wersja mobilna
Online: 702 Sobota, 2016.12.10

Technika

Niszcząca siła wyładowań elektrostatycznych

poniedziałek, 17 września 2007 13:05

Wyładowania elektrostatyczne (Electro-Static Discharge ESD) uszkadzają układy półprzewodnikowe MOS, w sposób zazwyczaj niezauważalnie. Co więcej, głównym źródłem wyładowań elektrostatycznych jest sam człowiek.

Dzieje się tak, gdyż nie dostrzegamy wyładowań o napięciu poniżej 3kV. Wyładowania o napięciu wyższym od 5kV widoczne są w postaci iskry. Napięcie to silnie zależy od wilgotności powietrza i materiału, jakim pokryta jest podłoga.

Rys. 1. Maksymalna wartość napięcia wyładowania elektrycznego zależy od wilgotności powietrza i rodzaju otoczenia

W gorący letni dzień, gdy powietrze jest suche, czyli wilgotność wynosi około 20%, napięcie wytwarzane przez człowieka może osiągać 12kV (rys. 1). Elementy i urządzenia wrażliwe na wyładowania elektrostatyczne oznacza się symbolem pokazanym na rys. 2.

Najczęstszym uszkodzeniem, jakie powodują wyładowania elektrostatyczne jest przebicie dielektryka umieszczonego pod bramką tranzystora MOS. Coraz szybsze tranzystory używane w układach scalonych charakteryzują się niestety coraz mniejszym napięciem przebicia dielektryka. W przypadku przebicia może dojść do przegrzania i ewentualnego zwarcia. Wtórnym zjawiskiem jest możliwość wypalenia połączeń. Wypalenie między elementami może się objawiać jako zwiększenie prądów upływu bądź zwarcie. Uszkodzenie spowodowane wyładowaniem elektrostatycznym, może również pogorszyć parametry przyrządu, o ile go wcześniej nie uszkodziło. O ile jednak w przypadku uszkodzenia całego układu scalonego nic nie działa, to wykrycie uszkodzenia polegającego na pogorszeniu parametrów roboczych układu może przysporzyć wielu początkowo utajnionych kłopotów.

Projektanci i producenci układów cyfrowych wbudowują w układy scalone zabezpieczenia przed skutkami wyładowań elektrostatycznych. W zależności od typu i przeznaczenia układu maksymalne napięcie wyładowania elektrostatycznego waha się od jednego do kilkunastu kV, a najczęściej stosowane są zabezpieczenia do napięcia 2kV. Nie tylko jednak sama wartość napięcia jest ważna, ale także warunki zewnętrzne, w których do wyładowania dochodzi. Dlatego oprócz maksymalnej wartości napięcia podaje się również typ źródła napięcia wyładowczego - czyli model warunków zewnętrznych. Ponieważ głównym źródłem problemów dla układów scalonych jest człowiek, najczęściej stosowanym modelem wyładowania elektrostatycznego jest HBM (Human Body Model). Inne, również często spotykane to MM (Machine Model) i CDM (Charged Device Model). Te trzy typy, pokrywają ponad 95% wszystkich możliwych typów wyładowań elektrostatycznych.

Rys. 2. Symbol oznaczający układy bądź urządzenia elektroniczne podatne na wyładowania elektrostatyczne

Zabezpieczenie samego układu scalonego jednak nie jest wystarczające. Do innych metod służących ograniczeniu niszczących skutków ESD należy antystatyczne stanowisko pracy oraz odpowiednie projektowanie płytek drukowanych. Projektant nie ma dużego wpływu na to, jak jest wewnętrznie zabezpieczony używany przez niego układ scalony. Może się jedynie starać, by zminimalizować ryzyko wystąpienia wyładowania elektrostatycznego podczas pracy z układem, a także by energię zaistniałego wyładowania wytracić wcześniej, zanim dojdzie ona do układu scalonego.

Stanowisko pracy

Podstawową metodą ochrony stanowiska pracy przed wyładowaniami elektrostatycznymi jest uziemianie. Poprzez przyrząd uziemiający, taki jak np. opaska na nadgarstku operator jest bezpośrednio połączony z ziemią oraz z matą stołową we wspólnym punkcie. W ten sposób elementy wrażliwe, leżące na macie są uziemione, a ładunek w ciele ludzkim nie jest wytwarzany.

Oprócz uziemienia, do zabezpieczenia przed wyładowaniami stosuje się również ekranowanie, które ma za zadanie ochronę podczas magazynowania i przewożenia elementu. Do tego celu stosuje się skrzynki oraz torebki wykonane z materiałów przewodzących. Wszystkie produkty służące do ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi oznacza się symbolem pokazanym na rys. 3. W laboratoriach i halach produkcyjnych tworzy się strefy chronione antystatyczne (EPA - ESD Protected Area). Strefą może być całe pomieszczenie laboratoryjne lub tylko jego część. W takiej strefie dąży się do całkowitego wyeliminowania wyładowań elektrostatycznych.

W strefach chronionych stosowane są również neutralizatory. Są one niezbędne do odprowadzenia ładunku z elementów izolowanych, takich jak np. płytki drukowane). Do tego celu stosuje się urządzenia jonizujące.

Jednakże najważniejszym czynnikiem zabezpieczającym jest odpowiednia edukacja i szkolenie personelu.

Tabela 1. Klasyfikacja wrażliwości elementów na wyładowanie elektrostatyczne — HBM
KlasaZakres napięć
0poniżej 250V
1A250V do 500V
1B500V do 1000V
1C1000V do 2000V
22000V do 4000V
3A4000V do 8000V
3Bpowyżej 8000V
Projekt płytki drukowanej

Rys. 3. Tym symbolem oznacza się produkty służące do ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi

Układy scalone są również podatne na uszkodzenia wywołane przez ESD nawet po zamontowaniu na płytce drukowanej. W szczególności dotyczy to niezabezpieczonych portów wejść i wyjść kontrolerów, portów szeregowych, odbiorników Ethernet oraz portu urządzeń USB, które można włączać i wyłączać „na gorąco”, bez konieczności wyłączania zasilania. Dodatkowe funkcje w urządzeniach przenośnych zwiększają zagrożenie dla urządzeń, jakie niesie za sobą ESD oraz szybkie wiązki impulsów EFT (Electrical Fast Transient). EFT jest ciągiem impulsów symulujących indukcyjnie obciążony przełącznik. We wszystkich tych przypadkach niepodłączone wyprowadzenia są pewnym miejscem zniszczeń poprzez ESD i EFT.

Płytka drukowana powinna być tak zaprojektowana, aby zabezpieczała przed wyładowaniami elektrostatycznymi. Do dobrej praktyki inżynierskiej należy zaliczyć tworzenie dedykowanych warstw dla masy i napięcia zasilania oraz redukcję pętli przy prowadzeniu połączeń. Dodatkowo, dobrą metodą jest zastosowanie dyskretnych ograniczników napięcia. Ograniczniki te poprzez zwarcie redukują krótkotrwałe skoki napięcia, reagują szybko na zmiany napięcia w czasie oraz zajmują mało miejsca na płytce drukowanej. Najczęściej stosowanym elementem do tego celu jest dioda TVS (Transient Voltage Suppressor).

Diodę TVS należy stosować na wszystkich liniach wejścia i wyjścia danych i zasilania tych złącz. Umiejscowienie diody TVS jak najbliżej źródeł szumów zapewnia tłumienie skoków napięcia zanim impulsy poprzez sprzężenia przeniosą się na sąsiednie ścieżki. Ponadto, ścieżki na płytce drukowanej powinny być jak najkrótsze (rys. 4). Krótkie ścieżki poprzez małą impedancję zapewniają, że energia wyładowania zostanie wytracona w diodzie TVS, a nie w zabezpieczeniu ESD układu scalonego. Umiejscowienie wrażliwych ścieżek po środku, a nie na brzegach płytki drukowanej jest prostą metodą na zabezpieczenie przed ESD, w szczególności podczas montażu.

Rys. 4. Typowy model HBM

Jeśli to tylko możliwe, układy zabezpieczające powinny zwierać napięcie wyładowania do masy odniesienia lub obudowy, tak jak to pokazano na rys. 5. Zwarcie napięcia wyładowania bezpośrednio do masy chronionego układu może powodować odbicia. Skuteczność działania diody TVS na płytce jednowarstwowej może być znacznie polepszona poprzez zastosowanie krótkich i szerokich ścieżek mas, które zapewniają małą impedancję połączeń.

Pasożytnicze indukcyjności obudowy układu scalonego i ścieżek płytki drukowanej mogą spowodować znaczne przepięcia. Indukcyjności płytki drukowanej minimalizuje się stosując krótkie ścieżki i wielowarstwowe płytki z dedykowanymi warstwami dla masy i zasilania.

Ważne jest również unikanie lub minimalizacja obszaru pętli formowanych przez ścieżki sygnałowe i masy. Dzięki temu maleje emisja wytwarzana przez płytkę i jej wrażliwość na zaburzenia zewnętrzne. Najlepszą metodą jest zastosowanie wydzielonej warstwy dla masy, w szczególności, gdy połączenia są relatywnie długie. Zwiększenie odległości pomiędzy diodą TVS, a układem scalonym wzmacnia izolację kosztem powierzchni pętli, tak jak to pokazano na rys. 6.

Tabela 2. Klasyfikacja czułości elementów na wyładowanie elektrostatyczne
KlasaZakres napięć
M1poniżej 100V
M2100V do 200V
M3200V do 400V
M4powyżej 400V
Modele wyładowań elektrostatycznych

Rys. 5. Typowy model MM

Zwykły kontakt palca z urządzeniem powoduję rozładowanie zgromadzonego ładunku. Zjawisko to opisuje się modelem ciała ludzkiego HBM pokazanym na rys. 7. Zgodnie z tym modelem, kondensator o pojemności 100pF (człowiek) jest rozładowywany poprzez przełącznik i rezystor o wartości 1,5kΩ.

Wyładowanie podobne do wyładowania HBM może również nastąpić z naładowanego elementu przewodzącego, takiego jak metalowe narzędzie lub obudowa czy oprawka. Takie zjawisko modeluje się kondensatorem 200pF rozładowywanym bezpośrednio przez testowane urządzenie, bez rezystancji szeregowej - jak to pokazano na rys. 8. Wartość szeregowej indukcyjności jest pośrednio określona przez parametry przebiegu napięcia w czasie.

W praktyce mamy również do czynienia z wyładowaniami, w których to urządzenie ESDS (Electrostatic Sensitive Devices) jest źródłem i to od niego przepływa ładunek. W elemencie ESDS może zgromadzić się ładunek, i jeśli naładowany element zetknie się z przewodzącą powierzchnią, nastąpi bardzo szybkie rozładowanie z elementu do metalowej powierzchni. Zjawisko to nazywane jest CDM (Charged Device Model).Chociaż czas trwania wyładowania jest bardzo krótki, płynące prądy są niestety duże, i dla wielu urządzeń elektronicznych model CBM jest bardziej destrukcyjny niż HBM. Model wyładowania CDM pokazano na rys. 9.

Tabela 3. Klasyfikacja czułości elementów na wyładowanie elektrostatyczne
KlasaZakres napięć
C1poniżej 125V
C2125V do 250V
C3250V do 500V
C4500V do 1000V
C51000V do 1500V
C61500V do 2000V
C7powyżej 2000V
Klasyfikacja elementów

Każda z metod testowania elementów definiuje ich klasyfikację pod względem wrażliwości na wyładowania elektrostatyczne. Klasyfikacje te zostały zebrane w tabelach dołączonych do niniejszego artykułu. Systemy klasyfikacji mają kilka zalet. Pozwalają na łatwe grupowanie i porównywanie elementów elektronicznych zgodnie z ich wrażliwością na ESD. Dodatkowo dzięki klasyfikacji wiadomo, jaki stopień zabezpieczenia przed wyładowaniem elektrostatycznym wymagany jest dla wybranego elementu.

W pełni scharakteryzowany element powinien być sklasyfikowany z użyciem wszystkich trzech modeli (HBM, MM i CDM). Przykładowo, taki element może zostać sklasyfikowany jako 1C (1000 do 2000V HBM), M2 (100 do 200V MM) i C5 (1000 do 1500V CDM). Taka charakterystyka może pomóc użytkownikowi w decyzji, czy montaż i produkcję danego urządzenia powierzyć ludziom czy automatom. Warto jednak zaznaczyć, że cała klasyfikacja i podane wartości napięć, są zmierzone dla konkretnych warunków. Jakakolwiek ekstrapolacja tych wartości w inne warunki może prowadzić do błędów.

Rys. 6. Typowy model CDM

Rys. 7. Skuteczność działania diody TVS zwiększa się przy montowaniu jej blisko złącza minimalizując długość połączeń prowadzących do diody TVS

Rys. 8. Dołączenie diody TVS do masy obudowy lub masy zasilania pozwala uniknąć przenikania zakłóceń przez masę układu scalonego

Co robić? – czyli kilka rad na zakończenie

Rys. 9. Ścieżki danych i masy mogą tworzyć pętle, działające jak anteny, zwiększające wrażliwość oraz emisję zaburzeń przez płytkę drukowaną.

W celu zapewnienia niezawodności i wysokiej jakości oferowanych produktów, w których skład wchodzą urządzenia wrażliwe na wyładowana elektrostatyczne (ESDS) należy przestrzegać kilku podstawowych reguł. Praca z elementami ESDS może odbywać się tylko i wyłącznie w strefach ochronnych. Należy cały czas dbać o delikatne wyrównanie potencjału i stosować opaski i obuwie uziemiające, a także odpowiednie, kompletne ubranie robocze. Trzeba unikać używania w strefie bezpieczeństwa materiałów takich jak: PE, PVC czy styropian. Ważne jest też, by unikać pól elektrostatycznych o natężeniu większym niż 100V/cm, a do przenoszenia elementów używać odpowiednich skrzynek i torebek. Naturalnym jest, że bezpieczeństwo zwiększane jest przez przestrzeganie odpowiednich reguł projektowych.

W artykule zasygnalizowano tylko wybrane zagadnienia dotyczące rozległego tematu wyładowań elektrostatycznych. Więcej informacji można znaleźć w literaturze oraz w polskich normach, które zebrano w ramce.

Można sobie zadać pytanie, czy wszystkie te zabezpieczenia są zawsze potrzebne. Z pewnością, przy odrobinie szczęścia może się okazać, że wrażliwy układ scalony nie ulegnie uszkodzeniu. Inżynier nie powinien jednak polegać na szczęściu.

Wybrane Normy

Lista norm mających zastosowanie przy implementacji mechanizmów ochrony antystatycznej:

PN-EN 61340-5-1:2002 Elektryczność statyczna – Część 5-1: Ochrona przed elektrycznością statyczną przyrządów elektronicznych – Wymagania ogólne

PN-EN 61340-5-2:2002 Elektryczność statyczna. Część 5-2: Ochrona przyrządów elektronicznych przed elektrycznością statyczną. Przewodnik użytkownika.

PN-EN 61340-4-3:2003 Elektryczność statyczna – Część 4-3: Znormalizowane metody do określonych zastosowań – Obuwie

PN-EN 61340-2-3:2002 Elektryczność statyczna – Metody badań stosowane do wyznaczania rezystancji i rezystywności płaskich materiałów stałych, używanych do zapobiegania gromadzeniu się ładunku elektrostatycznego

PN-EN 61340-4-1:2004 (U) Elektryczność statyczna – Znormalizowane metody badań do określonych zastosowań – Rezystancja elektryczna wykładzin podłogowych i gotowych podłóg

PN-EN 61340-4-5:2004 (U) Elektryczność statyczna – Znormalizowane metody badań do określonych zastosowań – Metoda oceny ochrony antyelektrostatycznej w układzie: człowiek-obuwie-podłoga

PN-EN 1149-1:1999 Odzież ochronna Właściwości elektrostatyczne ­Rezystywność powierzchniowa (Metody badania i wymagania)

PN-EN 1149-3:2004 (U) Odzież ochronna - Właściwości elektrostatyczne – Metody badań do pomiaru zaniku ładunku

Dariusz Pieńkowski