Wszystko o ESD (Część I)

W latach 80-tych oraz 90-tych zjawisko ESD było przyczyną wysokich strat w przemyśle elektronicznym. Szacunki strat, wywołanych przez ESD w przypadku poszczególnych sektorów przemysłu elektronicznego zawiera poniższa tabela: Tabela: Straty wywołane przez zjawisko ESD Źródło: Stephen Halperin, ‘Guidelines for Static Control Management’, Eurostat 1990 Koszt uszkodzenia pojedynczego komponentu waha się od kilku centów w przypadku prostych diod, dochodząc do dziesiątek dolarów w przypadku skomplikowanych układów hybrydowych. Do kalkulacji należy niewątpliwie dodać również niejednokrotnie wyższe koszty napraw, przeróbek, ponownej wysyłki, robocizny itp. Powstanie ładunku Elektryczność statyczna jest zwykle definiowana jako brak równowagi elektronów na powierzchni materiału. Owy brak równowagi pomiędzy elektronami generuje pole elektryczne, które z kolei może oddziaływać na inne obiekty, również oddalone od niego na pewien dystans. Rozładowanie elektrostatyczne jest z kolei definiowane jako transfer ładunku pomiędzy materiałami o różnych potencjałach elektrycznych. Wyładowanie elektrostatyczne może doprowadzić do zmiany charakterystyk półprzewodnika, zakłócić jego działanie lub całkowicie go zniszczyć. Podobnie, wyładowanie elektrostatyczne może zakłócić normalne działanie systemu elektronicznego, powodując wadliwe działanie lub awarię sprzętu. Kolejny problem, powodowany przez elektryczność statyczną, dotyczy miejsc produkcji o podwyższonej czystości: naładowane powierzchnie najczęściej przyciągają drobne zanieczyszczenia, których usunięcie jest bardzo trudnym zadaniem. Kontrola zjawiska ESD wymaga poznania mechanizmów jego powstawania. Ładunek elektrostatyczny najczęściej powstaje poprzez kontakt i rozdzielenie dwóch materiałów. Przykładowo, osoba idąca po powierzchni generuje ładunek elektrostatyczny na przemian stykając i podnosząc nogę z podłoża. Komponent elektroniczny ślizgając się w tę i z powrotem w torebce, magazynku czy lasce również wytwarza taki ładunek, jako że jego obudowa czy metalowe części wielokrotnie stykają się i rozdzielają z powierzchnią pojemnika. Rysunek: Kontakt i separacja materiałów powoduje powstanie ładunku elektrycznego. Źródło: Electrostatic Discharge Association, 2001 Powstanie ładunku elektrycznego przez kontakt i rozdzielenie materiałów określane jest często jako ładowanie tryboelektryczne. Jego istotą jest przejście elektronów pomiędzy materiałami. Atomy materiału nie naładowanego elektrycznie charakteryzują się równą ilością dodatnich protonów (+) oraz ujemnych elektronów (-). Na rysunku powyżej materiał A składa się z atomów o równej ilości protonów czy elektronów, podobnie jak i materiał B: oba są neutralne elektrycznie. Kiedy dwa materiały wchodzą w kontakt i następnie zastają rozdzielone, ujemnie naładowane elektrony przechodzą z powierzchni jednego materiału na drugi. Który z materiałów nabywa, a który traci elektrony, zależy od ich właściwości fizycznych. Materiał który traci elektrony staje się naładowany dodatnio, materiał który nabywa elektrony, posiada ładunek ujemny. Wielkość ładunku, jaki powstaje w przypadku ładowania tryboelektrycznego, zależy od powierzchni kontaktu, szybkości odseparowania, wilgotności otoczenia oraz innych czynników. Kiedy ładunek elektryczny zostaje na powierzchni materiału, staje się on ładunkiem elektrostatycznym, a jego rozładowanie nazywane jest zjawiskiem ESD (electrostatic discharge) Tabela: Przykłady ładunku elektrycznego, generowanego przez codzienne czynności produkcyjne Źródło: Electrostatic Discharge Association Ładunek elektrostatyczny może zostać wytworzony również poprzez indukcję, bombardowanie jonami lub kontakt z innym, naładowanym obiektem. Jednak, ładowanie tryboelektryczne jest najczęściej spotykanym sposobem powstania ładunku. Szereg tryboelektryczny Kiedy stykają się i rozdzielają dwa materiały, polaryzacja I wielkość ładunku uzalezniona jest od pozycji materiału w tzw. szeregu tryboelektrycznym. W przypadku ładowania tryboelektrycznego dwóch różnych materiałów, dodatni ładunek elektryczny powstanie na materiale, który jest pozycjonowany wyżej w szeregu tryboelektrycznym, ładunek ujemny powstanie natomiast na materiale, znajdującym się na niższych pozycjach. Co więcej, im większe jest oddalenie pozycji dwóch materiałów w szeregu tryboelektrycznym, tym większy powstanie ładunek. Należy jednak podkreślić, iż tabele tryboelektryczne powinny być używane jedynie jako generalne wskazówki, ponieważ na zjawiska ESD wpływa również cały szereg innych czynników. Przykład szeregu tryboelektrycznego pokazuje poniższy rysunek: Rysunek. Szereg tryboelektryczny Kolejna część cyklu w piątek 15.01 Źródło: artykuł oparty na materiałach udostępnianych przez Electrostatic Discharge Association