Elektrostatická rizika pro elektroniku

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.

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.

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,

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:

• 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.

• 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.

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.

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

• 
  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