ESD-контроль: методы обеспечения защиты изделий от электростатического воздействия на предприятиях радиоэлектронной промышленности

Воздействие электростатического разряда

Выбор материалов и оборудования для помещений, защищенных от воздействия ESD в электронной промышленности, — очень важный аспект, и в этой связи требования современных отечественных и зарубежных стандартов помогут как производителям, так и, прежде всего, пользователям изделий, чувствительных к электростатическим разрядам.

Новые процессы производства и оборудование таят в себе дополнительный высокий ESD-риск. Ведь действие ESD по силе и интенсивности можно сравнить, например, с ударом молнии (рис. 1), а разряд напряжением 300 В разрушителен для микросхемы.

Рис. 1. Действие ESD

Еще несколько лет назад производители интегральных микросхем и поставщики корпусов могли контролировать выход из строя компонентов вследствие ESD-повреждения. Но с появлением бескорпусных микросхем на печатных платах частота выхода компонентов из строя повысилась, увеличилось количество неисправностей в сфере выпуска PCB, при поверхностном монтаже, и неисправности, вызванные ESD, нередко путают с механическими повреждениями из-за их внешней схожести (рис. 2, 3).

Рис. 2. Типичное ESD FOS-повреждение

Рис. 3. Данное повреждение часто квалифицируется как механическое

Причина такова: новые технологии привели к уменьшению толщины изоляционного слоя, что и вызвало увеличение процента ESD-повреждений, которые при визуальном осмотре классифицируются как механические повреждения.

Выяснение достоверных обстоятельств подобных частых сбоев требует проведения точного и скрупулезного анализа, результаты которого дадут организации возможность рассмотреть вопрос о жестком соблюдении ESD-контроля и об оснащении производства необходимыми средствами защиты. Для правильного выбора и подтверждения той или иной причины возникновения повреждения широко используется методика для локального анализа поперечного среза СИП (сфокусированный ионный пучок) (рис. 4).

Рис. 4. ESD-повреждение, определенное при помощи СИП — поперечного среза (для данного повреждения типичны острые металлические шипы (дендриты), которые в дальнейшем становятся причиной возникновения коротких замыканий)

Нельзя не отметить, что другой важной причиной появления повреждений является большая скорость оборудования (высокая производительная способность), ведь обычно контроль заземления оборудования проводится в основном в статическом состоянии, а не во время работы оборудования с максимальной скоростью (рис. 5).

Рис. 5. Высокопроизводительное оборудование

Исходя из этого, современное производство должно предъявлять требования полной защиты от ESD FOS при высокой скорости производства.

При помощи оценки ESD/ESD FOS можно определить вероятный риск во всех сферах производства и используемого оборудования. Кроме того, на производственном участке необходимо установить, соответствует ли заземление действующего оборудования и материалов требованиям технологического процесса. Если нет, то следует соответствующим образом изменить заземление, заменить материал или использовать ионизаторы.

Следует заметить, что полупроводниковая индустрия уже предприняла шаги по улучшению схемы защиты от электростатического разряда до 1 кВ.

Понятие критерия эквипотенциальности

Накопление статического заряда — очень серьезная проблема не только в электронной, но и в других отраслях промышленности, поскольку современные электронные устройства демонстрируют чрезвычайно сильную подверженность повреждению под действием статических разрядов. Такое накопление можно подавлять, увеличивая электропроводность материала, поэтому общепринятыми показателями эффективности антистатиков являются скорость спадания величины статического заряда и поверхностная проводимость. Надо отметить, что большинство современных антистатиков обладают рассеивающей способностью статического заряда по мере его накопления. Одна из задач для исключения повреждения от электростатического разряда (ЭСР) на предприятиях — необходимость устранения разности потенциалов между чувствительными к ЭСР элементами и другими проводниками, то есть все проводящие и рассеивающие элементы должны соединяться с «землей» или между собой, образуя эквипотенциальное соединение. Поверхность проводника в электростатике (электростатическом поле) является эквипотенциальной.

Классификация изделия (сертификация) и ESD-аудит

Требования к материалам для защиты от ESD в среде, где совершаются действия с компонентами, платами и электронными сборками, действительно накладывают много ограничений. Следует всегда помнить, что всем известные средства защиты ESD, такие как токопроводящий пол, токоотводящая одежда и обувь, сегодня уже недостаточны!

Поэтому на предприятиях радиоэлектронной промышленности (рис . 6) необходимо создать программу ESD-контроля, ввести классификацию изделия (сертификацию), провести ESD-аудит и постоянно контролировать и поддерживать соответствие стандартам по ESD-защите.

Рис. 6. Предприятие радиоэлектронной промышленности

В свою очередь сертификация должна производиться в точности с установленными методами испытаний, утвержденными стандартами по защите от явлений ESD.

Сегодня предлагаются различные материалы для ESD-защиты, но, оказывается, не все из них могут использоваться в электронных процессах.

Возьмем некоторые процессы мониторинга и попробуем разобраться вместе.

Контроль соответствия стандарту (поддержание соответствия)

Самые дорогостоящие решения могут быть неэффективными без соответствующего мониторинга. Для электронного производства примером является мониторинг элементов EPA (табл. 1) и инспекционные проверки (табл. 2).

Таблица 1. Пример мониторинга EPA

Таблица 2. Пример инспекционной проверки ЕРА

Для проведения мониторинга имеются коммерческие устройства, позволяющие выполнять периодические проверки эффективности системы защиты по методам, которые должны быть отражены в локальных программах ESD. Для уменьшения воздействия человеческого фактора могут применяться системы постоянного мониторинга, способные информировать пользователя при помощи звуковых и визуальных сигналов о возможных проблемах с заземлением.

Стандарты по защите от электростатических явлений IEC 61340-5-1 и ГОСТ Р 53734.5.1.-2009 определяют предельные значения, и методы испытаний изделий, предназначенных для защиты от ESD, указывают, что при работе с чувствительными к ESD изделиями персонал должен иметь заземление или эквипотенциальное соединение в соответствии с технологическими требованиями.

Перемещение человека в рабочей зоне является основной причиной формирования электростатического заряда, который приводит к напряжению человеческого тела, равному нескольким тысячам вольт.

Рис. 7. Антистатическая обувь

Например, существует три типа обуви ESD (рис. 7), которая должна пройти квалификационную проверку изделия и использоваться для защиты от явлений ESD в соответствии со стандартом CEI EN 61340-4-3 (табл. 3).

Таблица 3. Типы кондиционирования образцов и условия испытаний. Стандарт CEI EN 61340-4-3

Из таблицы 3 следует, что фактически обувь ESD 1-го класса предназначена для защиты в электронной среде, так как только обувь этого класса может гарантировать значение 100HBV в условиях предельной относительной влажности, как указано в действующих стандартах, которые применяются в качестве основной системы для заземления персонала и напольного покрытия ESD.

Согласно требованиям стандартов, при использовании системы «напольное покрытие – обувь» необходимо соблюдать следующие условия:

1. Общее сопротивление системы (от сотрудника через обувь и покрытие к заземляющему оборудованию) должно быть не менее 3,5×10⁷ Ом.
2. Максимальное создаваемое телом допустимое напряжение должно быть не менее 100 В, общее сопротивление системы должно быть не менее 10⁹ Ом.

При разработке общей программы управления электростатическими разрядами (ЭСР-управление) на предприятии необходимо сформировать план проверки, который должен содержать указания по оценке соответствия установленным пределам антистатической защиты.

Возможные для использования элементы ЭСР-управления даны в таблице 4. Стоит обратить внимание, что некоторые технические элементы таблицы не имеют нижнего предела сопротивления и необходимо учитывать, что данное значение должно устанавливаться по безопасности. В этом случае необходимо принимать во внимание соответствующие требования действующих стандартов по защите от электростатических явлений.

Таблица 4. Допустимые пределы, установленные стандартами и интегрированные с требованиями пользователя

Стандарты по защите от электростатических явлений оговаривают опасность применения диэлектриков, а при необходимости их использования рекомендуют следующие максимальные значения:

• электростатическое поле в месте, где используются чувствительные к ЭСР компоненты, не должно превышать 10 000 В/м;
• если электростатический потенциал, измеряемый на поверхности изоляторов, необходимых для работы, превышает 2000 В, то их размещают на расстоянии минимум 30 см от чувствительных к ЭСР компонентов.

Рис. 8. Антистатические перчатки

Стандарты устанавливают максимальные значения ESD-напряжения и электростатического поля в производственной зоне EPA, где присутствуют ESD-незащищенные компоненты. Данные параметры определены для того, чтобы правильно использовать изоляционные материалы (рис. 8) техпроцесса (таких изделий, как колодки, разъемы, ленты, этикетки и т.п.), которые в случае превышения определенных норм климата должны обрабатываться при помощи систем активной защиты — ионизаторов (рис. 9).

Рис. 9. Промышленный ионизатор

Выбор систем защиты и материалов, используемых в EPA, имеет очень высокую важность. Поэтому необходимо выбрать максимально эффективное решение (путем сертификации «Классификация изделия» и ESD-аудита), прежде всего, способное обеспечить стабильную защиту на протяжении длительного времени (проверяется ответственным за ESD).

Следует отметить, что не всегда специалисты предприятия имеют соответствующее оборудование (рис. 10) и могут правильно оценить параметры окружающей среды, которые являются определяющим фактором для выбора материалов и изделий, а также не обладают достаточной подготовкой для проведения сертификационных испытаний и ESD-аудита. В данном вопросе помогут сертифицированные IPC-тренеры (инженеры) по ESD-аудиту.

Рис. 10. Пример, демонстрирующий значение напряжения ESD в зоне EPA

Прежде всего, это высококвалифицированные специалисты компании, прошедшие обучение и получившие международные сертификаты IPC на право проведения ESD-аудита. Они помогут создать безопасные условия работы на предприятии.

Сертифицированные IPC-тренеры (инженеры) по ESD-аудиту проводят внешний независимый ESD-аудит на соответствие стандартам электростатики для оценки эффективности и корректировки программы ESD-контроля на предприятии (рис. 11).

Рис. 11. Программа ESD-контроля на предприятии

На сегодня компания «Совтест» обладает всеми необходимыми ресурсами для проведения ESD-аудита, начиная с полного оснащения современным тестовым оборудованием до опытных профессионалов, в совершенстве владеющих методикой измерения. Наши специалисты гарантируют высокий уровень компетентности, подтвержденный международными сертификатами IPC. Более того, все производственные помещения компании полностью оснащены антистатическим оборудованием, что говорит об успешном применении инновационных разработок в собственной деятельности. Также, помимо собственного производства, на счету «Совтест» успешное внедрение ESD-оборудованиях на многих российских предприятиях, например, ФГУП ПО «Октябрь».

Следует знать, что успешное прохождение сертификационных испытаний и ESD-аудита дает предприятию очевидное преимущество перед другими компаниями, работающими в данной отрасли. Кроме того, это помогает оптимизировать ресурсы предприятия, направленные на ESD-оснащение, и оценить эффективность инвестиций.