Wyładowania elektrostatyczne (ESD) Definicja

Choć na co dzień bywa niepozorne, niezauważalne i (zwykle) nieszkodliwe, wyładowanie elektrostatyczne w procesie produkcji obwodów drukowanych potrafi być prawdziwym problemem. Jego wystąpienie bywa głównym czynnikiem powodującym awarie urządzeń w zakładach produkcji elektroniki - straty produktowe spowodowane wyładowaniami elektrostatycznymi mogą wynieść od 8% do nawet 33%. 

Dlatego tak ważna jest umiejętność kontrolowania, a w zasadzie - zapobiegania powstawaniu ich w niewłaściwym miejscu oraz czasie. Jest to możliwe, dzięki stosowaniu przez producentów elektroniki odpowiednich procesów i technik, które przeciwdziałają ewentualnym zanieczyszczeniom ESD.

Czym jest wyładowanie elektrostatyczne?

Wyładowanie elektrostatyczne (ang. Electrostatic Discharge; ESD) to nagły, chwilowy przepływ prądu elektrycznego pomiędzy dwoma obiektami o różnych potencjałach elektrycznych, wytworzonych zazwyczaj poprzez elektryzowanie, spowodowany bezpośrednim kontaktem lub uszkodzeniem izolatora elektrycznego. 

Zjawiska ESD występują wokół nas przez cały czas - to wrażenie, którego doznajemy podczas wyjmowania prania z suszarki lub przy dotknięciu metalowej klamki drzwi po przejściu po dywanie, czy też zdecydowanie bardziej groźna i widowiskowa burza z piorunami.

Terminu ESD używa się w elektronice oraz przemyśle do opisania chwilowych, niechcianych przepływów prądów, które mogą spowodować uszkodzenie sprzętu elektronicznego, ponieważ wiele urządzeń jest czułych na wyładowania elektrostatyczne - np. układy scalone które są wykonane z materiałów półprzewodnikowych (np. krzem) i materiałów izolacyjnych (min. dwutlenek krzemu). Materiały te mogą ulec trwałemu uszkodzeniu w wyniku wystąpienia nawet niewielkiego napięcia.

ESD w produkcji elektroniki

W kontekście produkcji elektroniki wyładowanie elektrostatyczne stanowi znaczące zagrożenie. Często poziom ładunku jest bardzo niski, a sami producenci nie zdają sobie sprawy z istnienia problemu z ESD, dopóki nie jest za późno - bez odpowiednich zabezpieczeń przed wyładowaniami elektrostatycznymi, te niepozorne na ogół impulsy, są w stanie poważnie uszkodzić czułą elektronikę (min. zniszczyć płytki drukowane i mikroprocesory).

Koszty takiego uszkodzenia urządzenia mogą być groszowe - np.  w przypadku zwykłej diody lub sięgać tysięcy, w przypadku awarii bardzo złożonego układu elektronicznego. Zaś same defekty spowodowane przez ESD mogą wpływać na komponenty elektroniczne na wiele sposobów.

Jawne awarie komponentów

Do jawnej awarii komponentów dochodzi, gdy ich uszkodzenie jest natychmiastowe. Wyładowanie elektrostatyczne o odpowiednio wysokim natężeniu może uszkodzić wewnętrzne obwody komponentu. W takim przypadku dochodzi do stopienia metalu lub przebicia tlenku w miejscach, gdzie ścieżka przewodząca jest zbudowana z warstw izolacyjnych. 

Wady ukryte

Są zdecydowanie większym wyzwaniem dla producentów elektroniki. Defekty ukryte powstają, gdy wyładowanie elektrostatyczne zostaje wywołane na niższych poziomach napięcia. Wyładowanie elektrostatyczne o potencjale 30 V, które jest zbyt małe do wykrycia za pomocą zmysłów fizycznych, jest więcej niż wystarczające do uszkodzenia większości układów scalonych!

Niższe poziomy ESD mogą wpływać negatywnie na metal i izolację części, jednak nie powodując całkowitego uszkodzenia produktu, które byłoby możliwe do szybkiej identyfikacji w trakcie procesu produkcji. Problemy te objawiają się później i mogą skrócić żywotność urządzenia lub spowodować jego nieprawidłowe działanie.

Zapobieganie wyładowaniom elektrostatycznym

Niewątpliwym plusem miniaturyzacji w elektronice są coraz mniejsze rozmiary komponentów, pozwalające na produkcję o wiele bardziej kompaktowych urządzeń. Jednocześnie im mniejsze elementy zastosujemy, tym bardziej podatne na wyładowanie elektrostatyczne stają się ich wewnętrzne obwody. Dlatego tak ważne jest, aby producenci kontraktowi elektroniki zachowywali jak największą ostrożność w trakcie całego procesu produkcji, wdrażając odpowiednie procedury oraz technologie zapobiegające możliwości powstania potencjalnie niekorzystnych i niekontrolowanych przepływów prądu.

Aspekty, o które powinno się zadbać podczas opracowywania programu przeciwdziałania ESD

Cały proces produkcji, a także jego otoczenie, postępowanie z komponentami powinno być ściśle kontrolowane, aby zapewnić wysoki poziom ochrony wrażliwym elementom elektronicznym od ich przyjęcia do końcowego montażu.

1. projektowanie produktów w taki sposób, aby cały produkt lub jego szczególnie wrażliwe komponenty, były bardziej chronione przed wystąpieniem ESD;
2. ochrona produktów oraz podzespołów elektronicznych przed ESD poprzez zastosowanie odpowiednich elementów uziemiających, bocznikujących i kontrolujących ładunki elektrostatyczne;
3. zapewnienie odpowiedniego przeszkolenia i przygotowania techników montażu do pracy z komponentami szczególnie wrażliwymi na wyładowanie elektrostatyczne;
4. określenie poziomu kontroli wymaganego przez środowisko - zgodnie z różnymi klasami wrażliwości na wyładowanie elektrostatyczne:
   - dla modelu ciała ludzkiego (ang. Human Body Model; HBM),
   - dla modelu naładowanego urządzenia (ang. Charged Device Model; CDM), 
   - dla modelu maszynowego (ang. Machine Model, MM) - wyłącznie w przypadku przeprowadzania automatycznych testów układów scalonych za pomocą maszyn−automatów;
5. określenie obszarów chronionych elektrostatycznie (ang. Electrostatic Protected Area; EPA) - typowe obszary tego typu obejmują przyjęcia, kontrolę, montaż, magazyny, badania i rozwój, pakowanie, naprawy, laboratoria i pomieszczenia czyste - czyli miejsca, w których dochodzi do styczności z komponentami wrażliwymi na mogące się pojawić wyładowanie elektrostatyczne;
6. zapewnienie odpowiednich ścieżek uziemienia - pozwoli to na wyeliminowanie lub ograniczenie procesów generujących ładunki elektrostatyczne;
7. stosowanie materiałów antystatycznych, a także wdrażanie uziemienia i jonizacji do kontroli statycznej - od zapewnienia pracownikom odpowiedniej odzieży i obuwia lub pasków ESD na nadgarstki i pięty, przez farby, maty i podłogi antystatyczne, po oprzyrządowanie i rozwiązania opakowaniowe odporne na wyładowanie elektrostatyczne.