/ESD S20.20-1999 Ochrona elektronicznych i elektrycznych elementów, montażu i urządzeń (darmowy dostęp do norm na www.esda.org) ANSI/ESD S541-2003 Materiały do pakowania elementów wrażliwych na ESD (darmowy dostęp do norm na www.esda.org) Więcej na temat ochrony ESD, szko- leń personelu i materiałów ochron- nych: Renex, al. Kazimierza Wielkiego 6E 87-800 Włocławek, tel.: 054 231 10 05, 054 411 25 55, fax: 054 411 25 56, of?ce@renex.com.pl, www.renex.com.pl, Centrum Edukacji Elektroników Renex EEC, of?ce@ipctraining.pl, www.ipctraining.pl 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 wyposa- żenie uziemiające. Elementy zabezpieczenia ESD należy okre- sowo sprawdzać. Opaska nadgarstkowa po- winna być sprawdzana codziennie, gdyż jest to jeden z kluczowych elementów zabezpieczenia elektrostatycznego personelu. Przegląd okablo- wania i poprawności połączenia mat z uziemie- niem musi być przeprowadzany systematycznie (raz na tydzień). Należy też dbać o czystość powierzchni mat ESD, używając do tego celu specjalistycznych środków. Powszechnie stoso- wane środki czystości pozostawiają niewidoczną warstwę izolacyjną na powierzchni maty i mogą powodować gromadzenie ładunków elektrycz- nych. Zalecenia dotyczące systemów ochrony ESD zawarte są w normie IEC 61340-5-1. Po- zostałe normy dotyczące zabezpieczeń ESD wy- mieniono w tab. 2. Bezpieczeństwo podzespołów i urządzeń Urządzenia wrażliwe na wyładowania elektrostatyczne powinny być przechowywa- ne z zachowaniem szczególnej ostrożności. Do transportu komponentów najczęściej używane są przewodzące pianki, które zapobiegają po- wstawaniu różnicy potencjałów większej niż kil- ka woltów pomiędzy wyprowadzeniami (fot. 8). W przypadku zmontowanych płytek PCB stosuje się rozpraszające lub przewodzące kuwety, tac- ki lub uchwyty do ich magazynowania (fot. 9). Pojedyncze pakiety elektroniczne przechowuje się w odpowiednich torebkach, które powinny utrzymywać niski poziom ładunku, a więc po- winny być zrobione z materiału rozpraszającego lub przewodzącego. Maciej Gołaszewski, EP maciej.golaszewski@ep.com.pl R E K L A M A