ESD – Elektrosztatikus kisülés

ESD- Electrostatic discharge

1. Alapfogalmak

Az elektrosztatikus kisülés (ESD) az elektrosztatikus forrásból származó elektromos energia gyors felszabadulása. Amikor az elektromos energia érintkezik az alkatrésszel, vagy akár csak a közelében van az erre érzékeny alkatrészeknek, az károsodást okozhat.

Elektrosztatikus kisülésre érzékeny (ESDS) alkatrészeknek nevezzük az ilyen alkatrészeket. Egy alkatrész viszonylagos ESD érzékenysége a felépítéstől és a felhasznált anyagoktól függ. Ahogy az alkatrészek egyre kisebbé és gyorsabb működésűvé válnak, egyenes arányban nő érzékenységük.

A sztatikus elektromosság egy elektromos töltés, amely az anyag felületén lévő elektronok egyensúlyhiánya miatt lép fel. Az elektronoknak ez az egyensúlyhiánya létrehoz egy elektromos mezőt, amelyet mérni tudunk, és amely hatással van más tárgyakra egy bizonyos távolságban. Az elektrosztatikus kisülést definiálhatjuk, mint a töltések átvitelét a különböző elektromos potenciállal rendelkező testek között.

Az elektrosztatikus kisülés képes megváltoztatni a félvezető eszközök elektromos jellemzőit, lerontja, vagy megsemmisíti azokat. Az elektrosztatikus kisülés képes lehet még felborítani a normális működését egy elektronikai rendszernek, hibás működést vagy meghibásodást okozni a berendezésnek. Más problémákat is képes okozni a sztatikus elektromosság a tiszta terekben. A töltött felület magához vonzza és megtartja a szennyeződéseket, ezzel nehézzé teszi az eltávolításukat a környezetből. Amikor egy szilikon ostya vagy egy eszköz elektronikai sémája a felületéhez vonzza ezeket a szennyeződéseket ezek véletlenszerű ostya hibákat okozhatnak és csökkentik a termelési eredményeket.

Az elektrosztatikus kisülés kontrollálásához először is szükséges megértenünk, hogy az elektrosztatikus feltöltődés hogyan keletkezik. Az elektrosztatikus feltöltődés a legtöbbször két azonos vagy különböző anyag kapcsolódásából és szétválásából keletkezik. Például, egy személy a padlón sétálva elektromosságot gerjeszt a cipőjének a kapcsolódása és az elválása a padló felületétől. Egy elektronikai eszköz kicsúszása a tasakjából, a heveder vagy a tubus képes elektrosztatikus feltöltést generálni csakúgy, mint az eszközcsomagolók és/vagy a fém lábak képesek többszörös kapcsolatba kerülni és szétválni a tároló felületével. Miközben az elektrosztatikus feltöltődés nagysága különböző lehetnek ellenére sztatikus elektromosság generálódott.

Az elektrosztatikus feltöltődés generálódást egy kapcsolat és egy szétválás által triboelektronikus feltöltésként is ismert. Ez magába foglalja az elektronok átadását is az anyagok között. A sztatikus töltés nélküli anyag atomja egyenlő arányban tartalmaz pozitív protonokat az atommagban és negatív elektronokat az atommag körüli pályán. Az 1. ábrán látható “A” jelű anyag atomja egyenlő arányban tartalmaz protonokat és elektronokat. A “B” jelű anyag atomja is egyenlő arányban (noha talán különböző számú) tartalmaz protonokat és elektronokat. Mindkét anyag elektromosan semleges. Amikor a két anyag kapcsolatba kerül egymással, majd szétválnak egymástól a negatív töltésű elektronok átadódnak az egyik anyag felületéről a másik anyag felületére. Hogy melyik anyag veszti el az elektronjait és melyik szerez elektronokat az anyagok típusától függ. Az anyag amelyik elvesztette elektronjait az pozitívan lesz töltött, miközben a másik anyag amelyik elektronokat szerzett negatívan lesz töltött. Ezt mutatja a 2. ábra. Az aktuális töltöttségi mértéket Coulomb-ban mérjük. Rendszerint, annak ellenére, hogy elektrosztatikus potenciálról beszélünk egy anyagon, amit feszültségben fejezünk ki (Volt).

Ez az anyagok közötti kapcsolat, elektron átadás és szétválás a valóságban jóval bonyolultabb folyamat, mint ahogyan itt leírtuk. A triboelektromos töltés által létrehozott töltődés nagysága függ a kapcsolatba került terület nagyságától, a szétválás sebességétől, a levegő relatív páratartalmától és még más faktoroktól is. Ha egyszer a replikaorakeladok feltöltődés létrejött egy anyagon, akkor azt elektrosztatikus töltésnek nevezzük (amely az anyagon marad). Ez a töltés, amely átadódhat egy anyagról, elektrosztatikus kisülés vagy ESD eseményt hoz létre.

Elektromos túlterhelésnek (EOS) nevezzük az elektromos energia nem kívánt alkalmazását, ami az alkatrészek károsodásához vezethet. Ezt a károsodást több tényező is okozhatja, mint pl.: elektromos meghajtású berendezések a folyamatban, vagy az anyagkezelés ill. gyártásfolyamat során fellépő ESD kisülés.

ESD érzékeny (ESDS) alkatrészek a nem megfelelő kezelés vagy feldolgozás következtében elveszthetik működőképességüket, vagy változhat az értékük. Ezek a hibák lehetnek azonnaliak vagy látensek. Az azonnali hiba következtében további tesztelésre, újramunkálásra vagy selejtezésre lehet szükség. A látens hiba következményei a legsúlyosabbak. A termék hiába felelt meg a minőségellenőrzésen és a funkcionális teszten, a vevőhöz történő kiszállítás után hibásodik meg.

EOS/ESD hibák

2. Elektromos Túlterhelés (EOS) elleni védelem

Az elektromos alkatrészeket több forrásból származó nemkívánatos elektromos energia károsíthatja. Ez a nem kívánt elektromos energia származhat ESD potenciálokból, vagy az általunk munkához használt szerszámokból (forrasztópáka, forraszleszívó, tesztműszerek, vagy egyéb elektromos berendezés a folyamatban) kicsapó szikra. Egyes alkatrészek érzékenyebbek, egyes kevésbé érzékenyek. Az érzékenység mértékét az alkatrésze funkciója és tervezése határozza meg. Általában a nagyobb sebességű, kisebb eszközök érzékenyebbek mint lassabb és nagyobb elődjeik. Az adott alkatrész felhasználási célja, és az alkatrészcsalád és fontos szerepet játszik az érzékenység mértékében. Ennek oka, hogy az alkatrész tervezési sajátosságai teszik lehetővé, hogy az alacsonyabb elektromos jelre, vagy szélesebb frekvenciasávra tudjon reagálni az alkatrész. A mai állapotokat tekintve észrevehetjük, hogy az EOS súlyosabb problémát jelent mint az előző években, és a jövőben további súlyosbodásra lehet számítani.

Ha a teljes termék érzékenységét próbáljuk megállapítani, a szerelvényben levő legérzékenyebb alkatrészből kell kiindulni. A nemkívánatos elektromos energiát a termék bemenő jelként dolgozhatja fel, mint a normális működés során.

Az érzékeny alkatrészek kezelés és feldolgozása előtt a használt szerszámokat és berendezéseket biztonságosan le kell tesztelni annak érdekében, hogy meggyőződjünk arról, hogy azok nem generálnak károsodást okozó energiát, beleértve a feszültségtüskéket. A kutatás jelenlegi állása szerint a 0,5 Volt alatti feszültségek és feszültségcsúcsok fogadhatók el. Ennek ellenére egyes különösen érzékeny alkatrészek megkövetelik, hogy a forrasztópáka, forraszleszívó, tesztműszerek, vagy egyéb elektromos berendezések ne generáljanak 0,3 Voltnál nagyobb feszültségcsúcsokat.

Mint azt a legtöbb ESD specifikáció megköveteli, rendszeres ellenőrzés szükséges a károsodások megelőzéséhez, mivel a berendezések teljesítménye idővel csökken. A folyamat berendezéseinek tervszerű karbantartása szükséges ahhoz, hogy folyamatosan biztosítsuk az ESD védelmet.

Az EOS károsodás természetében nagyon közel áll az ESD károsodáshoz, mivel mindkét esetben nemkívánatos elektromos energia okozza sérülést.

3. Elektrosztatikus Kisülés (ESD) elleni védelem

A legjobb ESD védelem az, ha a sztatikus feltöltődés megelőzését kombináljuk a sztatikus töltések semlegesítésével, ha azok mégis előfordulnak. Minden, az ESD védelemmel kapcsolatos technika és eszköz a fenti két módszer valamelyikét, esetleg mindkettőt alkalmazza.

Az ESD sérülés elektromos energia eredménye, amit olyan sztatikus töltés okoz, ami vagy érintkezik, vagy közvetlen közelségben van ESDS eszközökkel. Sztatikus energiaforrások vesznek körül minket. A sztatikus energia mértéke a forrás tulajdonságaitól függ. Az energia létrehozásához viszonylagos elmozdulás szükséges. Ez lehet érintkezés, elválasztás, vagy az anyag dörzsölése.

A legveszélyesebb anyagok szigetelők, mert ezek a töltés keletkezési illetve érintkezési helyén koncentrálják az energiát ahelyett, hogy elvezetnék a felületükön. Lásd: 3.1 táblázat. Az olyan gyakran használt anyagok, mint pl.: műanyag zacskók vagy Styrofoam tárolók komoly sztatikus töltésképzők, ezért használatuk nem megengedett a gyártóterületen, különösen nem a sztatikusan védett (EPA) területeken. Ha ragasztószalagot húzunk le a tekercsről, a művelet 20,000 Volt feszültséget okoz. Még a sűrített levegő szórófejek is töltést okoznak, ahogy a levegő a szigetelő felületek fölött halad el.

Triboelektromos sor