Elektronika i ESD: skutki ESD

Wyładowania elektrostatyczne lub ESD wpływają na obwody i komponenty elektroniczne.
Niektóre z tych efektów są natychmiastowymi niepowodzeniami, podczas gdy inne mogą
objawiać się tygodnie lub lata później. Wyładowania elektrostatyczne (ESD) wpływają na
elementy elektroniczne na kilka różnych sposobów. Wysokie napięcia statyczne, które mogą
przenikać do urządzeń, mogą uszkodzić ich skomplikowane obwody wewnętrzne. Ze
względu na wysoką impedancję wejściową technologii MOS, która zapobiega rozpraszaniu
się napięć i umożliwia ekstremalnie wysokie napięcia, które mogą łatwo uszkodzić małe
wymiary zarówno przewodników, jak i barier izolacyjnych, skutki ESD są teraz bardziej
widoczne. Ponieważ rozmiary elementów układów scalonych są coraz mniejsze, elektronika
staje się bardziej podatna na uszkodzenia przez elektryczność statyczną.

Konieczne jest zbadanie samych urządzeń elektronicznych, aby zobaczyć, jak wpływa na nie
ESD, jednocześnie sprawdzając, jak ESD wpływa na sprzęt elektroniczny.

Niektóre gadżety elektryczne są bardziej podatne na wyładowania elektrostatyczne niż inne.
Jednak porównanie poziomów ładunków statycznych z napięciami zasilania warto umieścić
w kontekście. Gadżet logiczny nie zostałby poddany nawet pięćdziesięciu woltom prądu.
Jednak obchodzenie się z nimi bez środków bezpieczeństwa ESD może skutkować
przyłożeniem do nich napięć statycznych rzędu kilku kilowoltów.

Urządzenia z technologią MOS – Metal Oxide Semiconductor – są zazwyczaj najbardziej
podatne na ESD. Ze względu na swoje bardzo wysokie impedancje, urządzenia te
zapobiegają rozpraszaniu ładunku w bardziej kontrolowany sposób. Nie oznacza to jednak,
że sprzęt bipolarny jest odporny na uszkodzenia.

Napięcia statyczne tak niskie jak 250 V mogą uszkodzić większość urządzeń CMOS. Ze
względu na mniejsze zużycie prądu należą do nich rodziny logiczne 74HC i 74HCT, często
stosowane w wielu systemach wykorzystujących „logikę kleju”. Jednak wiele nowych
mikroprocesorów i obwodów LSI jest bardzo podatnych na ESD, a napięcie zasilania
mniejsze niż 5 V czyniłoby je bezużytecznymi, co czyni je bardziej podatnymi na uszkodzenia
ESD.

Urządzenia logiczne to nie jedyna elektronika, która musi być chroniona przed
elektrycznością statyczną. Napięcia statyczne tak niskie jak 100 V mogą zabijać GaAsFET RF,
co czyni je szczególnie podatnymi na uszkodzenia. ESD wpływa również na liczne dyskretne
warianty FET. Ponownie, tranzystory MOSFET są bardzo czułe i powszechnie stosowane w
różnych aplikacjach RF.

Standardowe tranzystory bipolarne mogą zostać zniszczone nawet przy potencjale około
500V. Doskonałą ilustracją tego są najnowsze tranzystory, które mają mieć znacznie niższą
geometrię wewnętrzną i oferować wyższe częstotliwości pracy. Służy to jedynie jako szeroka
ilustracja stosunkowo małego podzbioru poziomów podatności na wyładowania
elektrostatyczne. Należy jednak zachować ostrożność podczas obsługi wszystkich urządzeń
półprzewodnikowych lub dysków SSD.

Obecnie dyski SSD to coś więcej niż tylko urządzenia półprzewodnikowe. W niektórych
regionach nawet elementy pasywne zaczynają być klasyfikowane jako wrażliwe na ładunki
elektrostatyczne. Dążenie do miniaturyzacji zaowocowało znacznie mniejszymi
pojedynczymi komponentami elektronicznymi. W rezultacie stają się bardziej podatne na
skutki uszkodzeń esd.

Mechanizmy wyładowań elektrostatycznych

Wiele czynników wpływa na to, jak wyładowania elektrostatyczne, czyli ESD, przejawiają
swoje konsekwencje. Większość z nich jest trudna do zmierzenia. Ilość ładunków
elektrostatycznych, które się kumulują, różni się w zależności od użytych materiałów,
wilgotności dnia, a nawet wzrostu osobnika. Każda osoba może być określona jako
kondensator, który utrzymuje ładunek. Typowa osoba jest odpowiednikiem kondensatora
300 pF, chociaż indywidualne różnice drastycznie wpłyną na tę wartość.

Absolutorium różni się również pod względem tego, jak to się dzieje. Ładunek często szybko
się rozprasza, zwykle w czasie krótszym niż 100 nanosekund. Prąd szczytowy w tym okresie
może osiągnąć 20 lub 30 amperów. Liczne zmienne wpływają zarówno na prąd szczytowy,
jak i czas rozładowania. Aktualny szczyt jest wyższy i szybszy, gdy zamiast rozładowywania
przez palec używany jest metalowy instrument, taki jak pęseta lub szczypce z cienkimi
końcówkami. Dzieje się tak, ponieważ metal oferuje wyładowaniu ścieżkę o znacznie niższym oporze. Jednak ilość rozproszonego ładunku pozostaje niezależna od metody
rozładowania.

Utajone uszkodzenia ESD

Utajone uszkodzenie ESD ma miejsce w urządzeniu po tym, jak zostało wyrządzone podczas
jego działania. Awaria w późniejszym okresie eksploatacji urządzenia może wynikać z tego
typu uszkodzenia esd. Usterka może być obciążona i ostatecznie zawieść w wyniku
kolejnych skoków prądu wywołanych po prostu przez włączenie sprzętu lub nawet przez
regularne działanie. W niektórych przypadkach przyczyną tego mogą być również wibracje.

Te ukryte wady są szczególnie niepokojące, ponieważ mogą powodować awarie sprzętu w
późniejszym okresie eksploatacji, obniżając jego niezawodność. W rzeczywistości obiekty z
niewystarczającą ochroną antystatyczną częściej produkują sprzęt o niskiej niezawodności.
Według szacunków co najmniej dziesięć urządzeń ma ukryte uszkodzenia i ostatecznie
ulegnie awarii u każdego, kto dozna natychmiastowego uszkodzenia.