Dlaczego zabezpieczenie antystatyczne jest w elektronice tak ważne?

Wbrew pozorom, zwykłe dotknięcie gołą ręką wyprowadzeń kości pamięci RAM, procesora lub innego wrażliwego podzespołu elektronicznego, może się zakończyć jego permanentnym uszkodzeniem…ale można temu skutecznie zapobiec!

Ochrona przed wyładowaniami elektrostatycznymi w warsztacie elektronika

W tym artykule przedstawiono problem wyładowań elektrostatycznych w elektronice oraz sposoby zapobiegania przeciw temu zjawisku przy pracy z układami elektronicznymi.

ESD – wyładowania atmosferyczne w mikroskali

Nietrudno zauważyć, że elektronika odgrywa coraz większy udział w kolejnych dziedzinach życia codziennego. Rozwój w tej dziedzinie, zaowocował powstaniem nowoczesnych i efektywnych rozwiązań, np. zmniejszenia zużycia energii, zwiększenia skali integracji układów scalonych, a także zmniejszenia wymiarów komponentów i płytek PCB. Mogłoby się wydawać, że wszystko zmierza we właściwym kierunku, ale pojawiły się wbrew pozorom poważne problemy. Jednym z najbardziej istotnych, są trudności związane z chłodzeniem z uwagi na zmniejszenie powierzchni odprowadzania ciepła, a także z zabezpieczeniem przed fatalnymi w skutkach wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD – ang. Electro-Static Discharge). Wyładowania elektrostatyczne w elektronice, są w istocie miniaturowymi odpowiednikami wyładowań atmosferycznych, które możemy obserwować w czasie burzy. Jednak w większości przypadków wyładowań elektrostatycznych w elektronice, kiedy występują, są one niewidoczne, niesłyszalne i nieodczuwalne fizycznie. Z tego względu, podczas wykonywania prac przy urządzeniach elektronicznych (np. montaż lub serwisowanie), jak również pakowania elementów elektronicznych, należy zachować odpowiednie środki ostrożności, które pomocą nam zapobiec uszkodzeniom elektroniki pod wpływem elektrostatyki.

ESD – ogólny zarys narażenia elektroniki na uszkodzenia wskutek wyładowań elektrostatycznych i zapobiegania temu zjawisku

Każde urządzenie lub element elektroniczny jest podatny na uszkodzenie ze względu na zagrożenie wyładowaniem elektrostatycznym. Wyładowanie elektrostatyczne to nagły przepływ prądu elektrycznego pomiędzy dwoma naładowanymi elektrycznie obiektami. Wyładowania elektrostatyczne powstają wtedy, kiedy naładowane przedmioty ocierają się o siebie, gromadząc ładunek elektryczny, którego rozładowanie objawia się poprzez przeskok iskry. Nawet zwykły prosty ruch na stole warsztatowym wystarczy, aby wygenerować wyładowanie elektrostatyczne, którego energia może uszkodzić wrażliwe elementy elektroniczne. Z tego względu, wyposażenie w odpowiednie akcesoria chroniące przed wyładowaniami elektrycznymi ma ogromne znaczenie dla zapobiegania gromadzeniu się ładunków elektrostatycznych na elementach elektronicznych. Główną funkcją akcesoriów ESD, jest zmniejszenie ryzyka uszkodzenia urządzeń wrażliwych na wyładowania elektrostatyczne. Stosowanie odpowiedniego wyposażenia ochronnego ESD, pozwala na zminimalizowanie ryzyka uszkodzenia urządzeń elektronicznych. Podstawowym warunkiem sprzyjającym zwiększeniu bezpieczeństwa pracy na stanowisku pod kątem ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi, jest stworzenie strefy antystatycznej w miejscu produkcji, a także serwisowania elektroniki. Takie obiekty powinny mieć na wyposażeniu m.in. meble w wykonaniu antystatycznym, np. stoły warsztatowe, szafki i szufladki magazynujące, wózki transportowe, pojemniki i wiele innych. Natomiast wszyscy pracownicy przebywający w tych strefach, powinni być wyposażeni w ubrania i akcesoria ESD. Wszystkie produkty stacjonarne w wykonaniu ESD, powinny być elektrycznie połączone z uziemieniem ochronnym budynku, aby stworzyć jak najlepsze warunki do odprowadzania ładunków statycznych.

Rodzaje wyładowań elektrostatycznych ze względu na rodzaj uszkodzenia

Wiemy już, że wyładowania elektrostatyczne wpływają na elektronikę niekorzystnie. Ich obecność może powodować anomalia w funkcjonowaniu urządzeń elektronicznych, a także zmniejszenie ich niezawodności i żywotności. W zależności od warunków zaistnienia, zgromadzenie odpowiedniej ilości ładunku przestrzennego może powodować wyzwalanie wyładowań elektrycznych, które choć mogą być nieszkodliwe i niezauważalne dla ludzi, mogą jednocześnie okazać się szkodliwe na elektroniki. Skutkami mogą być częściowe lub całkowite zniszczenie urządzeń lub części elektronicznych. Zasadniczo istnieją dwa rodzaje uszkodzeń lub defektów ESD. W przypadku katastrofalnego uszkodzenia, urządzenie lub element ulega natychmiastowej i trwałemu uszkodzeniu. W drugim przypadku, uszkodzenie jest wadą ukrytą, w wyniku której urządzenie elektroniczne po incydencie związanym z wyładowaniem elektrostatycznym nadal funkcjonuje prawidłowo, ale uszkodzenie jest procesem opóźnionym, a wydajność komponentów pogarsza się z czasem. W takich przypadkach nie jest łatwo wykryć uszkodzone obszary, ponieważ elementy dotknięte wyładowaniem mogę jeszcze działać przez pewien czas, ale ostatecznie ich żywotność jest skrócona.

Wrażliwość elementów półprzewodnikowych na wyładowania elektrostatyczne

Patrząc na to, jak ESD wpływa na urządzenia elektroniczne, warto przyjrzeć się samym elementom półprzewodnikowym i zobaczyć, dlaczego są one szczególnie narażone na wpływ wyładowań elektrostatycznych. Zgodnie z poprzednimi rozważaniami, niektóre elementy elektroniczne są bardziej wrażliwe na wyładowania ESD niż inne elementy. Jednak, aby spojrzeć na problem z odpowiedniej perspektywy, warto powiązać poziomy statyczne z tymi z napięciami zasilania. Przykładowo, układy logiczne CMOS z serii CD4XYZ (np. CD4066 – poczwórny przełącznik dwustronny), mogą być zasilane napięciem maksymalnie do 18V i przełączać sygnały napięciowe maksymalnie o takiej wartości. Mimo to, incydentalnie może się zdarzyć, że do wyprowadzeń tych układów mogą zostać przyłożone napięcia statyczne rzędu kilku kilowoltów poprzez zwykłe dotknięcie wyprowadzeń układu gołą ręką bez zabezpieczeń antystatycznych. Typowo, na uszkodzenie wskutek oddziaływania ESD są narażone półprzewodniki oparte na technologii MOS, np. wspomniana wcześniej seria układów logicznych, tranzystory unipolarne, a także układy pamięci RAM i procesorów. Natomiast mniej wrażliwe, ale również w dalszym ciągu narażone, są układy scalone oparte na tranzystorach bipolarnych. Standardowe układy scalone wykonane w technologii CMOS, mogą zostać uszkodzone przez napięcie statyczne o wartości zaledwie kilkuset woltów. Do tej rodziny, należą układy logiczne z serii 74HC i 74HCT, które są szeroko stosowane w wielu projektach, ze względu na niższy pobór prądu niż w przypadku układów logicznych rodziny 74LS opartych na diodach Schottky’ego. Jednak wiele nowych mikroprocesorów i układów VLSI (bardzo dużej skali integracji) wykorzystuje znacznie mniejsze rozmiary struktury i nie jest w stanie wytrzymać takich napięć, co czyni je bardzo wrażliwymi na wyładowania ESD. Wiele nowoczesnych urządzeń i układów elektronicznych uległoby zniszczeniu przy zasilaniu ich napięciem 5V i są one dużo bardziej podatne na uszkodzenia spowodowane przez ESD niż np. układy scalone TTL. Natomiast w przypadku tranzystorów unipolarnych w postaci dyskretnej (np. tranzystor N-MOSFET BUZ11), z uwagi na maksymalne napięcie bramka-źródło wynoszące zwykle 20V, uszkodzenie może nastąpić wtedy, kiedy weźmiemy element do ręki, posiadając na ciele uprzednio zgromadzony ładunek elektryczny, np. od ubrań – z tego względu, podczas prac przy elektronice, należy unikać noszenia ubrań, które się łatwo elektryzują, np. wełnianych swetrów. Również tranzystory bipolarne mogą zostać uszkodzone przez potencjały rzędu kilkuset woltów. Dotyczy to przede wszystkim nowszych typów tranzystorów, których struktura wewnętrzna zajmuje odpowiednio niewielką ilość miejsca, aby zapewnić wyższe częstotliwości przełączania. Jest to tylko ogólna wskazówka bardzo niewielu poziomów podatności na ESD. Wskazuje jednak, że wszystkie półprzewodniki, zarówno w postaci elementów dyskretnych, jak i układów scalonych, a także urządzenia elektroniczne z nich zbudowane, powinny być traktowane jako obiekty wrażliwe na ładunki elektrostatyczne. Dotyczy to np. dysków SSD.

Mechanizmy powstawania wyładowań elektrostatycznych

Skutki wyładowań elektrostatycznych zależą od dużej liczby zmiennych. Większość z nich jest trudna do oszacowania. Poziom nagromadzonych ładunków elektrostatycznych różni się w zależności od użytych materiałów, wilgotności powietrza, a nawet wzrostu człowieka. W uproszczonym ujęciu, człowiek jest reprezentowany jako kondensator, na którym utrzymywany jest ładunek. Przeciętna pojemność elektryczna człowieka, może się wahać pomiędzy 100pF a 300pF. Sposób, w jaki zachodzi wyładowanie, również może się różnić. Często ładunek jest rozpraszany bardzo szybko: zwykle w mniej niż 100ns. W tym czasie, prąd szczytowy może wzrosnąć nawet do klikudziesięciu amperów. Prąd szczytowy i czas wyładowania zależą od wielu różnych czynników. Jeśli jednak używany jest metalowy przedmiot, taki jak pęseta lub szczypce z cienkimi końcówkami, szczytowa wartość prądu wyładowania ESD jest wyższa i osiągana w krótszym czasie niż w przypadku wyładowania przez palec. Dzieje się tak, ponieważ elementy metalowe wykazują znacznie niższą rezystancję przejścia dla wyładowania, niż w bezpośrednim kontakcie ze skórą człowieka. Jednak niezależnie od sposobu rozładowania, ta sama ilość ładunku zostanie rozproszona.

Wyładowania elektrostatyczne według standardu IEC61000-4-2

Aby zapobiec tworzeniu optymalnych warunków do tworzenia wyładowań ESD oraz szkodom, które może takie zjawisko wyrządzić, konieczne jest wzięcie pod uwagę kilku różnych scenariuszy, jakie mogą wystąpić oraz ich scharakteryzowanie. Scenariusze te wykazują różne poziomy narastania napięcia, różne poziomy naładowania i różne charakterystyki rozładowania. Obecnie istnieje wiele metod oceny układów scalonych pod kątem odporności na uszkodzenia przez wyładowania elektrostatyczne w warunkach produkcyjnych. Trzy popularne metody obejmują:

• HBM – model symuluje ładowanie ciała człowieka, a następnie wyładowanie poprzez zamknięcie obwodu gołym palcem do masy obwodu testowego;
• MM – ten model symuluje naładowaną obudowę maszyny na linii produkcyjnej, która rozładowuje ładunek elektryczny do ziemi. Maszyna będzie miała powierzchnię przewodzącą o bardzo niskiej rezystancji przejścia, a zatem wynikowe poziomy prądu mogą być znacznie wyższe, ale przez odpowiednio krótszy czas;
• CDM – model symuluje ładowanie układu scalonego, a następnie jego rozładowanie do uziemionej, metalowej powierzchni. Wyładowanie jest krótkotrwałe, ale mogą wystąpić wysokie wartości prądu w impulsie.

Metody te dobrze sprawdzają się przy testowaniu układów scalonych w środowisku produkcyjnym, ale nie są tak odpowiednie do zastosowań na poziomie aplikacji docelowej. Dlatego takie urządzenia elektroniczne jak telefony komórkowe, odtwarzacze MP3, aparaty cyfrowe i wiele innych, które mają połączenia zewnętrzne, muszą być odporne na wyładowania elektrostatyczne. Opisane modele wyładowań ESD, są szczegółowo opisane w normie IEC61000-4-2, która określa standardowe warunki testowe, jakie powinien wytrzymać sprzęt elektroniczny dopuszczony do dalszego użytku do odbiorcy docelowego. Norma zakłada, że ​​użytkownik nie podejmie żadnych środków ostrożności, aby zapobiec uszkodzeniom ESD i określa różne poziomy wyładowań, które sprzęt powinien wytrzymać. Typowa krzywa prądu wyładowania elektrostatycznego określona przez IEC61000-4-2 ma czas narastania do wartości szczytowej wynoszący około 1ns i szczytowy poziom prądu wynoszący około 30A. Ten ustandaryzowany przebieg jest wykorzystywany w ramach badania podatności sprzętu elektronicznego na wyładowania elektrostatyczne.

Zabezpieczenia ESD – jak skutecznie zapobiegać wyładowaniom elektrostatycznym?

W pewnym sensie, problematyka wyładowań elektrostatycznych w elektronice, przypomina problematykę antyseptyki w medycynie. Tak samo jak podczas operowania pacjenta należy zadbać o prawidłową dezynfekcję rąk, sali operacyjnej i instrumentarium chirurgicznego, tak w warsztacie elektronicznym należy zadbać o zapewnienie jak najlepszych warunków, które sprzyjają powstrzymywaniu przed gromadzeniem się ładunku statycznego. Przede wszystkim, należy unikać noszenia łatwo elektryzującej się odzieży (np. swetrów wełnianych), a na nadgarstku lub nodze, należy nosić opaskę antystatyczną z wbudowanym rezystorem o rezystancji 1MΩ. Zacisk krokodylkowy opaski antystatycznej powinien być podłączony do elementu, który jest na potencjale ziemi, tj. styk uziemienia ochronnego w gniazdku (dla instalacji elektrycznych w układzie TN-S i TN-C). Natomiast sprzęt, który jest poddawany montażowi lub naprawie, winien stać na stole, który jest wyłożony matą antystatyczną, również uziemioną. Mata antystatyczna powinna być wykonana z włókien węglowych, które neutralizują i rozpraszają ładunki statyczne. Zalecane jest także chodzenie w odzieży i butach wykonanych z materiałów antystatycznych. Podczas prac z elektroniką, nie należy nosić biżuterii. Wszelkie układy scalone i półprzewodnikowe elementy dyskretne, należy przechowywać w torebkach lub szufladkach w wykonaniu ESD. Natomiast nie należy wykonywać prac z elektroniką podczas burzy. Aby zmniejszyć prawdopodobieństwo wystąpienia wyładowań ESD, warto na stanowisku zamontować jonizator powietrza, który skutecznie usuwa ładunek statyczny i drobne cząstki stałe z powietrza.