Hoe u elektrostatische ontlading (ESD) kunt voorkomen
Om ESD effectief te bestrijden en te voorkomen, moet de juiste apparatuur op de juiste manier worden gebruikt. Dankzij een reeks krachtige ESD-preventie-, bewakings- en ionisatieapparaten met gesloten-loop, kan ESD nu worden beschouwd als een procescontroleprobleem.
Elektrostatische ontlading (ESD) is een bekende maar onderschatte bron van schade aan printplaten en componenten in elektronische assemblage. Het treft elke fabrikant, ongeacht de grootte. Hoewel velen denken dat ze produceren in een ESD-veilige omgeving, is de realiteit dat ESD-gerelateerde schade de elektronische productie-industrie in de wereld jaarlijks miljarden dollars blijft kosten.
Wat is ESD precies? Elektrostatische ontlading (ESD) wordt gedefinieerd als de ontlading (elektronenstroom) van een eerder bestaande (vaste) statische lading (onvoldoende of overmatige elektronen). De lading is stabiel onder twee omstandigheden:
Wanneer het "vast komt te zitten" in een geleidend maar elektrisch isolerend voorwerp, zoals een metalen schroevendraaier met een plastic handvat.
Wanneer het zich op een isolerend oppervlak bevindt (zoals plastic) en er niet overheen kan stromen.
Als een geleider met een voldoende hoge elektrische lading (zoals een schroevendraaier) echter een geïntegreerd circuit (IC) met een tegengestelde potentiaal nadert, vindt er "overbrugging" van de lading plaats, waardoor elektrostatische ontlading (ESD) ontstaat.
ESD treedt zeer snel op met een extreem hoge intensiteit, waarbij doorgaans voldoende warmte wordt gegenereerd om de interne circuits van een halfgeleiderchip te laten smelten. Onder een elektronenmicroscoop ziet dit eruit als een klein, uitgeblazen-gaatje, dat onmiddellijke en onomkeerbare schade veroorzaakt.
Nog ernstiger is dat slechts in een tiende van de gevallen deze schade ervoor zorgt dat het gehele onderdeel tijdens de eindtest faalt. In de overige 90% veroorzaakt ESD-schade slechts een gedeeltelijke degradatie-wat betekent dat het beschadigde onderdeel de laatste tests onopgemerkt doorstaat en pas voortijdig defect gaat vertonen na verzending naar de klant. Dit is voor een fabrikant het meest reputatiegevoelige en kostbare gebied om eventuele fabricagefouten te corrigeren.
De grootste moeilijkheid bij het beheersen van ESD is echter dat deze onzichtbaar is en toch elektronische componenten kan beschadigen. Een ontlading die een hoorbare "klik" veroorzaakt, vereist een relatief grote lading van ongeveer 2000 volt, terwijl 3000 volt een kleine elektrische schok kan veroorzaken en 5000 volt een zichtbare vonk kan veroorzaken.
Gemeenschappelijke componenten zoals complementaire metaal-oxide-halfgeleiders (CMOS) of elektrisch programmeerbaar alleen-lezen-geheugen (EPROM) kunnen bijvoorbeeld worden beschadigd door ESD-potentiaalverschillen van respectievelijk slechts 250 volt en 100 volt, terwijl steeds gevoeligere moderne componenten, waaronder Pentium-processors, met slechts 5 volt kunnen worden vernietigd.
Dit probleem wordt nog verergerd door de schadelijke activiteiten die dagelijks plaatsvinden. Als u bijvoorbeeld op een vinylfabrieksvloer loopt, ontstaat er wrijving tussen het vloeroppervlak en de schoenen. Het resultaat is dat een puur geladen object een lading van 3 tot 2000 volt kan accumuleren, afhankelijk van de relatieve vochtigheid van de plaatselijke lucht.
Zelfs de wrijving die wordt gegenereerd door de natuurlijke beweging van een arbeider op een werkbank kan 400 tot 6000 volt produceren. Als werknemers met isolatoren omgaan tijdens het uitpakken of opnieuw verpakken van PCB's in schuimdozen of noppenfolie, kan de netto lading die zich op het lichaamsoppervlak van een werknemer kan ophopen ongeveer 26.000 volt bereiken.
Daarom moet al het personeel dat een Elektrostatisch Beschermd Gebied (EPA) betreedt, als belangrijke bron van ESD-gevaar, geaard zijn om eventuele opbouw van lading te voorkomen, en moeten alle oppervlakken geaard zijn om alles op hetzelfde potentieel te houden, zodat ESD niet kan optreden.
De belangrijkste producten die worden gebruikt om ESD te voorkomen zijn polsbandjes, gemaakt van pluche corduroy en dissipatieve oppervlakken of vulling-beide moeten goed geaard zijn. Aanvullende hulpmiddelen zoals dissipatief schoeisel of hielbanden en geschikte kleding zijn ontworpen om de accumulatie en het vasthouden van netto lading te voorkomen terwijl personeel zich binnen de EPA verplaatst.
Tijdens en na de montage moeten PCB's ook worden beschermd tegen ESD door intern en extern transport. Hiervoor zijn veel PCB-verpakkingsproducten beschikbaar, waaronder beschermzakken, verzenddozen en mobiele trolleys. Hoewel het juiste gebruik van de bovengenoemde apparatuur 90% van de ESD-gerelateerde problemen zal voorkomen, is er nog een beschermingslaag nodig om de laatste 10% te bereiken: ionisatie.
De meest effectieve manier om montageapparatuur en oppervlakken die elektrostatische ladingen kunnen genereren te neutraliseren, is het gebruik van een ionisator-een apparaat dat een geïoniseerde luchtstroom door het werkgebied blaast om eventuele lading die zich op de isolatie heeft opgehoopt te neutraliseren.
Een veel voorkomende misvatting is dat, omdat op werkplekken handriemen worden gedragen, de lading op de isolatie in die ruimte, zoals polystyreen bekers of kartonnen dozen, veilig zal verdwijnen. Per definitie geleiden isolatoren geen elektriciteit en kunnen ze alleen worden ontladen door ionisatie.
Als een geladen isolator in de EPA achterblijft, zal deze een elektrostatisch veld uitstralen, waardoor een netto lading op nabijgelegen objecten wordt gegenereerd, waardoor het risico op ESD-schade aan het product toeneemt. Hoewel veel fabrikanten proberen isolatie uit hun EPA's te bannen, is deze aanpak moeilijk te implementeren. Isolatie is zo wijdverbreid in het dagelijks leven-van de schuimmatten waar operators comfortabel op zitten tot dingen in plastic hoezen.
Door het gebruik van ionisatoren kunnen fabrikanten de aanwezigheid van enige isolatie in hun EPA's accepteren. Omdat ionengeneratiesystemen voortdurend de opbouw van lading op isolatoren neutraliseren, zijn ze een waardevolle investering voor elk ESD-programma.
Er zijn twee basistypen ionengeneratoren in standaard elektronische assemblages:
Desktop (enkele ventilator)
Overheadunit (een reeks ventilatoren binnen één enkele overheadunit)
Er zijn ook ionengeneratoren voor binnenshuis beschikbaar, maar deze worden nu voornamelijk gebruikt in cleanroomomgevingen.
De keuze hangt af van de grootte van het te beschermen gebied. Een desktop-ionengenerator bestrijkt één enkel, uniform werkoppervlak, terwijl een overhead-ionengenerator twee of drie werkoppervlakken bestrijkt. Een ander voordeel is dat ionengeneratoren ook voorkomen dat statisch stof zich aan producten hecht, wat het uiterlijk ervan kan aantasten.
Geen enkel beschermingsprogramma is echter compleet zonder het goed testen en monitoren van de effectiviteit van ESD-apparatuur. Toonaangevende ESD-controle- en ionisatie-experts hebben voorbeelden gerapporteerd van fabrikanten die ineffectieve (en dus nutteloze) ESD-apparatuur gebruiken zonder zich te realiseren dat deze falen.
Om dit te voorkomen bieden ESD-leveranciers, naast standaard ESD-apparatuur, een verscheidenheid aan constante bewakingsapparatuur die automatisch alarm geeft als een prestatie de gespecificeerde limieten overschrijdt. Monitoren kunnen worden gebruikt als stand-alone units of worden aangesloten in een netwerk. Er is ook netwerksoftware beschikbaar voor automatische gegevensverzameling, die real-weergaven van de systeemprestaties voor operators en werkstations biedt.
Monitoren kunnen de ESD-planning vereenvoudigen door veel routinetaken te elimineren, zoals het zorgen voor goede dagelijkse bandmetingen, het balanceren en correct onderhouden van ionengeneratoren, en onbeschadigde aardingspunten op de werkbank.
Conclusie
De eerste stap bij het voorkomen van ESD is het correct beoordelen hoe ogenschijnlijk kleine details onherstelbare schade kunnen veroorzaken als ze over het hoofd worden gezien. Een effectief plan vereist niet alleen het gebruik van effectieve ESD-beschermingsapparatuur, maar ook strenge operationele procedures om ESD-veiligheid voor al het personeel op de fabrieksvloer te garanderen.
Hoewel veel fabrikanten automatische tapetesters gebruiken, komt het vaak voor dat operators de test wel of niet halen vanwege een losse tape. Veel operators proberen de test te doorstaan door de tester eenvoudig met hun andere hand dicht bij hun pols vast te pakken.
Niettemin is het goede nieuws dat ESD te voorkomen is. De tijd en het geld dat is geïnvesteerd in de juiste apparatuur en verbeterde veiligheidsprocedures zullen hun vruchten afwerpen door hogere slagingspercentages.