Автор: Шкарпеткин Вадим, [email protected]
Некоторые эффекты статического электричества известны уже несколько тысяч лет. В последнее время их свойства были поняты и были использованы в своих интересах во многих приложениях. К сожалению, некоторые свойства статического электричества вызывают проблемы, особенно в электронной промышленности. Многие электронные компоненты и узлы, используемые в высокотехнологичных изделиях, могут быть повреждены в следствии внезапных перепадов статических электрических зарядов. Этот выпуск накопленной энергии называется Электростатический разряд или чаще всего называется ESD. Компоненты, которые могут пострадать от электростатического разряда, называются ESD чувствительные или ESDS. К ним относятся транзисторы, диоды, лазерные диоды, электрооптические устройства, прецизионные пленочные резисторы, конденсаторы и другие разнообразные интегральные схемы. Восприимчивость устройств к ESD растет с помощью привода для миниатюризации электронных устройств и увеличения рабочих скоростей. Устройства подвергаются ESD повреждению на каждом этапе от производства пластин до сборки печатной платы.
Наиболее распространенным электростатическим генератором является трибоэлектрическая зарядка. Это вызвано тем, что два материала входят в контакт или перетираются вместе, а затем разделяются. Такие действия позволяют электронам перемещаться с одной поверхности на другую, создавая дисбаланс заряда между материалами. Общими источниками ESD являются персонал, предметы, изготовленные из общих полимерных материалов и технологического оборудования. ESD может повредить детали прямым контактом с заряженным источником или электрическими полями, исходящими от заряженных объектов, которые вызывают заряд на заземленных чувствительных элементах.
Что такое ESD (антистатическая) защита и почему она так важна?
Статическое электричество - невидимый "враг" микроэлектронных изделий, наносящий ощутимые убытки при недооценке его силы. Несмотря на то, что электростатический разряд является переносчиком небольшого количества энергии, большая разность потенциалов и высокая скорость их изменения влекут образование токов, достаточных для мгновенного выхода из строя чувствительной электроники или нанесения кристаллу изначально незаметных повреждений. Следствием таких повреждений является деградация параметров - постепенный отказ, крайне сложный для локализации. Итог - финансовые потери, порой сопровождающиеся потерей репутации. Для превентивного решения проблем имеет смысл оснастить рабочее место средствами антистатической защиты.
Что же такое статическое электричество?
Это заряд, который накапливается в изоляторе, и остается там даже после полного отключения питания. Вот и получается, что это ток не постоянный, не переменный, а статический.
Электрический заряд малой силы, который способен доставить человеку только неприятные ощущения, в большинстве случаев может вывести из строя полупроводниковые приборы или их компоненты. Независимо от того, что энергия, переносимая электростатическим разрядом, небольшая, разность потенциалов приводит к образованию токов, достаточных для поломки чувствительной электроники или нанесения кристаллу повреждений, которые могут привести к отказу оборудования. Антистатическое оснащение – контейнеры, браслеты, антистатические пакеты - обеспечивает увеличения срока службы электрических приборов, а также повышает безопасность работы.
На сегодняшний день все современные предприятия, контролирующие качество своей продукции и осуществляющие изготовление, технологическую обработку, монтаж, упаковку, маркировку, обслуживание, тестирование, транспортировку или другие действия с электрическими и электронными компонентами, узлами и оборудованием, восприимчивым к воздействию электростатических разрядов, используют в своей практике стандарты по защите от ESD повреждений. Система мер по защите от разрядов статического электричества называется программой ESD-контроля (ESD Control Program).
Что же представляет собой современное производство, оборудованное средствами ESD-защиты?
Это современное оборудование, технологии, материалы, комплектующие и, без сомнения, соблюдение мер по защите от электростатических разрядов на протяжении всего производственного цикла — от доставки комплектующих до отправки готовых изделий. Нарушение цепочки в каком-либо месте делает бессмысленным все затраты на обеспечение ESD-защиты.
Основные принципы ESD контроля
Основные принципы ESD контроля следующие:
- Все проводники, включая персонал, должны быть электрически соединены и заземлены. Это дополнение создает эквипотенциальный баланс между всеми элементами и персоналом. Электростатическая защита может поддерживаться при потенциале, превышающем «нулевой» потенциал заземления так как все элементы в системе имеют одинаковый потенциал.
- Ионизационные системы обеспечивают нейтрализацию зарядов на процесс необходимых изоляторов и изолированных проводников.
- Упаковка чувствительных к электростатическим разрядам предметов, находящихся за пределами защищенной ESD области, должна ограничивать трибоэлектрическую зарядку, защищать от электростатического воздействия и разрядов, и обеспечивать отвод заряда до заземления EPA при вводе в EPA. Все предметы, не относящиеся к категории ESDS, перенесенные в защищенную зону, должны быть упакованы в непроводящую, рассеивающую упаковку ESD.
Безопасность персонала
- Программа контроля ESD никаким образом не может заменить или отменить любые требования к безопасности персонала.
- Прерыватель тока при электрическом замыкании на землю (GFCI) и другие меры безопасности должны рассматриваться везде, где персонал может вступать в контакт с электрическими источниками.
Программа контроля ESD
- В соответствии с IEC 61340 5 2 повреждение от электростатического разряда является весьма реальным, но так как большая часть ущерба происходит ниже уровней, где человек может обнаружить разряд, фактор осведомленности жизненно важен. Обучение является одним из лучших способов достижения этой осведомленности и должно быть включено в качестве основной части любой структурированной процедуры обработки.
- В письменном плане контроля ESD должны быть установлены, документированы, внедрены, поддерживаются и проверены на соответствие требованиям Программы IEC 61340-5-1.
- План контроля ESD должен предусматривать электростатический контроль и защиту при проектировании, изготовлении, проверке, испытании, хранении, отгрузке, установке, использовании, обслуживании, замене и ремонтных функциях.
- Пошив одежды является приемлемым, и требования могут быть добавлены, изменены или удалены. Решения по подбору персонала, включая обоснование, должны быть документированы в Плане программы контроля ESD.
- План контроля ESD должен охватывать обучение, проверку соответствия, технические требования и должен включать перечень конкретного типа защитных материалов ESD и оборудования, используемого в программе.
- План контроля ESD должен обеспечивать создание и внедрение Программы, соответствующей IEC 61340-5-1, поставщиками ESD чувствительных компонентов и сборок.
Важным пунктом является напольное покрытие, с него начинается ESD защита любого объекта.
Задача покрытия не позволять накапливать на поверхности электрический заряд, тем самым защищая людей и высокочувствительную электронную технику от воздействия статической энергии.
На сегодняшний день применяются в основном три вида:
Антистатический линолеум - электрическое сопротивление не менее 109 Ом. Линолеум считается антистатическим если ходьба по нему вызывает не более 2 кВ. Иногда их называют изоляционными. Стандартное коммерческое покрытие обладает антистатическими свойствами. Данный вид линолеума часто применяют в компьютерных классах в учебных заведениях. Примером может послужить покрытия марок Tarket и DESCO EUROPE c их широкой линейкой напольных покрытий рис 1.
Рис. 1 Антистатический линолеум DESCO EUROPE
Токорассеивающий линолеум — обладает сопротивлением в пределах 10^8 Ом. Способность рассеивать электрический ток обеспечивается наличием в материале высокого содержания углерода. Данный вид покрытия может применяться в мед. учреждениях (рентген кабинет), серверных комната. Одним из наиболее качественных является производитель Polyflor серии SD и Finesse SD.
Токопроводящий линолеум — обладает самым низким сопротивлением, не более 10^5 Ом. Токопроводность достигается за счет графитовых включений в материал, что обеспечивает отличную проводимость и мгновенное отведение электрического заряда с покрытия. Чаще всего применяется в помещениях с высоким классом чистоты, дорогостоящим и высокочувствительным оборудованием. Производитель Polyflor серии EC и Finesse EC.
В любом случае применяются они в зависимости от технологических процессов на предприятии и на прямую зависят от видов работ и применяемого оборудования.
Так же в основе любой ESD защиты находится Заземление.
Для защиты различных объектов необходимо обеспечить электрическую связь этих объектов с землей. Заземление настольных и напольных ковриков, рабочих мест, систем стеллажного хранения и других элементов антистатической защиты осуществляют через шнуры заземления.
В зависимости от характера выполняемых работ различают две основных схемы заземления персонала:
- при сидячей работе оно осуществляется через металлические или эластичные браслеты,
- при стоячей работе и/или работе с перемещениями оно выполняется через напольное покрытие и специальную обувь.
Дополнительными средствами обеспечения ESD защиты и заземления персонала для обоих вариантов являются специальные халаты, шапочки, перчатки, напальчники, бахилы, маски (рис 2-3).
Рис. 2 Антистатический халат
Рис. 3 Антистатические перчатки
Вся одежда имеет определенные показатели ESD защиты, благодаря которым она может использоваться персоналом в том или ином технологическом процессе.
На пример ткань халатов должна иметь определённую плотность, % токопроводящей нити (на пример карбоновой), и указание кол-ва стирок, после которых халат теряет свои свойства. Тоже самое для перчаток и масок. Перед использованием необходимо каждый раз замерять проводимость.
Так же существует специальная антистатическая обувь для заземления персонала.
Антистатическая обувь является надежным способом заземления передвигающегося персонала, обувь обладает нормированной проводимостью для стекания заряда с ноги на проводящий пол.
Антистатические туфли и сабо изготавливаются на основе натуральной кожи, на кожаной или полиуретановой подошве, маркируется ESD-символом (рис 4).
Рис. 4 Антистатические сабо
Иногда применяются ремешки заземления для обуви и ремешки заземления для обуви на носок для женской обуви (рис 5 и 6).
Рис. 5 Ремешок заземления для обуви
Рис. 6 Ремешок заземления на носок для женской обуви
Антистатический браслет предназначен для снятия электростатического потенциала с тела работника и таким образом предотвращения повреждения чувствительных элементов разрядами статического электричества.
Браслеты бывают тканевыми, металлическими и из термопластичного материала (рис 7 и 8).
Рис. 7 Браслет для электростатического потенциала металлический
Рис. 8 Браслет для электростатического потенциала тканевый
Антистатические коврики позволяют обеспечить быстрое стекание электростатических зарядов, которые могут существенно повредить электронным компонентам и модулям при монтаже или ремонте радиоэлектронной аппаратуры, с рабочей поверхности.
Антистатический коврик состоит из двух слоев. Внешняя токорассеивающая сторона устойчивая к температуре, припою, химикатам и растворителям, внутренняя токопроводящая сторона обеспечивает стекание заряда.
Антистатический настольный коврик имеет по краям 10 мм. кнопку и заземляется при помощи провода со встроенным сопротивлением 1 Мом (рис 9).
Рис. 9 Антистатический настольный коврик Desco Europe
Данные средства являются неотъемлемой частью комплекса мер по ESD защите.
На сегодняшний день компания Desco Europe является основным поставщиком ESD одежды и средств заземления посетителей на многих Европейский предприятиях, а также осуществляют поставки на предприятия нашей страны.
При производстве или ремонте, а также при применении высокоточного оборудования используется промышленная антистатическая (ESD) мебель. Примером может служить производитель Treston (Финляндия) (рис 10).
Рис. 10 Стол монтажника Treston серии WB
Использование промышленной антистатической (ESD) мебели гарантирует контролируемое стекание статических зарядов как с самого рабочего места, так и с антистатических материалов, размещенных на нём. Применив в сочетании специальные стулья (на пример из полиуретана) исключает генерацию и удержание статического заряда на них. Для поддержания антистатических свойств мебели и стульев применяются специальные очистители, которые позволят удалить загрязнения и сохранить свойства материалов, из которых они изготовлены.
Крупнейшие компании, такие как IBM и HP, утверждают, что 25% всех неидентифицированных сбоев в электронике является результатом ESD. Чтобы максимизировать рентабельность инвестиций, наиболее страдающие области, операции и продукты должны быть идентифицированы первыми. Затем следует разработать и оценить корректирующий план. После корректировки плана необходимо установить ESD контроль и обеспечить контроль за качеством. Затем следует оценить эффективность плана и при необходимости уточнить план. Этот процесс следует повторять по мере необходимости до тех пор, пока качество и надежность не будут считаться приемлемыми для компании и их клиентов.
Сохраняя ESD контроль в процессе непрерывного контроля качества, можно отслеживать затраты на программу и итоговую рентабельность инвестиций, чтобы компания могла максимизировать общее значение программы.