/------------------------------
--|----|----|----|----|----|----|----|----|----|--
      1950      1960      1970      1980      1990

ESD:s påverkan på elektroniken

Blixt från åskurladdning.

Blixten är ett kortvarigt fenomen bestående av en komplicerad serie elektriska urladdningsförlopp.

Elektrostatisk urladdning ESD står för Electro Static Discharge som betyder elektrostatisk urladdning. Redan under 70-talet upptäckte man att elektronikkomponenter var känsliga för ESD. Då var både funktionsstörningar och komponentskador vanliga och kostsamma fenomen inom elektronikområdet.
Känsligheten för ESD-skador har ökat inom andra områden än elektronikindustrin. Några områden, som berörs av detta fenomen, är sjukvården, bilindustrin, IT–branschen och plastindustrin. Andra problem, som kan uppstå, är explosionsrisker, dammproblem, personligt obehag mm.
Åskblixtar orsakar också stora skador på elektronikapparater och de måste därför effektivt skyddas med lämpliga skyddskomponenter och skyddsåtgärder.
 

Elektrostatiskt fält

 Uppladdning av statisk elektricitet

Statisk elektricitet uppkommer på två olika sätt. Dels genom triboelektrisk aktivitet (gnidning och separering) i fasta material och dels genom växlande kontakt och separation av material.

 För uppladdning krävs att ytorna kommer i kontakt med varandra och är av olika karaktär och att åtminstone den ena ytan är elektriskt isolerande (ytresistivitet större än 1 GΩ). Detta innebär att ledande material kan laddas upp elektrostatiskt vid kontakt med en isolator, om det ledande materialet samtidigt är isolerat från jord. När materialen separeras blir laddningarna kvar och materialen har fått en spänningspotential mellan sig

Uppladdning av statisk elektricitet från människa

En människas kapacitans till jord är ca 100 - 200 pF. Resistansen vid en urladdning är ca 2 kΩ från ett finger och ca 500Ω från handen.
Stigtiden och varaktigheten av en urladdning kan variera kraftigt. Det inledande strömförloppets stigtid är mindre än 0,5ns. Strömpulsen kan då uppnå något tiotal amper. För sådana strömförlopp krävs att en person urladdas genom ett metallföremål, varvid serieresistansen i urladdningskretsen kan vara 50 - 300Ω. Spänningen hos en människa självreglerar sig till en maximal spänning beroende på resistansen till omgivningen, luftfuktighet, jonkoncentration i luften, coronaeffekt mm. En person som går över ett golv eller arbetar vid en bänk kan bygga upp en laddning i torr luft på ca 20 - 30 kV.

Orsaker till ESD- uppladdning.

Större bild.

Urladdning från olika föremål

Vid arbete med elektronik förekommer ett flertal olika redskap, handverktyg, lödkolvar, lödsugar, förpackningar, ledande möbler, arbetsvagnar etc. som kan orsaka uppladdning. Urladdningsförloppet från dessa föremål kan vara mycket intensivt. Detta kan leda till urladdningar och förstörande skador.
 

Orsaker till ESD- skador.

Större bild.

Tribolitiska serien.

Större bild.

Funktionsstörningar och komponentskador

Elektrostatiska urladdningsförlopp är mycket ”högfrekventa” till karaktären och ger upphov till störningar, som kopplas effektivt till olika elektronikkretsar. Elektronikkretsar förmår att reagera på de kortvariga störningsförlopp som uppkommer. Funktionsstörningar av digitala system är därför vanliga på grund av elektrostatiska urladdningar från personer och föremål. Det är stor risk att halvledarekomponenter och miniatyriserade passiva komponenter förstörs om urladdning kan nå dessa. Kretsar, som inte förstörs direkt vid urladdning, kan förändras så att deras livslängd avsevärt reduceras. De typer av skador som orsakas av ESD kan delas in i två grupper. Antingen upphör funktionen på komponenten direkt vid en urladdning eller så uppstår ett latent fel. Ett latent fel innebär att komponenten skadas utan att funktionen upphör direkt. Resultatet kan bli att komponenten enbart tidvis fungerar, s.k. internmittent fel. Sådana fel är mycket obehagliga och allvarliga. I de fall, där ESD-skadan leder till katastrofalt fel på komponenten, så att den helt går sönder och blir förstörd, är det lättare att reparera och hantera. Sådana fel leder i sin tur till att också enheten, där den förstörda komponenten ingår, slutar att fungera. Kostnader, som orsakas av ESD-skador, blir omfattande i både produktion, underhåll och reparation. Bra konstruktion, införande av skyddskomponenter och smarta byggsätt skapar garanti för hög kvalité.
ESD-fel på avionikenheter som komponenter, kretskort , enheter och system är mycket allvarliga och måste bemästras till varje pris.

Olika kretsars känslighet för ESD.

Större bild.

Elektronikkretsars ESD-känslighet

Känsligheten hos IC-kretsar beror på flera olika faktorer såsom tunnare ledarebredd och mindre isolationsavstånd hos kretsen, ESD-skyddet hos in- och utgången mm. Moderna kretsfamiljer har mycket tunna ledare, vilket ökar risken för smältskador. Hög packningstäthet gör att ledarna kommer nära varandra och skikten blir tunna. Därmed ökar risken för överslag mellan ledare eller skikt. Många nya material, såsom GaAs, har sämre värmeledning och lägre värmetålighet än kisel. Detta gör kretsar med dessa material mer känsliga för ESD än kisel. Moderna kretsfamiljer har oftast ESD-skydd på in- och utgångar, vilket gör att de klarar mindre urladdningar.

Kortslutning mellan gate och substrat, som följd av elektrostatisk urladdning på MOS - transistor.

ESD-skador på IC-krets.

Större bild.

Vanliga felmekanismer av ESD hos IC-kretsar:

• Dielektriskt genomslag. Detta är den vanligaste felorsaken för MOS-kretsar. Den orsakas av att spänningen över oxidskiktet överskrider den dielektriska genomslagsspänningen. MOS kretsens fel karakteriseras av kortslutning mellan ingång och någon av matningsterminalerna. Felet kan också uppstå hos bipolära kretsar där metalliseringen passerar över ett aktivt område med tunt oxidskikt. Felet för de bipolära kretsarna karakteriseras av kortslutning eller hög läckström.

• Termisk överhettning. Denna felmekanism orsakas av kiseln (eller GaAs) som smälter och är i huvudsak en effektberoende felmekanism. ESD-pulsens form, varaktighet och energi påverkar uppvärmningen av kretsen. Sekundärt genombrott är vanlig felorsak hos bipolära kretsar.

• Parameterdegradering. För varje ESD-puls försämras vissa parametrar hos kretsen t.ex. ingångsströmmen hos en OP-förstärkare ökar eller snabbheten hos en digital logikkrets sjunker. Den första ESD-pulsen kanske inte försämrar parametern så den hamnar utanför sitt specificerade område. ESD-puls kan orsaka skada som gör kretsen mindre tålig mot miljöpåverkan, ESD och EMC. T.ex. kan en ledare i kretsen brännas nästan av, pga. ESD-puls och då blir den miljökänsligare.

ESD-utbildning

ESD-skyddad arbetsplats EPA.

Större bild

Åtgärder för skydd mot statisk elektricitet

Det går inte att förhindra statisk elektricitet helt, men det går att begränsa påverkan. Genom att vidta följande åtgärder kan man erhålla ett effektivt skydd mot ESD-skador.

• Hantera alla ESD-känsliga produkter (såsom komponenter, kretskort, apparater mm) inom ett ESD- skyddat område EPA (ESD Protected Area).

• Transportera och förvara alla ESD-känsliga produkter i ESD-säkert förpackningsmaterial.

• Informera och utbilda all personal om uppkomst, verkan och motåtgärder.

Den ESD-skyddade arbetsplatsen EPA bör vara utformad enligt följande:

1. Avledande armband.

2. Joniseringsutrustning.

3. Avledande golv.

4. Avledande verktyg och maskiner.

5. Avledande kläder och skor

6. Maximal spänning i lokalen 100V.

7. Från alla avledande ytor skall förbindelse finnas till jord.

 ESD- händelser vid FFV Aerotech

Under många år vid FFV Aerotech då vi utvecklade, konstruerade, tillverkade och typprovade flygburna avionikapparater påträffades ett mindre antal ESD-skadade komponenter. Ett stort problem var att apparater som hade genomgått komplett 100% godkända tester och var klara för installation i flygplan var utsatta för latenta ESD-skador. Efter installation i flygplanet och några flygpass upptäckte piloten funktionsstörningar, som kom och försvann. Dessa störningar kom tätare och tätare (internmittenta fel) och till sist slutade apparaten att fungera. Apparaten sändes tillbaka till FFV Aerotech för reparation och åtgärd. Efter intensiv och noggrann felsökning konstaterades att en eller flera IC-kretsar var trasiga. Kretsdesignen på kretskortet var sådan att där de ingående trasiga IC-kretsarna var placerade, ej var ”naturligt” skadade eller trasiga. Det visade sig vara ESD-skador. Detta konstaterades efter lång, noggrann och tidsödande analys i testutrustning, autotestare och röntgenmikroskåp. Med tiden lärde vi oss att bemästra ESD och andra komplexa elmiljöskador genom att införa olika åtgärder. Konstruktionsmässigt infördes effektivare kretskortslayout, skyddskomponenter, apparatuppbyggnad, skärmade kablar mm. Personal och lokaler utrustades med skyddsutrustningar, skyddad arbetsplats och högre ESD-medvetenhet. Högohmiga IC-kretsar med hög packningstäthet och förminskning kommer i fortsättningen att ställa höga ESD-krav. ESD-skador på avionikapparater är mycket allvarligt och måste absolut minimeras.
 

Sammanställt av: Göran Gustafsson AEF.

Källor:

• IEC TK101,

• Nordiska ESD- rådet och Sveriges verkstadsindustriers ESD- grupp.

• Egna erfarenheter från praktiska fall.

Senast uppdaterad: 2012-02-01