Come prevenire le scariche elettrostatiche (ESD)
Per combattere e prevenire efficacemente l’ESD, è necessario utilizzare correttamente l’attrezzatura giusta. Grazie a una gamma di potenti dispositivi di ionizzazione, monitoraggio e prevenzione-delle scariche elettrostatiche a circuito chiuso, le scariche elettrostatiche possono ora essere considerate un problema di controllo del processo.
Le scariche elettrostatiche (ESD) sono una fonte di danni familiare ma sottovalutata ai circuiti stampati e ai componenti negli assemblaggi elettronici. Colpisce ogni produttore, indipendentemente dalle dimensioni. Anche se molti credono di produrre in un ambiente sicuro-dalle scariche elettrostatiche, la realtà è che i danni legati alle scariche elettrostatiche-continua a costare all'industria manifatturiera elettronica mondiale miliardi di dollari ogni anno.
Cos’è esattamente l’ESD? La scarica elettrostatica (ESD) è definita come la scarica (flusso di elettroni) di una carica statica (fissa) precedentemente esistente (elettroni insufficienti o eccessivi). La carica è stabile in due condizioni:
Quando rimane "bloccato" in un oggetto conduttivo ma elettricamente isolante, come un cacciavite in metallo con manico in plastica.
Quando risiede su una superficie isolante (come la plastica) e non può fluire attraverso di essa.
Tuttavia, se un conduttore con una carica elettrica sufficientemente elevata (come un cacciavite) si avvicina a un circuito integrato (IC) con un potenziale opposto, si verifica un "ponte" di carica, causando una scarica elettrostatica (ESD).
L'ESD si verifica molto rapidamente con un'intensità estremamente elevata, generando in genere abbastanza calore da fondere i circuiti interni di un chip semiconduttore. Al microscopio elettronico appare come un piccolo foro-espulso, che provoca danni immediati e irreversibili.
Ancora più grave è che solo in un decimo dei casi questo danno provoca il cedimento dell'intero componente durante il collaudo finale. Nel restante 90%, il danno ESD causa solo un degrado parziale-il che significa che il componente danneggiato supera il test finale in modo non rilevabile, mostrando un guasto prematuro sul campo solo dopo la spedizione al cliente. Questa è l'area più reputazionale e costosa per un produttore per correggere eventuali difetti di fabbricazione.
Tuttavia, la principale difficoltà nel controllare l’ESD è che è invisibile ma in grado di danneggiare i componenti elettronici. Una scarica che produce un "clic" udibile richiede una carica relativamente grande di circa 2000 volt, mentre 3000 volt possono produrre una piccola scossa elettrica e 5000 volt possono produrre una scintilla visibile.
Ad esempio, componenti comuni come i semiconduttori di-ossido di metallo-complementare (CMOS) o la memoria di sola lettura programmabile elettricamente-(EPROM) possono essere danneggiati da differenze di potenziale ESD di soli 250 volt e 100 volt, rispettivamente, mentre i componenti moderni sempre più sensibili, inclusi i processori Pentium, possono essere distrutti da soli 5 volt.
Questo problema è aggravato dalle attività dannose che si verificano quotidianamente. Ad esempio, camminare sul pavimento di una fabbrica di vinile genera attrito tra la superficie del pavimento e le scarpe. Il risultato è che un oggetto puramente carico può accumulare una carica da 3 a 2000 volt, a seconda dell'umidità relativa dell'aria locale.
Anche l'attrito generato dal movimento naturale di un lavoratore su un banco di lavoro può produrre da 400 a 6000 volt. Se i lavoratori maneggiano gli isolanti mentre disimballano o reimballano i PCB in scatole di schiuma o pluriball, la carica netta che può accumularsi sulla superficie corporea di un lavoratore può raggiungere circa 26.000 volt.
Pertanto, essendo una delle principali fonti di pericolo di scariche elettrostatiche, tutto il personale che entra in un'area protetta elettrostatica (EPA) deve essere collegato a terra per prevenire qualsiasi accumulo di carica e tutte le superfici devono essere collegate a terra per mantenere tutto allo stesso potenziale, evitando che si verifichino scariche elettrostatiche.
I prodotti principali utilizzati per prevenire le scariche elettrostatiche sono i braccialetti, realizzati in morbido velluto a coste e superfici o imbottiture dissipative-entrambi devono essere adeguatamente messi a terra. Ulteriori ausili come calzature dissipative o cinghie per i talloni e indumenti adeguati sono progettati per prevenire l'accumulo e la ritenzione della carica netta mentre il personale si sposta all'interno dell'EPA.
Durante e dopo l'assemblaggio, i PCB dovrebbero essere protetti anche dalle scariche elettrostatiche derivanti dal trasporto interno ed esterno. A questo scopo sono disponibili molti prodotti per l'imballaggio di PCB, tra cui sacchetti schermanti, scatole per spedizione e carrelli mobili. Sebbene l'uso corretto delle apparecchiature di cui sopra prevenga il 90% dei problemi legati alle scariche elettrostatiche-, per raggiungere il 10% finale è necessario un altro livello di protezione: la ionizzazione.
Il modo più efficace per neutralizzare le attrezzature e le superfici di assemblaggio che possono generare cariche elettrostatiche è utilizzare uno ionizzatore-un dispositivo che soffia un flusso d'aria ionizzato attraverso l'area di lavoro per neutralizzare qualsiasi carica accumulata sull'isolamento.
Un malinteso comune è che, poiché sulle postazioni di lavoro vengono indossate cinghie per le mani, la carica sull'isolamento in quella zona, come bicchieri di polistirolo o scatole di cartone, si dissiperà in modo sicuro. Per definizione gli isolanti non conducono elettricità e non possono scaricarsi se non tramite ionizzazione.
Se un isolante carico rimane nell'EPA, irradierà un campo elettrostatico, generando una carica netta su eventuali oggetti vicini, aumentando così il rischio di danni da scariche elettrostatiche al prodotto. Sebbene molti produttori tentino di vietare l’isolamento dai propri EPA, questo approccio è difficile da implementare. L'isolamento è così diffuso nella vita di tutti i giorni-dai tappetini in schiuma su cui gli operatori si siedono comodamente agli oggetti avvolti in coperture di plastica.
A causa dell'uso degli ionizzatori, i produttori possono accettare la presenza di un certo isolamento nei loro EPA. Poiché i sistemi di generazione di ioni neutralizzano continuamente qualsiasi accumulo di carica che può verificarsi sugli isolanti, rappresentano un investimento utile per qualsiasi programma ESD.
Esistono due tipi fondamentali di generatori di ioni negli assiemi elettronici standard:
Desktop (ventola singola)
Unità sopraelevata (una serie di ventilatori all'interno di una singola unità sopraelevata)
Sono disponibili anche generatori di ioni per interni, ma ora vengono utilizzati principalmente in ambienti sterili.
La scelta dipende dalle dimensioni dell'area da proteggere. Un generatore di ioni da tavolo coprirà una singola superficie di lavoro uniforme, mentre un generatore di ioni sospeso ne coprirà due o tre. Un altro vantaggio è che i generatori di ioni impediscono anche alla polvere statica di aderire ai prodotti, il che può deteriorarne l'aspetto.
Tuttavia, nessun programma di protezione è completo senza un adeguato test e monitoraggio dell’efficacia delle apparecchiature ESD. I principali esperti di ionizzazione e controllo ESD hanno segnalato esempi di produttori che utilizzano apparecchiature ESD inefficaci (e quindi inutili) senza rendersi conto del loro fallimento.
Per evitare ciò, oltre alle apparecchiature ESD standard, i fornitori ESD offrono una varietà di dispositivi di monitoraggio costante che attivano automaticamente un allarme se una prestazione supera i limiti specificati. I monitor possono essere utilizzati come unità autonome o collegati in rete. È inoltre disponibile un software di rete per l'acquisizione automatica dei dati, che fornisce visualizzazioni in tempo reale-delle prestazioni del sistema per operatori e workstation.
I monitor possono semplificare la pianificazione ESD eliminando molte attività di routine, come garantire misurazioni giornaliere corrette su nastro, bilanciamento e manutenzione adeguata del generatore di ioni e punti di messa a terra del banco di lavoro intatti.
Conclusione
Il primo passo per prevenire l’ESD è valutare correttamente come dettagli apparentemente minori possano causare danni irreparabili se trascurati. Un piano efficace richiede non solo l'uso di apparecchiature di protezione ESD efficaci ma anche procedure operative rigorose per garantire la sicurezza ESD per tutto il personale dell'impianto.
Sebbene molti produttori utilizzino tester automatici per nastri, è comune vedere gli operatori superare o fallire il test a causa di un nastro allentato. Molti operatori tentano di superare il test semplicemente afferrando il tester vicino al polso con l'altra mano.
Tuttavia, la buona notizia è che l’ESD è prevenibile. Il tempo e il denaro investiti nell'attrezzatura giusta e nel miglioramento delle procedure di sicurezza verranno ripagati con un aumento dei tassi di superamento.