ESD - Wyładowanie elektrostatyczne. Zjawisko, skutki i ochrona

Wprowadzenie

Wyładowanie elektrostatyczne ESD (ang. Electrostatic Discharge) to zjawisko fizyczne, które stanowi poważny problem w niektórych gałęziach przemysłu. ESD jest szczególnie dokuczliwe w przemyśle półprzewodnikowym, w montażu urządzeń elektronicznych, poligrafii, materiałach łatwopalnych oraz wszędzie tam, gdzie niewielki łuk elektryczny może coś "odpalić"…

Zjawisko ESD ma ścisły związek z właściwościami materiałów (izolatorów, które łatwo się elektryzują) oraz z wilgotnością powietrza (im niższa, tym większa skala ESD). Opanowanie tego problemu wymaga odpowiedniego zaangażowania po stronie:

• Konstrukcji produktu pod kątem odporności na ESD.
• Procesu produkcji, w kórym zjawiska ESD mogą występiwać na różnych etapach wytwarzania.

W niniejszym artykule omawiamy zjawisko ESD ze szczególnym uwzględnieniem wpływu na elektronikę, jednakże przedstawione informacje będą użyteczne także dla innych branż.

Zapraszamy do lektury :)

Zjawisko ESD

ESD to zjawisko fizyczne polegające na gwałtownym przepływie ładunku elektryczności statycznej pomiędzy dwoma obiektami o różnych potencjałach elektrostatycznych. Zazwyczaj dochodzi do niego, gdy naelektryzowany obiekt zbliży się do innego obiektu - powstaje wtedy niewielka iskra elektryczna między nimi.

Typowym przykładem z codziennego życia jest odczuwalne "kopnięcie prądem" przy dotknięciu klamki po chodzeniu po dywanie. To "kopnięcie prądem", to właśnie przeskok ładunku elektrostatycznego w formie iskry.

W warunkach przemysłowych naelektryzować mogą się np. ruchome taśmy transporterów, folie opakowaniowe, ubrania pracowników czy sam produkt (np. płytka drukowana przesuwana w transporcie, w linii montażowej).

ESD według definicji z norm branżowych jest gwałtownym, samorzutnym przepływem ładunku elektrostatycznego wywołanym wysokim polem elektrostatycznym.[1]

Ładunek elektrostatyczny gromadzi się na danej powierzchni pod wpływem następujących zjawisk:

Efekt tryboelektryczny

Najczęściej występujące zjawisko. Naładowanie tryboelektryczne inaczej określane jako efekt tryboelektryczny - to generowanie ładunku elektrostatycznego na powierzchni materiału podczas kontaktu i rozdzielenia materiału. W czasie tego zjawiska, jedne z materiałów otrzymuje nadmierną ilość elektronów a drugi materiał traci te elektrony. Pierwszy z nich ładuje się więc ujemnie, a drugi dodatnio. Typowe przykłady to:

• Przesuwanie płytki PCB po powierzchni stołu.
• Chodzenie po wykładzinie.
• Wsuwanie płytki PCB do plastikowej obudowy urządzenia.
• Odklejanie folii ochronnej od obudowy urządzenia.
• Tarcie (ocieranie się) materiałów, ubrania, opakowań itp.

Indukcja

Indukcja w kontekście ESD to zjawisko, w którym w przewodniku pojawia się ładunek elektrostatyczny bez bezpośredniego kontaktu fizycznego z naładowanym obiektem, lecz na skutek oddziaływania jego pola elektrostatycznego.

Przykładowo: kiedy silnie naładowany obiekt zbliży się do nieuziemionego przewodnika (np. metalowego narzędzia), to pole elektryczne tego obiektu wpływa na swobodnie poruszające się elektrony w przewodniku. Te elektrony zostaną przesunięte, co spowoduje lokalnie nagromadzenie się ładunku. Gdy ten naładownay przewodnik zostanie dotknięty, to może dojść do ESD.

Bombardowanie jonowe

Brzmi jak scena z filmu science fiction :) Bombardowanie jonowe to zjawisko stopniowego elektryzowania się materiału na skutek osiadania na jego powierzchni jonów (naładowanych cząstek), które przekazują swój ładunek. Może ono występować m.in. podczas procesów nakładania powłok czy wytwarzania półprzewodników.[2]

Skutki ESD

Zjawiska ESD mogą występować w bardzo małej skali - poniżej poziomu powodującego uszkodzenia. Mogą także osiągać poziom, przy którym dochodzi do zakłóceń w pracy sprzętu, ale bez trwałego uszkodzenia. W niektórych przypadkach wyładowanie może być na tyle silne, że uszkadza sprzęt. W niektórych branżach, zjawisko ESD może wpływać na bezpieczeństwo pracowników lub na infrastrukturę.

W zależności od energii wyładowania ESD można wyróżnić kilka rodzajów skutków:

• Uszkodzenia natychmiastowe. To uszkodzenia trwałe, prowadzące do natychmiastowej utraty funkcjonalności komponentu lub urządzenia. Jeżeli występują w procesie produkcji urządzeń, to typowo są wykrywane podczas testów produkcyjnych.
• Wady ukryte (latent defects). To szczególnie trudna forma uszkodzeń. Komponent może początkowo działać poprawnie, z niewielkimi odchyleniami parametrów pracy. Jednak z czasem uszkodzenie się pogłębia, co może prowadzić do nieprzewidywalnej awarii w trakcie eksploatacji urządzenia przez użytkownika końcowego.
• Soft ESD. Zjawiska ESD mogą powodować zakłócenia pracy układów cyfrowych. Objawiają się one np. zawieszeniem oprogramowania czy też błędnym działaniem logicznym urządzenia. Niewielkie zjawisko ESD może wywołać tzw. "latch-up", czyli zatrzaśnięcie się bramki logicznej układu cyfrowego. Tego typu zakłócenia często znikają po restarcie zasilania i nie powodują trwałych uszkodzeń sprzętowych.
• Zagrożenia bezpieczeństwa. W niektórych branżach, takich jak przemysł chemiczny, petrochemiczny czy farmaceutyczny, ESD może stanowić bezpośrednie zagrożenie bezpieczeństwa. Wyładowanie elektrostatyczne może doprowadzić do zapłonu gazów, pyłów, oparów paliw lub nawet detonacji materiałów wybuchowych. W takich środowiskach właściwe zarządzanie ochroną ESD jest kluczowe dla zapobiegania poważnym wypadkom.
• Inne. Zjawiska ESD mogą także zakłócać przebieg procesów technologicznych - np. powodując sklejanie się papieru, przyciąganie kurzu do powierzchni arkuszy w drukarniach, zakłócenia pracy sterowników maszyn lub innych układów automatyki przemysłowej.

Modele zjawiska ESD

Zjawiska ESD występujące w procesie montażu elektroniki oraz w trakcie użytkowania zostały opisane za pomocą odpowiednich modeli. Pozwala to na badanie odporności produktów oraz komponentów wrażliwych na ESD, określanych jako ESDS (Electrostatic Discharge Sensitive). Opracowano następujące modele:

• HBM (Human Body Model). Zjawisko, w którym naładowany przewodnik (w tym człowiek) przekazuje ładunek elektrostatyczny do komponentu ESDS. Jest to najczęściej stosowany model w testach odporności układów scalonych i odzwierciedla typowe sytuacje w montażu elektroniki.
• CDM (Charged Device Model). CDM odwzorowuje sytuację, w której naładowany komponent (ESDS) dotyka przewodzącego obiektu. Przykładowo podczas montażu automatycznego komponent przesuwa się w izolowanym podajniku, gromadzi na sobie ładunek i następnie gwałtownie rozładowuje się w momencie kontaktu z uziemionym elementem maszyny.
• MM (Machine Model). Model MM odwzorowuje sytuację, w której komponent dotyka naładowanej maszyny lub narzędzia - oparty jest na kondensatorze 200pF bez rezystora ograniczającego prąd. Ze względu na małe znaczenie praktyczne, obecnie rzadko używany, zastąpiony przez HBM i CDM.
• IEC 61000-4-2. Model zdefiniowany w normie IEC 61000-4-2 reprezentuje wyładowania ESD, które mogą wystąpić podczas użytkowania urządzenia w rzeczywistym środowisku pracy, np. gdy użytkownik dotyka portu USB. Model ten służy do testowania odporności całego systemu (produktu końcowego).

Ochrona ESD w projekcie

Odporność produktu na ESD należy zapewnić już na etapie projektowania elektroniki. Kluczowe jest spełnienie wymagań dotyczących odporności urządzenia na wyładowania elektrostatyczne występujące podczas jego eksploatacji (np. IEC 61000-4-2, EN 55024, ISO 10605 itp.). Do typowych aspektów wymagających uwzględnienia należą:

• Ochrona systemowa wejść/wyjść. Stosowanie zabezpieczeń takich jak TVS, diody, niewielkie kondensatory na wejściach/wyjściach interfejsów zewnętrznych (USB, HDMI, Ethernet, złącza antenowe, porty GPIO itp.). Elementy te powinny znajdować się jak najbliżej złącza.
• Odpowiedni layout PCB. Wpływ ESD na elektornikę można znacząco obniżyć przez zachowanie różnych zaleceń projektowych dla ścieżek i ułożenia komponentów na PCB. Minimalizacja impedancji ścieżek masy, separacja obwodów, ekranowanie, ESD ground, prowadzenie ścieżek z dala od krawędzi/obudowy, itp.
• Dobór komponentów. Niektóre komponenty, takie jak interfejsy I/O, CAN, RS485 itp., powinny być dobierane z uwzględnieniem odporności na zjawiska ESD. Należy przy tym rozróżniać testy zgodne z modelami HBM i CDM, które dotyczą poziomu odporności układów scalonych, od testów według modelu IEC 61000-4-2, odnoszących się do odporności całego urządzenia w warunkach użytkowych.
• Ekranowanie. Stosowanie metalowych osłon (shielding) oraz przewodzących warstw na obudowie lub ekranowaniu kabli sygnałowych jest skuteczne zarówno w redukcji zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), jak i w ograniczaniu skutków wyładowań elektrostatycznych (ESD). Konstrukcja obudowy powinna umożliwiać szybkie i kontrolowane odprowadzenie ładunku elektrostatycznego do potencjału odniesienia (uziemienia).

Ochrona ESD w procesie

Skuteczna ochrona przed ESD w procesie montażu elektroniki wymaga wdrożenia systemu kontroli ESD (ang. ESD Control Program), zgodnie z normą IEC 61340-5-1 lub ANSI/ESD S20.20. Ten system powinien obejmować: środki ochrony zbiorowej (np. posadzka), indywidualnej (np. fartuch, obuwie), monitorowanie (okresowe pomiary ESD) oraz szkolenia personelu. Główne aspekty to:

• Uziemienie powierzchni roboczych. Blaty stołów, wózki, regały oraz wszelkie powierzchnie kontaktowe powinny być wykonane z materiałów ESD-safe i połączone z punktem uziemiającym poprzez rezystor. Napięcie powierzchni roboczej nie powinno przekraczać wymaganych poziomów (typowo ±100V względem uziemienia).
• Osobiste środki ochrony ESD. Typowe roizwiązania to opaski nadgarstkowe i obuwie ESD. Opaski i obuwie powinny być testowane przed wejściem do strefy EPA (stefy z ochroną przed ESD).
• Stosowanie pojemników i woreczków ESD. Każdy komponent ESDS (Electrostatic Discharge Sensitive) powinien być przechowywany i transportowany w opakowaniach ochronnych. Zwykłe plastikowe tacki i typowe plastikowe woreczki oraz styropian są niedopuszczalne.
• Monitorowanie. Należy prowadzić okresowe badanie rezystancji powierzchni roboczych, rezystancji uziemień. Testować obuwie i opaski. Należy badać stosowane materiały, opakowania i narzędzia. Zapisy z tych pomiarów powinny być zachowane.
• Szkolenia personelu. Wszyscy pracownicy mający kontakt z komponentami ESDS, niezależnie od stanowiska (operatorzy, technicy, inżynierowie, magazynierzy), powinni przejść szkolenie z ESD. Szkolenie powinno być dokumentowane i okresowo odnawiane (np. co 12 miesięcy).

W ramach ochrony ESD należy spełnić szereg wymagań. Na przykład należy monitorować i kontrolować poziom wilgotności powietrza, a w niektórych obszarach procesu może być konieczne stosowanie jonizatorów.

Standardy ESD w elektronice

• ANSI/ESD S20.20. Podstawowy standard opracowany przez ESD Association (zatwierdzony jako ANSI), opisujący zasady programu ochrony ESD w organizacji. Określa wymagania dla stref EPA, uziemień, odzieży, szkolenia personelu, audytów itp.
• IEC 61340-5-1. Międzynarodowa norma (IEC) dotycząca ochrony przed elektrycznością statyczną. Jej treść jest zbliżona do ANSI S20.20 (w wielu krajach funkcjonuje jako norma narodowa, np. PN-EN 61340-5-1).
• IPC-A-610. Standard związany z akceptowalnością zmontowanej elektroniki. Zawiera też sekcję o postępowaniu z zespołami elektronicznymi i podkreśla konieczność zabezpieczenia ich przed ESD.
• IPC J-STD-001. Standard IPC/JEDEC dotyczący procesów lutowniczych i montażowych, również zawiera wymagania przestrzegania zasad ESD podczas produkcji.
• JEDEC JESD625-A. Standard JEDEC opisujący wymogi postępowania z urządzeniami wrażliwymi na ESD (ESDS). Dotyczy głównie producentów półprzewodników i dystrybucji komponentów.
• IEC 61000-4-2. Norma dotycząca odporności urządzeń na wyładowania elektrostatyczne w użytkowaniu (na poziomie produktu końcowego).
• JEDEC/ESDA JS-001 i JS-002. Wspólne standardy JEDEC i ESD Association definiujące testy modelu HBM i CDM dla układów scalonych (następcy starych norm JESD22-A114 i JESD22-C101). Producenci półprzewodników kwalifikują swoje chipy właśnie według tych dokumentów, deklarując klasy odporności (np. HBM Class 2 - 2kV).
• ISO 10605. Standard motoryzacyjny dotyczący testów ESD w pojazdach. Podobny do IEC 61000-4-2, ale dostosowany do środowiska samochodowego (inne poziomy napięć, zarówno dla człowieka jak i ładunków na elementach wnętrza).

Powyższe standardy to tylko wybrane przykłady - istnieje wiele dodatkowych wytycznych, takich jak seria ANSI/ESD S1-S20, dokumenty doradcze (np. ESD TR20.20) oraz normy branżowe obowiązujące w innych sektorach przemysłu.

Podsumowanie

Skuteczna ochrona urządzeń elektronicznych przed ESD to temat, do którego należy podejść kompleksowo. Już na etapie projektowania warto brać pod uwagę zagrożenia związane z wyładowaniami elektrostatycznymi - dobrze dobrać komponenty, nie pomylić modeli HBM/CDM z IEC, poprawnie zaprojektować płytkę i zadbać o odpowiednie zabezpieczenia na wejściach i wyjściach. Z kolei podczas produkcji trzeba zapewnić zgodność z ANSI/ESD S20.20 lub IEC 61340-5-1, żeby zminimalizować ryzyko uszkodzeń.

Mówiąc krótko: "Do tanga trzeba dwojga", czyli skuteczna ochrona ESD wymaga adekwatnego projektu urządzenia oraz poprawnego procesu jego produkcji.