Zagrożenie dla urządzeń elektronicznych spowodowane wyładowaniami elektryczności statycznej

Transkrypt

1 Leszek Kachel, Jan M. Kelner Instytut Telekomunikacji Wojskowa Akademia Techniczna Mieczysław Laskowski Instytut Radioelektroniki (WUSM) Politechnika Warszawska Zagrożenie dla urządzeń elektronicznych spowodowane wyładowaniami elektryczności statycznej W referacie omówiono stopień zagrożenia dla urządzeń elektronicznych ze strony ładunków elektrostatycznych. Impulsy ESD pomimo małej energii przenoszonej są zagrożeniem dla urządzeń, w których występują elementy półprzewodnikowe o dużej integracji. Dlatego omówiono sposoby postępowania podczas kontaktów z wrażliwą aparaturą. Są to zasady, których przestrzeganie gwarantuje pełne bezpieczeństwo podczas napraw, regulacji i normalnej eksploatacji aparatury. 1. Wprowadzenie Procesy związane z powstawaniem ładunku elektrostatycznego zachodzą bardzo często, choć nie zawsze są łatwe do zaobserwowania. Powstają one najczęściej w wyniku procesów fizykochemicznych związanych z pocieraniem o siebie dwóch różnych materiałów, rozdrabnianiem, gwałtownym rozdzielaniem lub łączeniem materiałów izolacyjnych. I tak chodząc po syntetycznym dywanie lub chodniku w butach ze skórzaną podeszwą ładujemy ciało ludzkie ładunkiem elektrycznym. Ciało człowieka traktowane jako pojemność elektryczna zostanie naładowane prądem o natężeniu wynoszącym od setek pa do kilku μa, a wypadkowy ładunek będzie wynosił od 0.1 do 5 μc. Przykładowo dla pojemności C = 150 pf i V = 15 kv energia nie przekracza 17 mj. Większość układów scalonych ulega całkowitemu zniszczeniu już przy oddziaływaniu znacznie mniejszych energii. Na rys.1 pokazano przykładowy proces ładowania człowieka poruszającego się po dywanie wykonanego z włókna syntetycznego. dywan z włókna syntetycznego Rys. 1. Proces ładowania się człowieka poruszającego się po dywanie wykonanym z włókna syntetycznego PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXI - nr 8/

2 2. Stopień zagrożenia dla urządzeń ze strony ładunków elektrostatycznych Napięcie, do jakiego ładuje się poruszająca się osoba, zależy od jej pojemności w stosunku do otoczenia. Pomiędzy krokami zawsze występuje wyładowanie. Po kilku sekundach zostaje osiągnięta równowaga między ładowaniem i rozładowaniem i jeżeli tak naładowana osoba dotknie dowolnego urządzenia, następuje rozładowanie. Proces rozładowania ciała ludzkiego (w zależności od warunków) może być bardzo gwałtowny, tak że można go zaobserwować jako iskrę. Jest to właśnie tzw. wyładowanie elektrostatyczne, które w skrócie określane jest mianem ESD i stanowi poważne zagrożenie dla czułych urządzeń elektronicznych. Kształt i parametry elektryczne impulsów ESD zależą od wielu czynników zewnętrznych. Jednym z nich jest kształt elektrody inicjującej impuls. Elektrodą tą jest najczęściej ludzka ręka, a ściślej mówiąc jeden z jej palców, wewnętrzna strona dłoni lub ostry metalowy przedmiot trzymany w ręce. Kształt impulsu ESD można opisać następującymi parametrami: a) wartością szczytową prądu; b) czasem czoła najkrótsze czasy czoła nie przekraczają wartości kilkuset pikosekund; c) czasem do półszczytu na grzbiecie udaru prądowego czas do półszczytu jest coraz częściej zastępowany wartością prądu osiąganego w czasie 30 ns i 60 ns. Głównymi parametrami opisującymi impuls ESD są: a) pojemność pomiary pojemności elektrycznej ludzkiego ciała wykazały, że zawarta jest w granicach od 80 do 500 pf (rys. 2); kobiety zazwyczaj mają większą pojemność elektryczną ze względu na noszone obuwie o cieńszej podeszwie; mężczyzna Kobieta pf pf Ω Ω Rys. 2. Zastępcze parametry elektryczne człowieka przy wyładowaniu elektrostatycznym b) amplituda napięcia człowiek najczęściej ładuje się do napięcia kv, rzadko występują napięcia kv, a maksymalna możliwa do uzyskania wartość wynosi 40 kv (powyżej tej wartości następują wyładowania koronowe i następuje samorozładowanie); człowiek nie odczuwa efektu związanego ze wzrostem napięcia jego ciała do wartości 3 4 kv i to stanowi największe niebezpieczeństwo podczas kontaktów z wrażliwą aparaturą elektroniczną; w tabeli 1 przedstawiono wartości napięcia w funkcji warunków ładowania, natomiast na rysunku 3 pokazano maksymalne napięcie do jakich może naładować się człowiek w standardowym pomieszczeniu biurowym, które wyłożono materiałem antystatycznym, wełnianym lub wykładziną syntetyczną; w każdym z tych przypadków maksymalne napięcie jest funkcją wilgotności powietrza. PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXI - nr 8/

3 Tabela 1. Amplitudy napięć ESD zmierzone przy względnej wilgotności 15-30% Średnio [kv] Maksymalnie [kv] Dywan Płytki winylowe 4 13 Drewno 0,5 3 c) biegunowość polaryzacja impulsu ESD może być dodatnia (+) lub ujemna ( ), w zależności od rodzajów materiałów związanych z procesem ładowania; wiele urządzeń elektronicznych jak tranzystory bipolarne itp. jest dużo bardziej wrażliwych na impulsy o określonej polaryzacji; d) czas narastania impulsu zależy głównie od kształtu elektrody wyładowczej (ostro zakończony przedmiot powoduje powstanie najgroźniejszych impulsów) oraz od poziomu napięcia (przy wysokich napięciach wyładowanie koronowe poprzedzające właściwy impuls elektrostatyczny rozmazuje czoło impulsu); czasy narastania impulsów ESD wynoszą od kilkuset pikosekund do kilkunastu nanosekund; [kv] 15 np. pomieszczenie biurowe bez regulacji wilgotności (w zimie) syntetyczny 10 wełna antystatyczny względna wilgotność [%] 15% 35% Rys. 3. Przebiegi maksymalnych napięć indukowanych przez człowieka w różnych warunkach e) energia energie impulsów ESD zawarte są w zakresie od kilku do kilkuset mj; w zależności od wartości parametrów impulsy podzielono na cztery klasy zagrożenia umieszczone w tabeli 2. Impulsy ESD, pomimo małej energii jaką przenoszą, są groźne dla urządzeń ze względu na bardzo krótkie czasy narastania, osiągające wartości rzędu 350 ps i mniejsze. W przypadku elementów półprzewodnikowych w urządzeniu elektronicznym źródłem zagrożenia jest nie tylko bezpośrednie wyładowanie do urządzenia ale też napięcia indukowane w pętlach tworzonych z przewodów obok których płynie prąd tego wyładowania. Energia wydzielana w przyrządach półprzewodnikowych w czasie odpowiadającym wyładowaniu elektrostatycznemu (rzędu nanosekund), powodująca trwałe uszkodzenia tych elementów mieści się w zakresie od kilku mikrodżuli do dziesiątków milidżuli. PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXI - nr 8/

4 Tabela 2. Cztery klasy energetyczne impulsów ESD Charakter impulsu Pojemność [pf] Napięcie [kv] Energia [mj] Przypadek ekstremalny Przypadek najgorszy Przypadek typowy Minimum(warte zabezpieczenia) Sposoby postępowania podczas kontaktów z wrażliwą aparaturą elektroniczną Podczas kontaktów z wrażliwą aparaturą elektroniczną należy stosować się do następujących zasad postępowania: najlepiej przyjąć zasadę, że wszystkie elementy elektroniczne są wrażliwe na ESD; podczas manipulacji z produktami wrażliwymi na wyładowania elektryczności statycznej (dotykanie, przenoszenie, wkładanie i wyjmowanie itp.) należy być podłączonym do uziemienia przez bransoletę oraz posiadać obuwie antystatyczne; ponad to stanowisko pracy powinno znajdować się na podłodze antystatycznej lub uziemionej macie podłogowej; należy podkreślić, że obuwie antystatyczne jest skuteczne tylko wtedy, gdy pracownik znajduje się w pozycji stojącej na macie lub uziemionej podłodze; pakiety podczas przenoszenia należy trzymać z płytę czołową lub krawędzie; nie dozwolone jest dotykanie jakichkolwiek podzespołów, elementów, ścieżek, łączy; należy bezwzględnie przestrzegać ostrzeżeń ESD umieszczonych na etykietach opakowań dotyczących zarówno elementów jak i całych paneli; rozpakowywanie można przeprowadzać wyłącznie na stanowisku pracy zabezpieczonym przed ESD, które musi być przystosowane do podłączenia bransolety uziemiającej oraz wyposażone w maty antystatyczne; po wyjęciu pakietu ze stojaka należy natychmiast umieścić pakiet w antystatycznym opakowaniu lub pojemniku; podczas przechowywania, przygotowywania pakietów lub urządzeń wrażliwych na ESD do wysyłki należy stosować pojemniki antystatyczne; na stanowisku pracy nie mogą znajdować się jakiekolwiek zbędne materiały, które mogą generować ładunki elektrostatyczne (np. folie, styropian itp.); prze każdorazowym przystępowanie do pracy należy za pomocą testera sprawdzać stan środków uziemiających (maty, bransolety); nie wolno używać niesprawdzonych lub uszkodzonych środków chroniących przed wyładowaniami elektryczności statycznej, takich jak bransolet, opakowań, obuwia oraz mat podłogowych. Podczas obsługi pakietów i komponentów elektronicznych należy stosować poniższe zasady ochrony przed skutkami wyładowań elektryczności statycznej: zawsze należy pracować na czystym stanowisku pracy; trzeba usunąć wszystkie niepotrzebne obiekty, szczególnie nie przewodniki; przed przystąpieniem do pracy należy założyć bransoletkę; bransoletkę należy skontrolować za pomocą testera; następnie należy bransoletkę podłączyć do uziemionego gniazda; PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXI - nr 8/

5 pakiety należy rozpakowywać i pakować zawsze na powierzchni antystatycznej lub na powierzchni pokrytej uziemioną matą dyssypatywną; do przemieszczania pakietów należy zawsze używać opakowań antystatycznych (worek, pudełka). Zawsze należy pamiętać, że nie wolno pracować na nieuporządkowanym stanowisku pracy; pracować bez uziemionej bransoletki; używać niesprawnej bransoletki; przenosić lub przewozić nie zabezpieczone pakiety; stosować niewłaściwych lub uszkodzonych opakowań; dotykać ścieżek, podzespołów oraz złączy na pakiecie. 4. Wnioski Przestrzeganie wymienionych zasad jest bardzo ważne, ponieważ odczucia ludzi związane z wyładowaniami elektryczności statycznej są subiektywne i zależą przede wszystkim od różnicy potencjałów występującej podczas wyładowania. Gwałtowny przepływ ładunków podczas wyładowania mogą spowodować: trwałe uszkodzenia wrażliwych elementów elektronicznych; przekłamania podczas pracy urządzeń cyfrowych, zmianę zawartości pamięci półprzewodnikowych; zwiększenie niebezpieczeństwa pożarowego. Uszkodzenia w aparaturze elektronicznej mogą wystąpić nie tylko w wyniku bezpośredniego przepływu prądu wyładowania przez dany obwód, ale również wskutek indukcji zakłóceń o zbyt dużej energii. Najskuteczniejszym sposobem zabezpieczającym urządzenia przed ESD jest niedopuszczanie do gromadzenia się ładunków na materiałach nieprzewodzących. Gromadzące się ładunki powinny być w sposób ciągły odprowadzane do ziemi lub masy urządzenia. Utrzymywanie właściwej wilgotności w miejscu pracy przyczynia się do zmniejszenia narażenia na niekontrolowane wyładowania elektryczności statycznej. Materiały antystatyczne powinny posiadać rezystancję powierzchniową rzędu Ω/m 2. Gromadzeniu się ładunków można zapobiec przez stosowanie posadzek i przewodzących wykładzin o rezystancji rzędu 10kΩ...1MΩ. Wymieniona wartość rezystancji nie koliduje bowiem dotyczącymi bezpieczeństwa pracy z urządzeniami elektrycznymi. Chodzi o to, aby rozładowywanie zgromadzonych ładunków elektrostatycznych nie następowało zbyt gwałtownie. Jak wspomniano uprzednio energia wydzielana w złączach półprzewodnikowych podczas rozładowywania spowoduje trwałe uszkodzenia już w przypadku kilku mikrodżuli. Powszechne stosowanie polimerów w wykładzinach powierzchniowych mebli sprzyja powstawaniu ładunków elektrostatycznych podczas pocierania częścią garderoby. Bardzo duża rezystancja powierzchniowa wykładzin polimerowych nie sprzyja odprowadzaniu zgromadzonych ładunków. Dlatego podczas pracy z elementami elektronicznymi o dużej wrażliwości (np. układy CMOS o dużym stopniu integracji) należy rygorystycznie przestrzegać wymienione wcześniej zalecenia. W podsumowaniu można stwierdzić, że: w przypadku występowania ESD należy stosować w miejscu pracy właściwe zabezpieczenia, m.in. wykładziny antystatyczne, nawilgacanie pomieszczeń itp.; PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXI - nr 8/

6 wyładowania ESD uznawane potocznie dotychczas za niosące małą energię stanowią poważne zagrożenie dla urządzeń elektronicznych zawierających elementy półprzewodnikowe o dużej integracji; Literatura 1. D. J. Bem, Impulsowe narażenia elektromagnetyczne, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław T. W. Więckowski, Badanie odporności urządzeń elektronicznych na impulsowe narażenia elektromagnetyczne, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław Praca zbiorowa, Zakłócenia w aparaturze elektronicznej, Radioelektronik Sp. z o. o., Warszawa Polska Norma numer PN-EN :2002, Elektryczność statyczna. Część 5-2: Ochrona przyrządów elektronicznych przed elektrycznością statyczną. Przewodnik użytkownika, Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXI - nr 8/