Esd protection что это

Что такое ESD ?

Мы все хорошо знакомы с электростатическим разрядом ESD (electrostatic discharge). Электростатический разряд иногда доставляет нам неприятные ощущения, но несет смертельную опасность для современных полупроводниковых приборов и компонентов. Современный уровень развития микроэлектроники до­стиг невероятной плотности активных элементов в кристалле. Так, современные процессоры Intel® Pentium® содержат более 200 000 000 транзисторов.
При такой высокой степени интеграции современные компоненты и электронные устройства становятся очень чувствительными к электростатическим разрядам. Как признано ведущими производителями микроэлектроники, ежегодно теряются миллионы долларов из-за недостаточного соблюдения мер предосторожности от воздействия статического электричества. Известен факт, что после внедрения на производстве программы по ESD-защите и контролю, ведущие производители телекоммуникационного оборудования снизили потери от брака в два раза! К сожалению, приходится отметить, что многие отечественные производители микроэлектронных устройств, сервисные службы по обслуживанию телекоммуникационных систем и т. д. не применяют мер защиты от ESD в процессе работы. На первый взгляд кажется, что при прикосновении к электронной плате ничего не происходит, но рука человека может представлять смертельную опасность для микросхемы.

Человек, идущий по ковру, способен генерировать на теле 15 000 В!

При этом разряда, который возникает при напряжении менее 3500 В, человек вообще не ощущает. Для современных микросхем потенциал в 30 В является смертельным.
Часто пробой тока разряда не приводит к мгновенному выходу из строя электронного устройства, но по истечении некоторого времени устройство неожиданно выходит из строя. Это говорит о том, что в результате разряда произошло частичное разрушение тончайшего проводника в микросхеме. Вероятность ее выхода из строя в ближайшем будущем резко возрастает. Все это приводит к дополнительным материальным затратам на устранение неисправности, брака, гарантийный ремонт и, в конечном итоге, непременно скажется на товарной марке производителя.

Что же представляет собой современное производство, оборудованное средствами ESD защиты?
Это современное оборудование, технологии, материалы, комплектующие и, без сомнения, соблюдение мер по антистатической защите 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.

Не экономьте на качестве!

Схема типовой рабочей зоны, защищенной от статического электричества.

1. Предупреждающая табличка о входе в ЕРА. 2. Предупреждающая табличка о нахождении в ЕРА. 3. Предупреждающая табличка о выходе из ЕРА. 4. Контролируемый доступ в ЕРА. 5. Обувь-браслет-тестер у входа в ЕРА. 6. Пластина для тестирования одного ботинка. 7. Протокол тестирования обуви и браслетов. 8. ESD-пол, соединенный с ESD-землей. 9. Провод заземления поверхностей рабочих столов. 10. Провод заземления поверхностей полок. 11. Браслет с проводом, подключённым к заземляющей колодке. 12. Жало паяльника, присоединенное непосредственно к ESD-земле. 13. Соединительная колодка для заземляющих проводов и ESD-земли. 14. Соединение ESD-земли с защитным заземлением.

15. Полупроводящие, заземлённые ящики для хранения. 16. Полупроводящие перчатки для работ с электронным оборудованием. 17. Пневматический пистолет с ионизатором. 18. ESD-ручные инструменты. 19. Полупроводящие и заземлённые рабочие поверхности микроскопа и других приборов. 20. ESD-скоросшиватели для документации. 21. Диссипативная пластиковая папка для бумаг. 22. ESD-рабочий стул. 23. Полупроводящая обувь. 24. Полупроводящие или диссипативные брюки. 25. Полупроводящая рабочая одежда. 26. Тележка с проводящими колёсами и полупроводящими полками. 27. Стеллаж для хранения с полупроводящими и заземлёнными полками. 28. Гигрометр. 29. Вентилятор-ионизатор.

СРЕДСТВО ЗАЩИТЫ НАЗЫВАЕТСЯ АНТИСТАТИЧЕСКИМ (ESD-APPROVED), ЕСЛИ ОНО ЗАЩИЩАЕТ ОТ:

• неконтролируемого непосредственного разряда любого заряженного объекта через защищаемый;
• неконтролируемого непосредственного заряда или разряда самого защищаемого объекта;
• неконтролируемого трибоэлектрического или индукционного заряда защищаемого объекта.

Внутри защищенной зоны не должно быть разностей потенциалов более 100 В/см.

Согласно стандарту IEC60417 черным треугольником с желтой перечеркнутой кистью руки обозначаются объекты, чувствительные к воздействию разряда статического электричества. Этот же символ используется в качестве предупреждающего знака на табличках и наклейках, имеющих желтое поле с черной линией по периметру и текстовую надпись, а также на маркерах границ зон антистатики (скотче и вывесках). Черным треугольником с неперечеркнутой рукой, заключенным тонкой линией сверху в полукруг, маркируются средства защиты от воздействия разрядов статического электричества (например, упаковочные пакеты).

Введение

Выводы интегральных микросхем, предназначенные для подключения к внешним цепям или периферийным устройствам, подвержены риску воздействия электростатических разрядов.

Электростатический разряд (electrostatic discharge — ESD) представляет собой передачу энергии между двумя телами с разными электростатическими потенциалами. Он может происходить как в результате прямого контакта, так и в результате пробоя атмосферы между телами.

Разряд вызывает протекание импульса тока через внутренние цепи микросхемы и может приводить к ее частичному или полному повреждению.

Для защиты микросхем от электростатического разряда применяют дополнительные электронные компоненты – резисторы, диоды, стабилитроны, TVS диоды или супрессоры, буферные микросхемы. Данная статья представляет собой краткий обзор этих компонентов и схем на их основе.

Последовательный резистор

Самая простая схема защиты от электростатического электричества представляет собой резистор, включенный между источником заряда и выводом интегральной микросхемы.

Последовательное сопротивление вместе с паразитной емкостью входа микросхемы (а также емкостью монтажа) образует низкочастотный пассивный фильтр. Этот фильтр будет подавлять высокочастотную составляющую электростатического разряда, в которой сосредоточена большая часть его энергии. Кроме того резистор будет ограничивать ток, протекающий через внутренние защитные цепи микросхемы вследствие разряда.

R1 – защитный резистор 50 – 200 Ом; D1, D2 – внутренние защитные диоды; C1 – паразитная емкость входа ~ 5 – 10 пФ

Чем выше значение сопротивления защитного резистора, тем лучшую защиту от ESD он будет обеспечивать. Естественно с ростом сопротивления резистора частота среза НЧ фильтра на входе микросхемы будет уменьшаться. Это нужно учитывать, если данный вход используется для ввода высокочастотного сигнала.

Ограничитель на диодах

Многие интегральные микросхемы имеют встроенные защитные диоды. Как правило, эти диоды не рассчитаны на большие значения тока и имеют недостаточное быстродействие. Например, встроенные защитные диоды микроконтроллеров AVR выдерживают ток всего лишь в единицы миллиампер.

Перед тем как принять решение, требуется ли дополнительная схема защиты или можно ограничиться встроенной, внимательно изучите спецификацию на микросхему. Хотя данных на диоды или выдерживаемое напряжение разряда в спецификации может и не быть.

Схема на диодах будет ограничивать входное напряжение в пределах от – Vd до Vcc + Vd, где Vd – падение напряжения на диоде в прямом направлении. Ток разряда будет проходить или через верхний или через нижний диод, и «поглощаться» фильтрующими конденсаторами, источником питания и самими диодами. Иногда для дополнительной защиты между плюсом питания и «землей» подключают стабилитрон или TVS диод (D3 на схеме).

Если вход микросхемы используется для ввода высокочастотного сигнала, следует принимать во внимание тот факт, что диоды вносят дополнительную паразитную емкость. Величину паразитной емкости можно найти в спецификации на элемент.

Для защиты входов микросхем производители полупроводниковых компонентов выпускают специальные диодные сборки, в которых содержится сразу несколько диодов.

Стабилитрон (диод Зенера)

Традиционно стабилитрон применяется для получения стабилизированного (опорного) напряжения, но его также можно использовать для защиты входов интегральных микросхем от ESD, подключив между выводом микросхемы и «нулем» питания. Такая схема будет ограничивать напряжение на входе микросхемы в пределах от –Vd до Vs, где Vd – падение напряжения на стабилитроне в прямом направлении, а Vs – номинальное напряжение стабилизации.

Чтобы стабилитрон не оказывал влияние на работу схемы в штатном режиме, номинальное напряжение стабилизации должно быть выше напряжения входного сигнала.

Стабилитроны имеют большую емкость (десятки пФ) и поэтому плохо подходят для защиты высокоскоростных линий.

TVS диоды

TVS (transient voltage supressor) диод – это полупроводниковый компонент, предназначенный для ограничения выбросов напряжений, амплитуда которых превосходит напряжение лавинного пробоя диода.

В нормальных условиях TVS диод находится в высокоимпедансном состоянии. Когда напряжение на диоде превышает рабочее, импеданс диода понижается, и ток разряда начинает течь через него. При понижении напряжения на TVS диоде он снова возвращается в высокоимпедансное состояние.

Вольтамперная характеристика TVS диода аналогична характеристике стабилитрона, поэтому их иногда путают друг с другом. На самом деле это разные приборы. TVS диоды были разработаны специально для защиты цепей от импульсов перенапряжения, в то время как стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения и не рассчитаны выдерживать значительные импульсы тока .

TVS диоды имеют высокое быстродействие, низкое рабочее напряжение и маленькую емкость, что делает их идеальными компонентами для защиты полупроводниковых компонентов от электростатического разряда.

Буферные микросхемы

Еще один вариант защиты входов/выходов интегральных микросхем от электростатического разряда — это использование буферных микросхем. Например, изображенный на схеме двунаправленный буфер 74ACTH245 согласно своей спецификации способен выдерживать электростатические разряды от 200 до 2000 вольт в зависимости от используемой модели разряда.

Практические аспекты организации ESD-защиты предприятия

В условиях рыночной экономики основа выживания компании и ее дальнейшего развития при неизбежной конкуренции — это высокое качество продукции, которое является следствием качества процессов производства. В радиоэлектронной промышленности невозможно выпускать продукцию, не обращая внимания на качество. Тем более это актуально для предприятий военно-промышленного комплекса: достаточно вспомнить неудачи, преследующие запуски одного из разрекламированных образцов ракетного оружия.

В статье [1] было показано, что одной из составляющей процесса достижения высокого качества при производстве электроники является эффективно действующая программа ESD-управления. Очевидно, что для любого вида управления необходимо анализировать некие параметры. Если они не превышают допустимых пределов, то система стабильна, а если они так или иначе выходят за установленные рамки, необходимо применять корректирующие действия.
Такой анализ может быть выполнен:
• внешней независимой организацией, обычно с регулярностью не чаще, чем раз в год, при проведении внешнего ESD-аудита;
• сотрудниками самой компании, ответственными за программу ESD-управления, с определенной ESD-стандартами регулярностью, различной для предметов и методов ESD-защиты.
К сожалению, на многих предприятиях не уделяется достаточно внимания электростатической безопасности. В одном случае компания опирается на устаревшие стандарты, в другом — приобретает элементы ESD-защиты, но не применяет их в комплексе с административными мерами. В качестве примера приведем распространенную ситуацию: организация приобретает столы в антистатическом исполнении, которые стоят в обычном помещении в окружении обыкновенных, генерирующих электростатические заряды оборудования и материалов — покрытия пола, обуви, одежды и т. п.
Условно можно выделить следующие ситуации в организации с приборами ESD-мониторинга и аудита для оценки электростатической безопасности материалов и оборудования:
• В целях мнимой экономии приборы совсем отсутствуют.
• Некоторые приборы в организации есть, например только один измеритель сопротивления.
• Приборы есть, но сотрудники не обладают знаниями, как их правильно применять.
• Приборы есть, но полученные сотрудниками результаты измерений не используются в системе менеджмента качества.

Какие же виды измерений следует проводить на предприятии с программой ESD-управления? Это:
• проверка браслетов и обуви;
• измерение электрического сопротивления материалов;
• измерение напряженности электростатического поля или электростатического потенциала;
• измерение времени стекания заряда.
Перед тем как мы остановимся подробнее на каждом из перечисленных видов измерений, необходимо ознакомиться с основными параметрами предметов ESD-защиты, которые следует проверять, а также их обозначениями, принятыми в мировой практике.
• R_G — сопротивление по отношению к «земле» или точке заземления;
• R_PP — сопротивление от точки к точке;
• R_GSystem — сопротивление системы «человек – обувь — покрытие пола»;
• U — электростатический потенциал;
• Е — напряженность электростатического поля;
• t_decay — время стекания заряда с 1000 до 100 В.

Проверка браслетов и обуви

Прежде всего, необходимо проверять состояние браслетов и обуви, а точнее — их сопротивление. По большому счету, это проверка систем «человек – браслет» и «человек – обувь».
Испытания проводятся ежедневно, так как и браслет, и обувь являются основными элементами ESD-защиты чувствительных компонентов от разрядов с человека. Важно тестировать не дежурный, висящий неподалеку от тестер-стенда общий браслет, а персональный браслет конкретного работника, который каждый день должен защищать ESD-чувствительные компоненты от его — работника — персональных разрядов. При тестировании обуви также важно, чтобы каждый ботинок независимо прошел тест на металлической площадке (рис. 1). Иначе можно пройти испытание, надев обычный и антистатический ботинок. В момент, когда опорная нога в обычном ботинке нажимает на покрытие пола, заряд не будет стекать, ведь подошва не проводит! Бывает, что тест не проходит и заведомо проверенная антистатическая обувь (зимой, когда сотрудник надевает холодную обувь, или летом, в относительно прохладном за счет работы кондиционера воздухе). Бояться такой ситуации не стоит, если вспомнить, что мы тестируем систему «человек – обувь», а проводимость человеческого тела зависит от многих факторов (в частности, от того, какие спиртные напитки и в каком количестве он употребил, волнуется или спокоен). Стандарты рекомендуют в таком случае «разносить» обувь в течение 3–5 минут и повторить попытку тестирования.

Рис. 1. Измерение сопротивления системы «человек – обувь»

Очень важно с точки зрения управления качеством фиксировать полученные результаты ежедневных проверок. В идеальном случае лучше отсканировать бумажные версии простого по форме журнала проверок с возможностью в дальнейшем идентифицировать изменение состояния предметов ESD-защиты работника.
При проведении внешнего ESD-аудита довольно часто приходилось сталкиваться с ситуацией, когда рядом с тестером висел свежий журнал с информацией максимум за данный месяц, с идентичными отметками для всех сотрудников. А наличие записи о том, что браслет, скажем, Петрова или Иванова два месяца назад был заменен на исправный и вновь успешно испытан, говорит о работающей программе ESD-управления.
В стандартах ESD-защиты МЭК 61340-5-1/2 относительно допустимых величин сопротивления браслетов и обуви вместе с оператором приводится следующее граничное значение: R_G < 3,5x10 7 Ом.
Указанные испытания проводят с помощью относительно несложных приборов так называемого ESD-мониторинга, например, тестера браслетов и обуви А-750 (рис. 2, табл. 1).

Рис. 2. Тестер браслетов и обуви А-750

Тестовое напряжение, В	24
Диапазон измерения	750 кОм–35 МОм — браслет и обувь

Таблица 1. Основные технические характеристики A-750

При проверке работник встает на металлическую пластину прибора А-750 и подключает шнур от браслета к разъему. При нажатии металлической кнопки на стенде производится измерение сопротивления браслета и обуви. Если сопротивление оказывается вне допустимого диапазона значений, стенд выдает предупреждение: загорается индикатор красного цвета, а если сопротивление соответствует норме — зеленого.
После приобретения тестера браслетов и обуви через некоторое время возникает вопрос, связанный с его калибровкой. Сделать эту процедуру несложной и рутинной поможет калибратор тестера браслетов и обуви A-755 (рис. 3, табл. 2). По сути дела, прибор имитирует цепи «человек – браслет» и «человек – обувь», моделируя выход за пределы допустимых значений, как выше, так и ниже диапазона, а также ситуацию, когда с предметами персональной ESD-защиты все в порядке. У данного устройства тоже есть определенные производителем периоды калибровки. Если на предприятии есть несколько участков, защищенных от электростатических разрядов (EPA), то целесообразнее отправлять на калибровку производителю только сам калибратор, нежели 2 или более тестеров браслетов и обуви.

Рис. 3. Калибратор тестера браслетов и обуви A-755

Сопротивление нижнего предела, тест пройден	775 кОм ±1%
Сопротивление нижнего предела, тест не пройден	720 кОм ±1%
Сопротивление верхнего предела, тест пройден	34 МОм ±1%
Сопротивление верхнего предела, тест не пройден	36,7 МОм ±2%
Погрешность калибровки	±5% при +15…35 °С
Размеры, мм	98х50х27
Вес, г	55

Таблица 2. Основные технические характеристики A-755

Измерение электрического сопротивления материалов

Следующий тип испытаний — измерения поверхностного сопротивления и сопротивления по отношению к точке заземления различных материалов предметов ESD-защиты. Измерение сопротивления материалов позволяет эффективно функционировать программе ESD-управления.
Данный вид приборов для ESD-аудита и мониторинга, пожалуй, один из самых известных. Основная измерительная часть прибора представляет собой привычный измеритель сопротивлений — омметр, или мегаомметр, или тераомметр, а измерительные электроды, которые часто именуют «гирьками», имеют четко определенные в стандарте МЭК 61340-4-1 вес, геометрические и электрические параметры.
Существуют измерители сопротивления со стрелочной индикацией, например, A-760 (рис. 4, табл. 3), они наиболее доступны по цене, наглядно отображают нахождение значений сопротивления в допустимых пределах или вне их, а именно по положению стрелки относительно зеленого поля шкалы. Это позволяет не нагружать руководство техническими терминами и характеристиками, а просто показать: «Вот видите, стрелка в зеленом (желтом) секторе, значит, этот материал соответствует (не соответствует) требованиям ESD-стандартов».
С помощью таких приборов ESD-координатор проверяет значительную часть предметов ESD-защиты: столешницы, полки, тележки, материал стульев, халатов (рис. 5), ячеек и коробов, корпусов оборудования, рабочих поверхностей микроскопа. Другими словами, предметов ESD-защиты, выполненных из антистатических материалов, куда ESD-координатор сможет поставить измерительные электроды. Кстати, и сопротивление системы «человек – антистатическая обувь – покрытие пола» тоже проверяют с помощью данных приборов. Измеряют сопротивление по отношению к «земле» R_G или общей точке заземления R_GP и сопротивление от точки к точке R_PP. В первом случае испытывают одновременно и способность материала проводить токи, и целостность заземляющих приспособлений. Если такое испытание материал не проходит, то это может произойти по следующим причинам:
• Материал антистатический, но загрязнен.
• Материал вовсе не является антистатическим.
• Нарушена целостность заземляющих приспособлений.

Рис. 4. Стрелочный измеритель сопротивления A-760

Тестовое напряжение, В	10, 100
Предел измерения поверхностного сопротивления на 10 В, Ом	10 3 –10 6
Предел измерения поверхностного сопротивления на 100 В, Ом	10 4 –10 11
Погрешность измерения поверхностного сопротивления при напряжении, %	±5
Вес электрода, кг	2,5 ±0,2
Размеры, мм	170x85x35
Вес, г	300

Таблица 3. Основные технические характеристики A-760

Рис. 5. Измерение сопротивления антистатического халата

Тестовое напряжение, В	10, 100
Предел измерения поверхностного сопротивления, Ом	10 3 –10 12
Диапазон измерения относительной влажности, %	0–98
Погрешность измерения поверхностного сопротивления	2,5 % (1 кОм – 10 ГОм), 5 % (10–100 ГОм), 10 % (100–999 ГОм)
Погрешность измерения относительной влажности, %	±3
Погрешность измерения температуры, °С	±0,5
Вес электрода, кг	2,5 ±0,2
Размеры, мм	315x130x60
Вес, г	700

Таблица 4. Основные технические характеристики A-770

Определить, проводит ли материал сам по себе, можно с помощью проверки R_PP сопротивления от точки к точке, с помощью уже двух измерительных электродов. Если в вашей организации ESD-координатор обладает измерителем сопротивления, то при постройке нового участка и модернизации старого недобросовестный продавец не сможет заставить вас приобрести «настоящий антистатический» линолеум и настольный коврик или рабочее место с обычной столешницей по цене антистатической.
В стандартах ESD-защиты МЭК 61340-5-1/2 для предметов ESD-защиты приведены следующие значения сопротивлений:
• R_G < 1x10 9 Ом;
• 1×10 4 < R_РP < 1x10 9 Ом.
Прибор со стрелочной индикацией позволяет лишь оценить нахождение в определенных пределах, так как стрелка не покажет ESD-координатору значений типа 95,6 МОм. Именно поэтому рынок предлагает измерители сопротивления с цифровой индикацией. Например, цифровой измеритель А-770 (рис. 6, табл. 4). Поскольку этот прибор позиционируется как профессиональный, он может, помимо основной функции — измерения сопротивления материалов, измерять температуру и уровень относительной влажности, а также сохраняет полученные данные в памяти компьютера. Прибор может имитировать работу и стрелочного измерителя, показывая диапазон сопротивлений и точные конкретные величины сопротивления.
С помощью измерителя сопротивления ESD-координатор проверяет и одобряет закупаемые организацией предметы ESD-защиты, отсеивая те, что не соответствуют требованиям международных стандартов. После такой проверки вы можете быть уверены, что правильно организуете или модернизируете систему ESD-контроля, что эти предметы могут работать корректно. Однако мало построить, нужно еще и грамотно обслуживать такую систему. При проведении внутренних проверок, которые с определенной вами регулярностью ESD-координатор выполняет вместе с другими сотрудниками, часто обнаруживаются недостатки ESD-защиты. Если изначально элемент ESD-защиты был проверен и одобрен, то основные причины выхода за диапазон допустимых значений после начала эксплуатации — это загрязнение поверхности или нарушение целостности заземления. Выявить такие недостатки большого труда не составляет, они достаточно быстро устраняются, и система ESD-защиты с точки зрения сопротивления материалов получается стабильной.

Рис. 6. Цифровой измеритель сопротивления A-770

Измерение напряженности электростатического поля или электростатического потенциала

Существуют такие предметы ESD-защиты, оценить электростатическую безопасность которых по одному только сопротивлению не представляется возможным. Есть предметы, которых «аршином общим» — в нашем случае измерительным электродом — не измеришь.
Стандарты ESD-защиты рекомендуют измерять электростатический потенциал или напряженность электростатического поля. Принцип измерения этих величин основан на индукционном эффекте электростатического заряда. Несущий электростатический заряд предмет так перераспределяет заряд на измерительной пластине прибора, что на индикаторе отображается его значение, только с противоположным знаком. Существовавшие ранее стрелочные индикаторы поля были фактически вытеснены цифровыми компактными измерителями электростатического поля, например Hakko 430 или ETS-216 (рис. 7). С помощью данного оборудования можно быстро оценить уровень напряженности электростатического поля, например, ESD-упаковки — рассеивающих или экранирующих пакетов. Сначала это оценка и одобрение перед закупкой, позже — это проверка пригодности пакетов после периода эксплуатации. Считывать показания с цифрового индикатора несложно, главное — не ошибиться с корректным расстоянием, на котором проводится измерение. Для каждого измерителя электростатического поля это своя, указанная в инструкции величина. В практике автора встречались разные измерители, у которых это расстояние варьировалось от 2,5 до 5 см. Можно измерять и на большем расстоянии, но тогда показания нужно будет пересчитать. В рабочих процессах иногда обязательно наличие материалов-диэлектриков. На этот случай в стандартах оговорен уровень электростатического поля в том месте, где манипулируют ESD-чувствительными элементами. Оценить опасность можно также с помощью измерителя электростатического поля.
В стандартах ESD-защиты МЭК 61340-5-1/2 рекомендуемые значения напряженности электростатического поля и электростатического потенциала предмета не должны превышать следующих допустимых пределов:
• E < 10 000 В/м или 100 В/см;
• U < 2000 В.

Рис. 7. Измерение прибором ETS-216 электростатического потенциала предмета

Измерение времени стекания заряда

Еще одной важной характеристикой электростатической безопасности является время стекания заряда. Принцип измерения заключается в измерении времени, за которое электростатический потенциал с опасного значения — одной тысячи вольт — снизится до безопасного уровня — ста вольт. В измеритель ETS-216 встроен генератор, который заряжает пластину до величины, слегка превышающей одну тысячу вольт. В момент достижения 1000 В запускается встроенный электронный секундомер, который после снижения электростатического потенциала до 100 В заканчивает отсчет и показывает время стекания (рис. 8, табл. 5).

Рис. 8. Измерение прибором ETS-216 времени стекания заряда с антистатических перчаток

Диапазон измерений напряженности электростатического поля, кВ/дюйм	±20
Разрешение при измерении напряженности, В	10
Диапазон измерений времени стекания заряда, с	0–60
Разрешение при измерении времени стекания, с	0,3
Погрешность измерения, %	±2
Напряжение источника заряда, В	±1200
Размеры, мм	200x60x23
Вес, г	255

Таблица 5. Основные технические характеристики ETS-216

Возможность измерения времени стекания заряда необходима для мониторинга ионизаторов, упаковки, перчаток и пр. В комплект измерителя ETS-216 входит измеритель температуры и относительной влажности. Комплект ETS-216 заменяет собой сразу пять отдельных приборов: измеритель напряженности статического поля, измеритель величины и скорости стекания заряда, измеритель электростатического напряжения на теле человека, термометр и гигрометр.
В стандартах ESD-защиты рекомендуемые значения времени стекания заряда не должны превышать следующих допустимых пределов:
• Перчатки: t_decay < 2 с.
• Вспомогательные материалы, упаковка, файлы для документов: _tdecay < 10 с.
• Ионизаторы: t_decay < 20 с.

В заключение отметим, что пользоваться приборами ESD-аудита и мониторинга оказалось нетрудно, а кроме того, и полезно, так как владение этим инструментарием уберегает вас от приобретения несоответствующих товаров и позволяет гарантировать работоспособность системы ESD-защиты предприятия, что в конечном итоге сказывается на качестве продукции. А мудрые японцы, например, уверены, что при выпуске продукции или услуги высокого качества прибыль вы получите незамедлительно.

Программа ESD контроля и современные стандарты ESD защиты

Каждый читатель слышал или практически сталкивался с разрядами статического электричества ESD (Electro Static Discharge). Например, после управления автомобилем, приближая руку к металлической двери, Вы наверняка чувствовали разряд. Такой разряд характеризуется напряжением в несколько тысяч вольт. То, что для человека всего лишь досадное происшествие, может быть губительным для электронных устройств, чувствительных к статическому электричеству уже с напряжением в несколько сотен вольт в настоящий момент времени, и к десяткам вольт в недалеком будущем.

Любой современный человек пользуется в повседневной жизни изделиями, содержащими электронные компоненты. Комфортно, когда Вы обладаете легким, плоским и небольшим по размерам устройством. Однако у миниатюризации есть и обратная сторона. Чем меньше наши электронные помощники, тем миниатюрнее электронные компоненты, на которых они реализованы. В свою очередь, чем меньше компоненты, тем чувствительнее они к разрядам статического электричества.

Поэтому 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).

Программа ESD контроля состоит из административных, затрагивающих организационные аспекты, и технических, касающихся средств ESD защиты, элементов. Предприятия с внедренной программой ESD контроля используют не только оборудование антистатической защиты, технологии и материалы, предусматривающие соблюдение защитных мер от воздействия ESD, на протяжении всего производственного цикла, но и целый комплекс административных мероприятий – разного рода внутренние инструкции, журналы периодического мониторинга и проверок соответствия.

Рассмотрим, как может влиять наличие или отсутствие программы ESD контроля на работу Вашего предприятия. Например, Вы получаете ESD-чувствительные компоненты от поставщика N, используете их в производстве своих изделий, и обнаруживаете неисправность, которая обусловлена выходом из строя именно этих компонентов. Надо отметить, что сегодня большинство современных электронных компонентов производятся за рубежом. И производители иностранной элементной базы опираются именно на международные стандарты защиты от ESD. Вы начинаете предъявлять свои претензии к поставщику, который в ответ задает Вам такой вопрос: «Мы поставляем Вам ESD-чувствительные компоненты, которые требуют соответствующей защиты. Каким образом у Вас реализована ESD защита наших компонентов? Чем Вы подтвердите наличие программы ESD контроля на Вашем предприятии?». При отсутствии программы ESD контроля трудно будет обосновать претензии к качеству поставляемой продукции, особенно компании-монополисту.

Кроме того, все мы знакомы с таким мероприятием, как тендер. При этом компания рассматривает не только финансовые аспекты предложений, но и обращает внимание на реализацию программы управления качеством. К слову сказать, в электронной промышленности программа ESD контроля является неотъемлемой частью системы управления качеством. У зарубежной компании в предложении обязательно присутствует строчка о наличии программы ESD контроля как конкурентное преимущество. Всерьез может рассчитывать на выход на зарубежные рынки только та компания, которая обладает действующей программой ESD контроля.

Точка отсчета или что такое современные стандарты по защите от ESD

Чтобы понять, как, куда и в каком направлении необходимо двигаться для решения проблем со статическим электричеством на Вашем предприятии, потребуется система координат. Такой системой координат в области ESD защиты являются четкие правила и рекомендации, оформленные в единый рекомендательный документ – стандарт. К сожалению, разрозненные отечественные стандарты в этой области не всегда соответствуют современному уровню развития электронных компонентов. Например, ГОСТ 12.4.124-83 «Средства защиты от статического электричества. Общие технические требования» распространяется на средства коллективной защиты и средства индивидуальной защиты работающих от опасного и вредного воздействия статического электричества.

В то же время, известно, что за рубежом созданы, успешно применяются и постоянно совершенствуются стандарты по защите от разрядов статического электричества. Бoльшая часть семейства этих стандартов предназначена для компаний, специализирующихся на ESD защите, и описывает стандартные методы тестирования защитных устройств и оборудования. Однако среди них есть два стандарта, которые отвечают на вечные наши вопросы «кто виноват?» и «что делать?». Это стандарт IEC (МЭК) 61340-5 «Электростатика. Раздел 5-1: защита электронных устройств от электростатики».

Профессиональный прибор для измерения поверхностного сопротивления напольного покрытия

Данный стандарт раскрывает требования к программе ESD контроля, необходимые для подготовки ее к работе с ESD-чувствительными изделиями (ESDS) на базе исторического опыта, причем как коммерческих, так и военных организаций. Цель данного стандарта – сформулировать административные и технические требования для учреждения, выполнения и поддержания программы контроля ESD. Стандарт состоит из двух самостоятельных частей:

1) IEC 61340-5-1 «Электростатика. Раздел 5-1: защита электронных устройств от электростатики. Основные положения». Этот стандарт формулирует требования, предъявляемые к программе контроля ESD, и включает в себя следующие разделы:

• Требования к программе контроля ESD
• ESD координатор
• Настройка

Административные требования к программе контроля ESD

• План программы контроля ESD
• План обучения
• План проверки соответствия Технические требования к плану программы контроля ESD
• Системы заземления /выравнивания потенциала
• Заземление персонала
• Защищенные от ESD зоны
• Упаковка
• Маркировка

2) IEC 61340-5-2. «Электростатика. Раздел 5-2: защита электронных устройств от электростатики. Руководство пользователя». Пользователь использует этот стандарт в качестве практического руководства по выполнению стандарта IEC 61340-5-1. В этом стандарте подробнее раскрыты разделы, приведенные в предыдущем абзаце с акцентом на практику. Например, элементы контроля ESD подразделяются на:
• Рабочие поверхности
• Браслеты
• Напольные покрытия
• Обувь
• Стулья
• Ионизация
• Одежда
• Стеллажи и полки для хранения
• Мобильное оборудование, каждый из которых достаточно подробно раскрыт для практической реализации на предприятии. На первый взгляд можно подумать, что браслет трудно подключить не правильно, вроде бы способ подключения тривиален и очевиден. Однако в моей практике проверок предприятий с программой ESD контроля нередко встречались странные, а иногда и вовсе нелепые способы подключения браслетов.

Исторически складывается так, что многие страны сначала пользуют более удачные инженерные разработки других стран, а уже потом выходят на другой, более совершенный уровень, создавая отечественные школы инженерной мысли.

Например, немецкие ракетные технологии времен Второй Мировой Войны дали импульс для развития космической техники и в СССР и в США. Несмотря на наличие некоторых отечественных стандартов в области защиты от ESD, в данный момент времени международные стандарты МЭК 61340-5 существенно подробнее и качественнее описывают как административные, так и технические элементы программы ESD защиты. Например, элементы защиты продекларированы в некоторых отечественных стандартах, но не ясно, каким образом корректно использовать данные элементы на практике, какие именно параметры рабочих столов должны быть в помещениях, защищенных от ESD, как именно и в какую точку необходимо подключить заземляющие провода от столешницы и полки, заземлять ли коврик отдельным заземляющим проводом и куда подключать его и т.п. Другими словами, пока мы «догоняем».

Как правило, международные стандарты имеют приоритет над национальными и применяются при аккредитации предприятий, сертификации продукции, ее экспорте, допуске предприятий для участия в конкурсе на получение заказа и т.д. Тем не менее, в России рядом компаний, в том числе и нашей, планируется в ближайшие годы реализовать современные требования стандартов IEC по антистатической защите на основе разработки и внедрения соответствующих национальных стандартов системы ГОСТ Р. Обычно такой новый внутренний стандарт содержит аутентичный текст международного стандарта, с некоторыми дополнительными требованиями.

Для предприятий, работающих с ESD-чувствительными компонентами, мероприятия программы ESD контроля, базирующихся вышеупомянутых стандартах, отлично интегрируются в Систему Менеджмента Качества, в свою очередь опирающуюся на стандарт ISO 9000 или ГОСТ Р ИСО 9000. Согласно стандартам для СМК предприятие постоянно отслеживает качество продукции по определенным показателям и стремится к определенным показателям, обозначенным как – Targets – цели. Работа системы ESD защиты может быть индицирована показателями как техническими, так и административными. Например, количество рабочих мест, полностью соответствующих требованиям стандартов, или число сотрудников, успешно прошедших обучение в этом году.

Ни для кого уже не секрет, что в наше время во всех современных зарубежных компаниях, работающих с изделиями и компонентами электронной техники, стандарты IEC 61340-5 являются настольной книгой для сотрудника, отвечающего за ESD защиту предприятия – ESD координатора. Считается, что данные стандарты коммерчески доступны. Однако, общаясь с заинтересованными специалистами на российских предприятиях с внедренной программой ESD контроля, наиболее вероятным способом получения стандартов является передача по-дружески зарубежной компанией партнером бумажной версии, причем далеко не свежей. Например, на одном из предприятий ESD координатор опирался в своей работе на версию стандарта от 2003 года. За это время в стандарт внесли немало важных исправлений и дополнений, а некоторые плохо зарекомендовавшие себя части, убрали совсем. При отсутствии соответствующего стандарта типа ГОСТ Р, аналогичного IEC 61340-5, в данный момент времени взаимодействие с компанией, обладающей актуальной информацией относительно международных стандартов является единственным залогом успеха и эффективности программы ESD контроля. В качестве примера взаимодействия с программой можно назвать проверки соответствия различных элементов ESD защиты требованиям международных стандартов IEC 61340-5. Рассмотрим лишь одну из таких проверок более подробно.

Измерение параметров ESD покрытия пола

Проводящие и снимающие статический заряд полы – один из основных и важнейших элементов в строительстве и функционировании производственных зон, защищенных от статического электричества – Electrostatic Protected Area (E P A ).

В настоящее время на рынке активно предлагаются антистатические покрытия пола. Как правило, ESD защитные характеристики достигаются путем добавления проводящих компонентов в обычное коммерческое или промышленное покрытие. В этом случае важно четко соблюдать технологию, т.к. довольно часто нерадивые исполнители смешивают обычные и проводящие компоненты не в правильной пропорции, необходимой для ESD свойств покрытия пола. Предлагая «настоящее», «антистатическое» покрытие, компании-подрядчики нередко подтверждают ESD защитные свойства сомнительного вида сопроводительной документацией либо просто на словах.

Если Ваша компания планирует применить ESD-покрытие пола на значительной территории, очевидно, что необходимо быть полностью уверенным в правильном выборе. Это тем более актуально, если на ESD покрытии пола впоследствии будет установлено сложное оборудование, например, производственные линии, конвейеры, установщики компонентов и т.п.

Для подтверждения ESD защитных свойств выбранного Вами покрытия необходимо провести комплекс специальных измерений. Во-первых, для получения достоверных измерений необходимы соответствующие приборы. Поскольку это узкоспециализированное профессиональное оборудование (стоимостью около 5000 euro), то приобретение такого полного комплекта приборов превращается в довольно обременительное мероприятие для большинства компаний, внедряющих ESD защиту. Во-вторых, надо знать, какие именно характеристики, подтверждающие антистатические свойства, нужно измерить. Чтобы правильно пользоваться измерительным оборудованием, необходимы специальные знания и сертификат.

После проведения измерений ESD характеристик покрытия пола заказчик получает:

– подробный протокол измерений;
– результаты измерений, характеризующие антистатическое покрытие пола;
– заключение о соответствии стандартам IEC 61340-4-1 и IEC 61340-5-1;
– уверенность в завтрашнем дне относительно выбранного Вами покрытия пола.

Кто сейчас применяет программу ESD контроля в соответствии со стандартами IEC 61340-5

Отрадно отметить, что многие отечественные компании, работающие с электроникой или ее компонентами, с успехом применяют программы ESD защиты, основанные на рекомендациях международных стандартов IEC 61340-5. Если быть объективным, то следует отметить, что часто причинами, побуждающими предприятия делать это, являются, например, формат совместной с зарубежными инвесторами собственности или случаи управления предприятием международной компанией.

Предприятия, предоставляющие свои услуги в контрактном производстве, без наличия программы ESD контроля в принципе не могут поставлять свою продукцию на мировой рынок. Ни один из обладателей известных мировых брендов даже не будет рассматривать возможность сотрудничества с предприятием, не имеющим такой программы.

Производители, например, аэрокосмической или автомобильной отраслей промышленного производства, для которых надежность – это один из важнейших критериев качества выпускаемой продукции, просто не могут игнорировать отсутствие программы ESD защиты у поставщика электронных устройств. Действующая программа ESD защиты позволяет значительно, а в некоторых случаях вдвое, снизить уровень брака.

А вот для производителей микроэлектронных и полупроводниковых изделий, оперирующих сегодня нанометрами, защита от ESD особенно актуальна!

Поскольку мы все больше стараемся интегрироваться в мировой рынок, осваиваем и внедряем новые, высокие технологии, то уже сейчас многие предприятия включают в свою практику программы ESD контроля, основанные на международных стандартах. Например, условием получения права на авторизованный ремонт мобильных телефонов в сервисных центрах является обязательное наличие, поддержание и совершенствование этой программы.

Для современных высокотехнологичных компаний, обладающих сертификацией на основе международных стандартов IEC 61340-5-1 и IEC 61340-5-2, значительно легче найти новых и закрепить отношения с существующими партнерами, особенно на международном уровне, обеспечить лояльность клиентов, повысить капитализацию бренда. Такую сертификацию можно с пользой интегрировать в Вашу Систему Менеджмента Качества как один из действительно работающих механизмов контроля качества Вашей продукции. При отсутствии программы ESD контроля компании преследуют странные «плавающие» отказы электронных изделий, нематериальные потери в виде возникновения недоверия к Вашей продукции, отток потребителей к конкурентам, сбои в планировании и снижение выручки.

Реализовать технические элементы программы ESD защиты, на первый взгляд, не сложно. Однако на практике схемы подключения устройств и правила их эффективного использования часто не реализуются корректно с точки зрения соответствия стандарту. Что же говорить об административных элементах, про которых в стандарте говорится весьма туманно! Создать, что называется, с «нуля» целую систему документации корректной и эффективной программы ESD защиты весьма проблематично. К счастью, сотрудники нашей компании накопили значительный опыт как создания программы ESD защиты, так и всесторонних комплексных проверок существующих программ на предприятиях.