Sådan forhindrer du elektrostatisk afladning (ESD)
For effektivt at bekæmpe og forhindre ESD skal det rigtige udstyr bruges korrekt. Takket være en række kraftfulde ESD-forebyggelses-, overvågnings- og ioniseringsenheder med lukket sløjfe kan ESD nu betragtes som et problem med proceskontrol.
Elektrostatisk afladning (ESD) er en velkendt, men undervurderet kilde til beskadigelse af printkort og komponenter i elektronisk samling. Det påvirker enhver producent, uanset størrelse. Mens mange tror, at de producerer i et ESD-sikkert miljø, er virkeligheden, at ESD-relaterede skader fortsætter med at koste verdens elektronikfremstillingsindustri milliarder af dollars årligt.
Hvad er ESD helt præcist? Elektrostatisk udladning (ESD) er defineret som udladningen (elektronstrømmen) af en tidligere eksisterende (fast) statisk ladning (utilstrækkelige eller for store elektroner). Opladningen er stabil under to forhold:
Når det "sætter sig fast" i en ledende, men elektrisk isolerende genstand, såsom en metalskruetrækker med plastikhåndtag.
Når det ligger på en isolerende overflade (såsom plastik) og ikke kan flyde hen over det.
Men hvis en leder med en tilstrækkelig høj elektrisk ladning (såsom en skruetrækker) nærmer sig et integreret kredsløb (IC) med et modsat potentiale, opstår ladningen "brodannelse", hvilket forårsager elektrostatisk udladning (ESD).
ESD opstår meget hurtigt med ekstrem høj intensitet og genererer typisk nok varme til at smelte det interne kredsløb af en halvlederchip. Under et elektronmikroskop fremstår dette som et lille, udblæst-hul, der forårsager øjeblikkelig og irreversibel skade.
Endnu mere alvorligt er det, at kun i en tiendedel af tilfældene forårsager denne skade, at hele komponenten fejler under den endelige test. I de øvrige 90 % forårsager ESD-skader kun delvis nedbrydning,-hvilket betyder, at den beskadigede komponent består den endelige test uopdageligt og kun udviser for tidlig feltfejl efter forsendelse til kunden. Dette er det mest velrenommerede og dyreste område for en producent at rette eventuelle produktionsfejl.
Men den største vanskelighed ved at kontrollere ESD er, at den er usynlig, men alligevel i stand til at beskadige elektroniske komponenter. En udladning, der giver et hørbart "klik", kræver en relativt stor ladning på cirka 2000 volt, mens 3000 volt kan give et lille elektrisk stød, og 5000 volt kan producere en synlig gnist.
For eksempel kan almindelige komponenter såsom komplementære metal-oxid-halvledere (CMOS) eller elektrisk programmerbar læse-beskyttet hukommelse (EPROM) blive beskadiget af ESD-potentialeforskelle på henholdsvis 250 volt og 100 volt, mens stadig mere følsomme moderne komponenter, inklusive Pentium-processorer, kan ødelægges af lige så lidt som 5-processorer.
Dette problem forværres af de skadelige aktiviteter, der forekommer dagligt. For eksempel, at gå på et vinylfabriksgulv genererer friktion mellem gulvoverfladen og sko. Resultatet er, at et rent ladet objekt kan akkumulere en ladning på 3 til 2000 volt, afhængigt af den relative luftfugtighed i den lokale luft.
Selv den friktion, der genereres af en arbejders naturlige bevægelse på et arbejdsbord, kan producere 400 til 6000 volt. Hvis arbejdere håndterer isolatorer, mens de udpakker eller ompakker PCB'er i skumkasser eller bobleplast, kan den nettoladning, der kan samle sig på en arbejders kropsoverflade, nå op på cirka 26.000 volt.
Derfor, som en væsentlig kilde til ESD-fare, skal alt personale, der kommer ind i et EPA (Electrostatic Protected Area) jordforbindes for at forhindre enhver ladningsopbygning, og alle overflader skal jordes for at opretholde alt på samme potentiale, hvilket forhindrer ESD i at opstå.
De primære produkter, der bruges til at forhindre ESD, er armbånd, lavet af plys fløjlsbuk, og dissipative overflader eller polstring -begge skal være korrekt jordet. Yderligere hjælpemidler såsom dissiperende fodtøj eller hælstropper og passende tøj er designet til at forhindre ophobning og tilbageholdelse af nettoladning, mens personale bevæger sig inden for EPA.
Under og efter montering bør PCB også beskyttes mod ESD fra intern og ekstern transport. Mange PCB-emballageprodukter er tilgængelige til dette formål, herunder afskærmningsposer, forsendelseskasser og mobile vogne. Mens den korrekte brug af ovenstående udstyr vil forhindre 90 % af ESD-relaterede problemer, er der behov for endnu et lag beskyttelse for at nå de sidste 10 %: ionisering.
Den mest effektive måde at neutralisere monteringsudstyr og overflader, der kan generere elektrostatiske ladninger, er at bruge en ionisator-en enhed, der blæser en ioniseret luftstrøm gennem arbejdsområdet for at neutralisere enhver ladning, der er akkumuleret på isoleringen.
En almindelig misforståelse er, at fordi håndstropper bæres på arbejdsstationer, vil ladningen på isoleringen i det pågældende område, såsom polystyrenkopper eller papkasser, forsvinde sikkert. Per definition leder isolatorer ikke elektricitet og kan ikke aflades undtagen gennem ionisering.
Hvis en ladet isolator forbliver i EPA'en, vil den udstråle et elektrostatisk felt, der genererer en nettoladning på nærliggende genstande, hvilket øger risikoen for ESD-skade på produktet. Mens mange producenter forsøger at forbyde isolering fra deres EPA'er, er denne tilgang vanskelig at implementere. Isolering er så udbredt i hverdagen-fra skummåtterne, hvor operatørerne sidder behageligt, til ting i plastikbetræk.
På grund af brugen af ionisatorer kan producenter acceptere tilstedeværelsen af en vis isolering i deres EPA'er. Fordi iongenereringssystemer kontinuerligt neutraliserer enhver ladningsopbygning, der kan forekomme på isolatorer, er de en værdifuld investering for ethvert ESD-program.
Der er to grundlæggende typer af iongeneratorer i standard elektroniske samlinger:
Desktop (enkelt ventilator)
Overhead enhed (en række ventilatorer i en enkelt overhead enhed)
Indendørs iongeneratorer er også tilgængelige, men de bruges nu primært i renrumsmiljøer.
Valget afhænger af størrelsen af det område, der skal beskyttes. En desktop ion generator vil dække en enkelt, ensartet arbejdsflade, mens en overhead ion generator vil dække to eller tre. En anden fordel er, at iongeneratorer også forhindrer statisk støv i at klæbe til produkter, hvilket kan forringe deres udseende.
Intet beskyttelsesprogram er dog komplet uden ordentlig test og overvågning af effektiviteten af ESD-udstyr. Førende ESD-kontrol- og ioniseringseksperter har rapporteret eksempler på producenter, der bruger ineffektivt (og derfor ubrugeligt) ESD-udstyr uden at indse dets fejl.
For at forhindre dette tilbyder ESD-leverandører, udover standard ESD-udstyr, en række konstante overvågningsenheder, der automatisk alarmerer, hvis en ydeevne overskrider specificerede grænser. Skærme kan bruges som selvstændige enheder eller tilsluttes i et netværk. Netværkssoftware til automatisk dataindsamling er også tilgængelig, som giver operatører og arbejdsstationer realtidsvisning af systemets ydeevne.
Monitorer kan forenkle ESD-planlægning ved at eliminere mange rutineopgaver, såsom at sikre korrekte daglige båndmålinger, iongeneratorafbalancering og korrekt vedligeholdelse og ubeskadigede arbejdsbordjordingspunkter.
Konklusion
Det første skridt i at forhindre ESD er korrekt at vurdere, hvordan tilsyneladende mindre detaljer kan forårsage uoprettelig skade, hvis de overses. En effektiv plan kræver ikke kun brug af effektivt ESD-beskyttelsesudstyr, men også strenge driftsprocedurer for at sikre ESD-sikkerhed for alt personale på fabriksgulvet.
Mens mange producenter bruger automatiske tapetestere, er det almindeligt at se operatører enten bestå eller fejle testen på grund af en løs tape. Mange operatører forsøger at bestå testen ved blot at gribe testeren tæt på deres håndled med den anden hånd.
Ikke desto mindre er den gode nyhed, at ESD kan forebygges. Tiden og pengene investeret i det rigtige udstyr og forbedrede sikkerhedsprocedurer vil betale sig med øgede beståelsesprocenter.