Ochrona podzespołów elektronicznych i maszyn przed wyładowaniami elektrostatycznymi

1286

Autor:Tom Westcott, szef działu jakości i legislacji w firmie Distrelec

Uwzględnianie wyładowań elektrostatycznych (ESD) podczas produkcji sprzętu elektronicznego może wydawać się stratą czasu i zasobów. Jednak zaniedbanie tego aspektu może doprowadzić do poważnych problemów z jakością, które ujawnią się kilka dni, tygodni lub nawet miesięcy po sprzedaży. W tym artykule, Tom Westcott, szef działu jakości i legislacji w firmie Distrelec, wyjaśnia, dlaczego uwzględnienie ryzyka i wyzwań związanych z wyładowaniami elektrostatycznymi może zapobiec usterkom w terenie oraz zwiększyć ogólną jakość procesu montażu.

Przyczyny i skutki wyładowań elektrostatycznych

Wyładowania elektrostatyczne mogą mieć wiele przyczyn, a niektóre z nich są zaskakujące. Na przykład: ładunki mogą zbierać się na rolkach lub dyspenserach taśmy i osiągać wartość kilku tysięcy woltów. Głównym powodem jest to, że takie przedmioty są izolatorami, co umożliwia gromadzenie się ładunków. Nawet na torebkach foliowych z podzespołami elektronicznymi mogą zbierać ładunki o wartości od kilkuset do ponad 1000 V. Jeśli zostaną one rozładowane przez podzespoły półprzewodnikowe, może to prowadzić do kilku problemów.

Odpowiednio wysoki prąd może na przykład spowodować uszkodzenie złączy półprzewodnikowych, a ryzyko jest jeszcze większe w przypadku najnowszych wysokowydajnych elementów produkowanych w architekturze 10 nm i 7 nm. Elementy te mają bramki wykonane z tlenków o grubości kilku nm, które działają na niskim napięciem i są jeszcze bardziej podatne na uszkodzenia spowodowane impulsami wyładowań elektrostatycznych o wysokim napięciu.

Nawet jeśli usterka nie wystąpi natychmiast, złącze może zostać osłabione, gdyż impuls uszkadza warstwę tlenku. Może to zmniejszyć żywotność elementów i doprowadzić do usterki w terenie lub zmian kluczowych parametrów, takich jak szybkość przełączania czy zużycie energii.

Silne wyładowanie może przebić izolację i powodować zwarcia w metalizacji różnych podzespołów, nie tylko półprzewodników. Zmniejsza to średni czas między awariami (MTBF) modułu lub układu w porównaniu z wyliczoną wartością, co może prowadzić do przedwczesnych usterek w terenie.

Uszkodzenia mogą być także powodowane przez wyładowania elektrostatyczne wywołane przez maszyny. Ma to miejsce, gdy w trakcie produkcji nieuziemiona część maszyny lub narzędzia styka się z elementem wrażliwym na wyładowania elektrostatyczne i nie zostaje to zauważone.

Trzecim źródłem, o którym trzeba pamiętać, są wyładowania elektrostatyczne wywołane przez same naładowane elementy (charged-device-model, CDM). Zachodzi to, gdy element lub podzespół sam wytwarza ładunek, który następnie styka się z powierzchnią przewodzącą. Następujące w wyniku tego szybkie rozładowanie może uszkodzić element wrażliwy na takie wyładowania.

Kluczowe normy, o których należy pamiętać

Pierwszym krokiem, który należy podjąć w celu ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi, jest zapewnienie zgodności wszystkich podzespołów elektronicznych z najnowszymi normami międzynarodowymi.

Wymagania dotyczące ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi są zawarte w normie IEC 61340-5-1, a metody w postaci instrukcji w normie IEC 61340-5-2.

Norma IEC 61000-4-2 opisuje testowanie symulowanych wyładowań elektrostatycznych o różnych poziomach wywołanych przez ludzkie ciało w wyniku kontaktu lub przez powietrze.

Poziom Napięcie testowe (wyładowanie stykowe) Napięcie testowe (wyładowanie powietrzne)
1 2 kV 2 kV
2 4 kV 4 kV
3 6 kV 8 kV
4 8 kV 15 kV

 

Norma IEC 60749-28:2017(E), przeznaczona dla producentów układów scalonych, zawiera procedury testowania i klasyfikowania układów według ich wrażliwości na uszkodzenia wynikające z wyładowań elektrostatycznych wywołanych przez same naładowane elementy (model charged-device-model, CDM). Wszystkie elementy półprzewodnikowe, układy cienkowarstwowe, elementy wykorzystujące akustyczne fale powierzchniowe (SAW), elementy optoelektroniczne, hybrydowe układy scalone oraz moduły multi-chip (MCM) zawierające dowolne z tych elementów muszą być oceniane zgodnie z tą normą i testowane w obudowach zbliżonych do zastosowań końcowych. Pozwala to zapewnić montażystów o niezawodności elementów, ale nie zwalnia ich z odpowiedzialności za ostrożną obsługę tych elementów.

W USA norma ANSI/ESD S20.20-2014 Protection of Electrical and Electronic Parts, Assemblies and Equipment (Excluding Electrically Initiated Explosive Devices) zawiera techniczne wymagania względem programów kontrolnych wyładowań elektrostatycznych przekraczających 100 V.

Przykłady skutecznych rozwiązania w zakresie wyładowań elektrostatycznych

Katastrofalne w skutkach usterki spowodowane przebiciem lub uszkodzeniem warstwy tlenku złącza w wyniku wyładowań elektrostatycznych w podzespołach elektronicznych są przeważnie wyłapywane w trakcie procesu kontroli końcowej. Jednak często to ukryte usterki mają większy wpływ na ogólną niezawodność układów i dlatego powinno się stosować kilka metod minimalizowania ryzyka wystąpienia wyładowań elektrostatycznych w łańcuchu dostaw.

Główny sposobem na uniknięcie wyładowań elektrostatycznych jest oczywiście korzystanie ze stanowisk roboczych. Umieszczenie taśm antystatycznych na obuwiu, stołach roboczych i sprzęcie oraz szkolenie pracowników w zakresie typowych przyczyn może zredukować ryzyko wystąpienia takich incydentów. Jednak, aby uniknąć problemów w zakładzie, wymagana jest wspólna powierzchnia uziemiająca.

Robotic arm working on a production line

Głównym rozwiązaniem problemu z wyładowaniami elektrostatycznymi wywoływanymi przez maszyny jest uziemienie części maszyny lub narzędzia, ale może to oznaczać konieczność wymiany wielu narzędzi w linii produkcyjnej lub dodanie przewodów uziemiających do tych narzędzi.

Z kolei wyładowania w modelu CDM można zminimalizować poprzez wykorzystanie jonizatorów generujących strumienie dodatnich i ujemnych jonów, które zapobiegają gromadzeniu się ładunków na elementach. Ograniczenie przenoszenia części w zakładzie, posiadanie odpowiednio ekranowanych pojemników oraz wspólnej powierzchni uziemiającej także może pomóc w zredukowaniu wpływu takich właśnie wyładowań.

Ważne jest nie tylko uziemienie stanowiska roboczego, ale też przechowywanie. Woreczki antystatyczne mogą z czasem stracić swoje właściwości, a pojemniki na elementy i narzędzia także muszą zabezpieczać przez gromadzeniem się ładunków elektrostatycznych.

Jonizatory pozwalają uniknąć gromadzenia się ładunków na narzędziach i stanowiskach roboczych, ale należy pamiętać też o dopilnowaniu obu emiterów i równowadze między dodatnimi i ujemnymi jonami.

Jonizatory mogą też być źródłem informacji o warunkach elektrostatycznych i stanie sprzętu. Powiązanie pochodzących z jonizatora danych diagnostycznych i parametrów z systemami zarządzania fabryką — w ramach przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) — może być źródłem wartościowych informacji, która pozwolą zwiększyć niezawodność i mogą zostać wykorzystane do oceny bezpieczeństwa i zarządzania ryzykiem.

Projektanci i konstruktorzy sprzętu biorą pod uwagę wyładowania elektrostatyczne na poziomie układowym i dodają elementy zabezpieczające, które chronią przed wyładowaniami, zwłaszcza w urządzeniach z interfejsami o dużej szybkości. Zabezpieczenia przed wyładowaniami elektrostatycznymi muszą być odpowiednio kategoryzowane pod kątem stanów przejściowych, a ponadto parametry elektryczne nie powinny powodować problemów z integralnością sygnału interfejsu danych. Skuteczna ochrona przed wyładowaniami elektrostatycznymi (możliwa dzięki dodaniu diod do układu) przeważnie cechuje się niezwykle szybkim czasem reakcji, niskim napięciem roboczym i przebicia, niskim prądem upływowym oraz małą pojemnością.

Trzeba też pamiętać, że powyższe metody chronią przed wyładowaniami w terenie, w trakcie pracy sprzętu, ale podzespoły nadal mogą być narażone na wyładowania na poszczególnych etapach montażu. Dlatego też unikanie wyładowań elektrostatycznych powinno pozostać priorytetem dla konstruktorów maszyn oraz integratorów systemowych w trakcie całego procesu.

Wnioski

Istnieje wiele sposobów ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi w ramach łańcucha dostaw elementów elektronicznych. Elementy należy dokładnie testować po wyprodukowaniu, a następnie transportować i montować, mając wyładowania elektrostatyczne na uwadze. Projektanci mogą także dodawać wysokowydajne diody bez negatywnego wpływu na wydajność urządzeń.

Jednak główne ryzyko jest związane z procesem montażu. Czynnik ludzki oraz szkolenie montażystów może zmniejszyć ryzyko nieprzewidzianych uszkodzeń elementów, a włączenie jonizatorów do zakładowego systemu zarządzania może zredukować to ryzyko jeszcze bardziej. Wszystko to gwarantuje, że niezawodność sprzętu w terenie będzie zagrożona w minimalnym stopniu.

Źródło: DTCA