В. Новоселов

ESD: как обезвредить «киллера»

Статическое электричество — невидимый “киллер” для микросхем высокой степени интеграции, наносящий ощутимые убытки при недооценке его силы. В прессе сообщалось о производителях телекоммуникационного оборудования, которые, благодаря введению комплекса мер по защите от статического электричества, снизили потери от брака вдвое — пример поучительный. Действительно, оснащение электронных производств средствами антистатической защиты стало стандартом, игнорировать который солидные фирмы сегодня уже не могут себе позволить. Несмотря на то, что электростатический заряд является переносчиком лишь небольшого количества энергии, высокая разность потенциалов и большая скорость их изменения влекут образование токов, достаточных как для мгновенного выхода из строя чувствительных электронных схем, так и для нанесения кристаллу изначально незаметных повреждений. Следствием последних является деградация параметров микросхемы и постепенный отказ. Очевидно, локализация и ремонт отказавшего модуля (стойки, комплекса) в ходе эксплуатации приводит к досадным издержкам, а в ответственных случаях может обернуться и драмой.

Когда и как образуется электростатический заряд? Примеры: при влажности воздуха 65–90% человек, идущий по ковру, генерирует потенциал до 1000 В; сидящий на стуле с полиэтиленовым покрытием — 1500 В; поднимающий со стола портфель из синтетического материала — до 1200 В. При влажности 10–20% значения напряжений составляют соответственно 35000, 18000 и 20000 В, в то время как для некоторых изделий микроэлектроники потенциал в сотни вольт является фатальным.

Пути образования электростатического заряда:

• трибоэлектрический (при разделении двух контактирующих поверхностей, одна заряжается положительно, другая — отрицательно. Примеры: перемещение объектов по поверхности стола, хождение по ковровой поверхности, работа монтажным инструментом);
• индукционный (при перемещении заряженного объекта вблизи незаряженного, во втором генерируется статический заряд с противоположным знаком. Пример: прикосновение к корпусу микросхемы статически заряженным пальцем руки);
• емкостной (Q(заряд) = С(емкость) x U(напряжение), поэтому уменьшение C вызывает рост U. Пример: поднятие сумки со стола может воздействовать статическим напряжением на лежащую рядом микросхему).

Отмечая принципиальную необходимость обеспечения достаточной влажности воздуха в рабочей зоне, рассмотрим другие аспекты защиты от статического электричества. В качестве терминологической базы примем общеевропейские стандарты EN100015 / Basic Specification: Protection of Electrostatic Sensitive Devices и IEC61340-5 / Electrostatics. Part 5: Specification for the Protection of Electronic Devices from Electrostatic Phenomena.

Введём следующие обозначения:

• ESD (Electrostatic Discharge) — электростатический разряд, то есть передача электростатического заряда между объектами с разными электростатическими потенциалами, происходящая через непосредственное контактирование объектов или индуцированная электростатическим полем.
• ESDS (Electrostatic Discharge Sensitive Devices) — дискретные интегральные микросхемы и сборки, которые могут быть повреждены действием электрических полей или электростатического разряда при работе, в процессе хранения, транспортировки или тестирования.
• EPA (ESD-protected Area) — зона, в которой можно оперировать ESDS-элементами с минимальным риском повреждения.

С точки зрения ESD-безопасности, антистатические материалы классифицируются на четыре типа (в соответствии с грядущими общеевропейскими стандартами, этим типам будут соответствовать буквенные обозначения на упаковке справа от стандартного символа ESD (кисть руки в чёрном треугольнике на жёлтом фоне)):

• S — защитные (shielding), если при разряде напряжения 1000 В внутри упаковки регистрируется напряжение не более 50 В;
• D — рассеивающие статическое электричество (dissipative) с поверхностным сопротивлением 1 МОм...1000 ГОм, измеренным при напряжении 100 В постоянного тока; время стекания статического заряда от 1000 до 100 В должно быть в пределах 2 секунд при сопротивлении более 10 ГОм;
• L — слабозарядные (lowcharging), если потенциал не более 300 В образуется на образце при трении качения цилиндров из фетра и эпоксидной смолы. Все измерения проводятся при уровне влажности 12%RH ± 3% и температуре 23 ± 2°C;
• C — проводящие статическое электричество (conductive) с поверхностным сопротивлением 1 КОм...1 МОм, измеренным при напряжении 10 В постоянного тока; сопротивление токопроводящих изделий к земле должно быть менее 1 ГОм с учётом проводимости промежуточных объектов (например, материалов покрытия стола).

Изделия (в том числе, инструмент и упаковка) считаются антистатическими (ESD-approved), если они защищают ESDS-элементы от:

• прямого неконтролируемого разряда любого заряженного объекта через ESDS-элемент;
• неконтролируемого прямого заряда или разряда самого ESDS-элемента;
• неконтролируемого трибоэлектрического или индукционного заряда ESDS-элемента.

Внутри ESD-защищённой зоны (EPA) не должно быть напряжений более 100 В/см; следует использовать только настоящие антистатические материалы, обеспечить достаточную влажность и надёжное заземление; удалить незаземляемые изделия и материалы (пример допустимого исключения: маленькая кнопка прибора, находящегося на расстоянии не менее 0,5 м от рабочей зоны); при наличии диэлектриков рекомендуется нейтрализовывать их заряд ионизацией воздуха; персоналу необходимо соблюдать надлежащие правила поведения. Антистатическими свойствами должны обладать паяльные станции, монтажные инструменты, приборы (включая корпуса, органы управления и шнуры питания), материалы покрытий столов, стульев, полок и пола, кассеты (ячейки) для хранения компонентов, тележки для транспортировки продукции, спецодежда и обувь, обложки для докуметов (чертежей, схем), а также таблички с инструкциями. Защищённая зона EPA маркируется по периметру жёлтой линией со стандартными символами ESD (например, с помощью антистатической клейкой ленты-скотча). На ответственного сотрудника — “ESD-координатора” — возлагаются функции ежедневного контроля за соблюдением правил ESD-безопасности. Периодически может и должен проводиться также независимый ESD-аудит. В распоряжении ESD-координатора должны быть приборы контроля влажности, статического заряда и сопротивления (проводимости). Типовое рабочее место радиомонтажника или специалиста по ремонту включает в зоне EPA следующие антистатические объекты: паяльную станцию, монтажный инструмент, контейнеры с компонентами, настольный коврик, браслет с гарнитурой, объединительный узел заземления, напольное заземляющее покрытие, стул (полностью антистатический или с заземляющими чехлами на сиденье и спинке). Наручный браслет относится к высшей категории качества, если он износостойкий, неаллергический, удобный, с “анатомической” пряжкой, без металлических и угольных составляющих в эластичном ремешке. К кнопке браслета (4 мм) подключается гарнитура заземления — шнур с соединителями по выбору в зависимости от ответного разъёма: как правило, им является кнопка (10 мм) на настольном коврике или объединительный узел на боковой стенке стола или на стене.

Настольный антистатический коврик высшего качества обычно двухслойный: верхний слой рассеивающий, нижний — проводящий на землю. Коврик должен быть износостойким, негорючим, термостойким (чтобы выдерживать случайные прикосновения паяльником), не выделять газов, иметь однотонную спокойную расцветку. А вот антистатическое покрытие пола лучше иметь матовым c цветными вкраплениями, чтобы не выделялись места потертостей после длительной эксплуатации. Покрытие пола должно быть также износостойким, шумопоглощающим, негорючим, термостойким, не выделять газов. Оно крепится на напольную металлическую сетку или сборные металлические плиты проводящим клеем. Антистатический стул должен иметь негорючее, термоcтойкое покрытие с сопротивлением порядка 1 МОм с временем стекания заряда не более 0,5 с; конструкция стула должна соответствовать стандартам эргономичности.

Спецодежда с ESD-маркировкой (халаты, футболки) для работы в зоне антистатической защиты имеют в составе ткани 96% хлопка и 4% проводящего волокна, обеспечивающего сопротивление порядка 3 МОм и время стекания заряда — не более 0,3 с; ткань белая или голубая, плотностью 135 г/м²; число стирок без утраты антистатических свойств — не менее 50. Обувь на основе натуральной кожи с сопротивлением не более 3,5 МОм. При отсутствии специальной обуви используются заземляющие ремешки для обеспечкния стекания заряда с лодыжечной части ноги человека на покрытие пола. Разумеется, антистатическую рабочую одежду и обувь персонала следует содержать в чистоте.

Следует подчеркнуть, что ESD-безопасность должна обеспечиваться не только на рабочем месте радиомонтажника, но на всех этапах производства, транспортировки и хранения ESDS-продукции, а также в ремонтных мастерских. Капиталовложения, необходимые для реализации комплекса мер по защите от статического электричества, компенсируются повышением процента выхода годных изделий и снижением расходов на гарантийное обслуживание.

С деятельностью крупного европейского производителя антистатической продукции — итальянской фирмы ELME (www.elme.it) можно будет познакомиться ближе на предстоящем семинаре по паяльно-ремонтному оборудованию ERSA (www.ersa.de) 12 мая в Москве.

Тел.: (812) 278 8421
факс: (812) 278 8484
E-mail: vic@novlink.spb.ru