kratek uvod v elektrostatiko

eLeKTRON KNEZ
Daniel Knez univ.dipl.ing
041 626 559
uvod v
elektrostatiko
eLeKTRON KNEZ
Daniel Knez univ.dipl.ing
041 626 559
Kataloga lahko naročite
9. julij 2013
• Elektron Knez d.o.o.
Savinjska cesta 43
3310 Žalec
• tel 03 713 18 58
• gsm 041 626 559
• fax 03 713 18 58
• [email protected]
• [email protected]
• www.elektron-knez.si
eLeKTRON KNEZ
Daniel Knez univ.dipl.ing
041 626 559
9. julij 2013
eLeKTRON KNEZ
MALA ZGODOVINA
400 let pr.n.št. opazijo pojav elektrostatiko pri drgnjenju jantarja, postavi se ideja o atomu
1544 je bila napisana prva knjiga z znanstvenim pristopu o elektrostatiki in prvih instrumentih za merjenje elektrostatike
1672 leta ustvarjajo elektrostatiko z gnetenjem žvepla
leta 1750 izdelajo prvi torni generator
Galvani opravlja leta 1786 poskuse na žabjih krakih, ugotovi enakost atmosferske elektrike in “galvanske” elektrike
v 17. In 18. stoletju postane elektrika “moderna” in zanimiva z različnimi preizkusi
v 17. stoletju se ugotovi, da je elektrostatika tudi v vremenskih pojavih
v 17. stoletju se ugotovi, da ima elektrostatika tudi fiziološke učinke
9. julij 2013
Benjamin Franklin
Luigi Galvani
1706 - 1790
1737- 1798
eLeKTRON KNEZ
MALA ZGODOVINA
1746 leta spoznajo električni kondenzator
nekaj let kasneje pride do prve nesreče z nabitimi električnimi kondenzatorji
1773 – 1806 spoznajo kvadratno razmerje med naboji v elektrostatičnimi naboji
prvi merilni instrument elektroskop napravijo približno leta 1771
1870 Helmholtz izdela prvi generator na principu influence
1903-1913 sestavijo moderni model atoma
Alessandro Volta
1745 - 1824
9. julij 2013
eLeKTRON KNEZ
MALA ZGODOVINA
elektrostatika je postal problem v začetkih industrijske revolucije - proizvodnja smodnika
najverjetneje je leta 1937 elektrostatika povzročila uničenje zepelina Hindenburg
z razvojem elektronike po letu 1960 postaja elektrostatika vedno večji problem
danes so moderne elektronske komponente z visoko stopnjo submikronske tehnologije (VLSI) občutljive na elektrostatično napetosti 10 V
elektrostatika napravi v elektronski industriji ocenjeno 8 milijard $ škode na leto
v modernem avtomobilu predstavljajo elektronki sklopi 75 % vrednosti avtomobila
Van de Graffov generator
Institut Josef Stefan 1953 - 1997
Rober J. Van de Graff
1901 1967
9. julij 2013
eLeKTRON KNEZ
DEFINICIJE
elektrostatika je nepredvidljiva: danes je, jutri je in ne ve se, zakaj je ni več!
pri
obravnavanju elektrostatike je smiselno upoštevati kompromise
neuravnoteženo število elektronov ustvari elektrostatično naelektritev
gibanje (prej mirujoče) elektrine povzroči elektromagnetne pojave
telo se naelektri, ko je naelektrevanje hitrejše, močnejše od razelektrevanja
telo ostane naelektreno, če je električni izolator
kemijsko čisti elementi se med seboj ne naelektrujejo
čisti plini se ne naelektrijo, naelektritve povzročajo aerosoli
pretakajoče tekočine se naelektrijo ob mejnih plasteh z izolatorji
atomos
nedeljiv, nerazdružljiv
atomos = nedeljiv, nerazdružljiv (grško)
elektron
jantar
elektron = jantar
nauk o (relativno) mirujočih elektrinah
(grško)
elektrostatika
9. julij 2013
(grško)
eLeKTRON KNEZ
DEFINICIJE
elektrostatika
elektrostatično polje
to je področje elektrotehnike, ki proučuje električne pojave statičnih elektrin (in tudi dinamične, prehodne pojave
elektrostatične elektrine)
to je prostorsko porazdeljeno področje z elektrostatičnimi naboji, ki
ustvarjajo elektrostatične vektorske sile
Columnov zakon
opisuje privlačno ali odbojno silo med različno imenskimi / istoimenskimi elektrostatičnimi naboji: sila sorazmerna
z velikostjo nabojev in pojema s kvadratom razdalje (1/ r 2 ) med elektrostatičnima nabojema
elektrodinamika
proučuje električne pojave gibajočih se električnih nabojev, ki povzroča elektromagnetne pojave
(magnetno polje, radijske valove)
elektrostatična
naelektritev
naelektritev nastane na površini materiala zaradi viška / manjka elektronov in je prispevek
naelektrevanja večji od prispevka razelektrevanja
elektrostatični naboj
elektrostatični naboj je izvor elektrostatičnega polja
Q
pozitiven elektrostatični
naboj
atom z manjkom elektronov
+Q
pozitivni ion
negativen elektrostatični
naboj
atom z viškom elektronov
-Q
negativen ion
1 ampersekunda (1As) = 1 Coulumb (1C)
1C = cca 6,24 * 10 18 elektronov
enota električnega toka
1A = 0,625 * 10 19 e- / s (elektron/s)
e-
elektrostatični naboj elektrona
e = - 1,6 * 10 -19 C (As)
e+
elektrostatični naboj protona
e = + 1,6 * 10 -19 C (As)
e
elektrostatični naboj nevtrona
e = 0 C (As)
elektrostatični naboj
Amper
masa elektrona
9,109 * 10
-31 kg
masa protona
1,673 * 10 -27 kg
masa nevtrona
1,675 * 10 -27 kg
cca 1.097.755.090.839.230.000.000.000.000 elektronov za 1g snovi
9. julij 2013
elektrostatična sila = Columnova sila
DEFINICIJE
eLeKTRON KNEZ
elektrostatični
potencial
Q, T1 , T2
•
•
•
vektorska sila na naelektren delec
sprememba napetosti elektrostatičnega polja na znani razdalji
električna poljska je vektorska veličina in kaže na prostorsko sestavljenost
električnega polja in smer elektrostatičnih sil
•
•
električna napetost je razlika električnih potencialov med dvema točkama T1 ,
T2 v elektrostatičnem polju
napetost se običajno meri proti referenčni točki, npr. “zemlja”
U, V, T1 , T2
električni tok
•
•
•
električni tok je premik elektrostatičnih nabojev
električni tok je sprememba, povprečen pretok naboja v enoti časa
smer toka pozitivnega naboja določa smer električnega toka
I, A
električna upornost
•
•
električna upornost je snovno geometrijska lastnost materialov
običajno neodvisna od napetosti
R, Ω
električna poljska
jakost
električna napetost
1 N/C = 1 V/m
N =Newton,
C=Coulomb
V/m kV/m
specifična (prehodna)
upornost
izmerjeno vrednost upornosti pomnožimo z razmerjem med površino elektrod in z razdaljo med elektrodama
specifična površinska
upornost
izmerjeno vrednost upornosti pomnožimo z razmerjem med dolžino elektrod in z razdaljo med elektrodama
dielektrična konstanta
•
•
konstanta je sorazmerni faktor med električno poljsko jakostjo in gostoto električnega polja (polarizacija)
konstanta določa kapacitivnost kondenzatorja
površinski naboj
površinski naboj na površini, ki je izpostavljena običajnemu zraku je omejen na
največ 2,7 * 105 C/m2
Zakon o ohranitvi
elektrostatične
ga naboja
v električno zaključenem sistemu je vsota vseh nabojev konstantna, naboj ne more biti izničen
Helmholtzova
(dvojna) plast
električna upornost
električna
kapacitivnost
nakopičen naboj v
kondenzatorju
9. julij 2013
elektrostatični potencial je v neki točki prostora definiran z energijo, ki je potreben,
da se naboj Q premakne od točke T1 do točke T2
nakopičena energija
v
kondenzatorju
plast v materialu tik pod površino s področjem nastajanja elektrostatike
cca 2,5 MV/m – 3 MV/m,
(cca 25 – 30 kV/cm)
cca (2 x) 10 nm
snovno - geometrijska lastnost telesa
včasih odvisna od napetosti
snovno - geometrijska lastnost
odvisna od geometrije teles
in snovi med obema
telesoma
naboj je sorazmerno odvisen od napetosti in kapacitivnosti
energjja naeletrenega kondenzatorja se sorazmerno veča s kvadratom napetosti
naelektritve
U, C
U2
eLeKTRON KNEZ
DEFINICIJE
E
električna poljska jakost
Um
električna napetost merjenja
U
električna napetost, tudi napetost na površini materiala
EBP
skupno elektrostatično ozemljitveno mesto naprave, sistema za elektrostatično ozemljitev
ECB
priključno ozemljitveno mesto ESD zapestnic
varovano z uporom 1 MΩ
R
električna upornost
npr. električnega ožičenja
Rp
površinska električna upornost
Rv
volumenska električna upornost
Rpp
električna upornost “točka – točka”
npr. merjeno 30cm, cca 5cm od robov in
cca 7,5cm od ozemljitvenega mesta
Rg
električna ozemljitvena upornost ESD naprave, opreme,
materiala na skupno ozemljitveno mesto
npr. na ESD ozemljilo talne površine
Rgp
električna upornost ESD naprave, opreme, materiala merjena na
ESD ozemljitveno točko naprave (EBP)
npr. EBP ozemljitveno mesto namizne podloge
Rgsistem
sistemska električna upornost osebe, merjena na ESD ozemljitev
sistema
npr. upornost (človekovo telo + obuvala + kontakt obuval s
talno površino + talna površina)
UHBM
WT
ESDS
9. julij 2013
napetost naelektritve človekovega telesa
dinamični test hoje
elektrostatično občutljiva komponenta
dinamični test hoje, napetost v dlani roke, „walking „ test
eLeKTRON KNEZ
DEFINICIJE
U=I*R
pri elektrostatičnem razelektrevanje velja proporcionalna razmerja med
električno napetostjo, električno upornostjo in električnim tokom
Q=C*U
za električen naboj kondenzatorja velja linearen odnos med kapacitivnostjo kondenzatorja in napetostjo naelektritve
W = ½ (C * U2)
t=R*C
nakopičena energija naelektrenega kondenzatorja se veča ½ vrednosti kvadrata napetosti naelektritve
časovna konstanta opisuje, kako hitra je razelektritev (naelektritev) v odvisnosti od
kapacitivnosti in upornosti v času: V(t) = V * e ((-t) / (R * C))
•
•
•
(1 * t) = razelektritev
63% začetne vrednosti
(5 * t)= razelektritev na
99 % začetne vrednosti
100 V je največja dovoljena napetost naelektritve človekovega telesa (dlani roke človekovega telesa), da
kapacitivni naboj naelektrenega človekovega telesa ni večji od 50 μJ
večji naboj razelektritve lahko uniči, poškoduje ali zmanjša zanesljivost ESDS elektronskih komponent
zgrajenih po EN 61340-5-1 (2001-08) / IEC 61340-5-1 Izdaja 1.0 (2007-08)
UHBM < 100 V
•
E < 10 kV/m
( < 100 V/cm)
dovoljena največja električna poljska jakost, ki z elektrostatičnin poljem ne uniči, poškoduje ali zmanjša zanesljivost
ESDS elektronskih komponent (zgrajene po IEC 61340-5-1 Izdaja 1.0 (2007-08), , ki se postavijo znotraj te
električne poljske jakosti
2.000 V & > 30 cm
ko je elektrostatični potencial na površini telesa več kot 2.000 V, naj bo razdalja do ESDS elektronskih komponent
zgrajenih po EN 61340-5-1 (2001-08) / IEC 61340-5-1 Izdaja 1.0 (2007-08) več kot 30cm
35 MΩ
sistemska upornost človekovega telesa Rgsistem za varno ESD ozemljevanje, da ne bo človekovo telo nikoli naelektreno
več kot UHBM > 100 V
1GΩ
izjemoma dovoljena sistemska upornost človekovega telesa Rgsistem za varno ESD ozemljevanje, pod pogojem
preverjanja, da ne bo človekovo telo nikoli naelektreno več kot UHBM > 100 V
1 MΩ
zaščitni upor vgrajen v opremo za ESD ozemljevanja (spiralna vrvica zapestnice, ECB ozemljitvno mesto) za zaščito
osebja pred nevarno napetostjo dotika (včasih je več uporov vezanih zaporedno 1x 1 MΩ, 2x 2MΩ, 3x 3MΩ)
ΔU
uravnoteženost preostale napetosti ionizacije
Δt
čas razelektritve z ionizatorjem od (+/-) 1.000 V → (+/-) 100 V
T
9. julij 2013
Ohmov zakon
čas merjenja uravnoteženosti preostale napetosti ionizacije
eLeKTRON KNEZ
DEFINICIJE
ESD koordinator
ESD delavec
oseba, usposobljena za delo z elektrostatično občutljivimi elektronskimi komponentami
ESD
razelektritev elektrostatičnega naboja med dvema telesoma z različno električno
napetostjo
Electrostatic Discarge
EOS
prekomerna električna napetost, ki poškoduje, uniči, zmanjša zanesljivost
elektrostatično občutljive elektronske komponente
Electric Overvoltage Stress
elektrostatično občutljiva komponenta, modul, sklop, element, ki ga lahko uniči ali
poškoduje nekontrolirana prekomerna razelektritev
ElectroStatic Device Sensitive
ESA
privlačna, odbojna sila elektrostatike
npr. prašnih delcev
EPA
posebej urejeno delovno mesto, lokacija, področje, površina, prostor, kjer
veljajo posebne zahteve za kontrolo elektrostatike za minimiziranja poškodb
ESDS komponent pred elektrostatiko
Electrostatic Protection Area
UPA
elektrostatično nezaščiteno področje
Unprotected Area
EMI
elektromagnetni pojavi zaradi dinamične spremembe elektrostatičnega naboja v
okolici te spremembe
Electromagnetic Influence
ECB
priključno ozemljitveno mesto za ozemljevanje opreme v EPA področju z
vgrajenimi zaščitnimi upori pred nevarno napetostjo dotika
Erth Connection Box
EBP
skupno ozemljitveno mesto, lokacija, kjer so električno priključeni prevodniki, ali sta
električno priključeni dve ali več ESD naprav, opreme za ekvipotencialno
izravnavo električnih potencialov
Electrostatic Bonding Point
ESDS
ESD oprema,
materiali,
naprave
9. julij 2013
oseba, posebej usposobljena in delegirana za obvladovanje elektrostatike pri delu z elektrostatično občutljivimi
elektronskimi komponentami
oprema, materiali, naprave izdelani tako, da ne ustvarjajo elektrostatična naelektretvanja in elektrostatično disipativne
naelektrevanje za zaščito ESD občutljivih naprav pred njihovim poškodovanjem
eLeKTRON KNEZ
DEFINICIJE
IEC 61340-5-1 Izdaja 1.0.
Elektrostatika Poglavje 5-1
9. julij 2013
(2007-08)
Zaščita elektronskih naprav pred pojavi elektrostatike
– Splošne zahteve
ANSI / ESD S20.20 ESD Standard (2007-03)
Ameriški nacionalni standard in ESD združeni standardi
IEC / TR 61340-5-2
Elektrostatika
Izdaja 1.0
Poglavje 5-2
(2007-08)
Zaščita elektronskih naprav pred pojavi elektrostatike
– Napotki za uporabnika
IEC 61340-5-3
Elektrostatika
Poglavje 5-3
(2011-05)
Zaščita elektronskih naprav pred pojavi elektrostatike
– Lastnosti in zahteve za razvrščanje embalaž za zaščito elektrostatično
občutljivih komponent pred elektrostatičnimi pojavi
HBM model
standardiziran, ponovljiv model razelektritev naelektrene osebe, ko se s konico prsta roke
dotakne prevodnega dela, priklopov, kontaktov ESDS, hkrati ko so drugi prevodni
deli ESDS ozemljeni
Human Body Model
CDM model
standardiziran model, ko se naelektrena ESDS razelektri / naelektri na drug objekt
(prevodnik, ozemljitev) z drugačnim električnim potencialom
Charge Device Model
MM model
standardiziran model razelektritev, ko se prevoden del ESDS , njen priklop, kontakt
dotakne naelektrenega prevodnega predmeta, hkrati, ko je drug prevoden del ESDS
je ozemljen
Machine Model
Beli list
dokument razvijalcev in proizvajalcev o maksimalnih odpornostih elektrostatično občutljivih
elektronskih komponent po HBM modelu in MM modelu
eLeKTRON KNEZ
DEFINICIJE
funkcionalna ozemljitev
zaščitna ozemljitev
ekvipotencialna ozemljitev
elektrostatična prevodnost
priklop za ozemljitev na “zemljo” za ozemljitev zaradi varnosti
električna povezava prevodnikov ali ESD naprav, opreme za ohranjajo enake napetosti v pogojih
normalnega delovanja ali v primeru napačnega delovanja
materiali z električno površinsko upornostjo za varno elektrostatično razelektrevanje
elektrostatična disipativnost
materiali z električno površinsko upornostjo za varno elektrostatično razelektrevanje
elektrostatična oplaščenost
materiali z zaščito pred elektrostatičnim razelektrevanjem z lastnostjo
elektrostatične “oplaščenosti”
električni prevodniki
električni izolatorji
električni polprevodniki
9. julij 2013
priklop za ozemljitev na “zemljo” za ozemljitev, vendar ne zaradi varnosti
Faradejeva kletka
materiali (kovine), ki dobro prevajajo elektrostatični tok
materiali (nekovine), ki ne prevajajo elektrostatični naboj
materiali (silicij, ogljik, germanij), z lastnostmi med prevodniki in izolatorji
električni supraprevodniki
materiali (nekatere kovine), ki so dobri električni prevodniki pri nizkih temperaturah
elektrostatično oplaščeni
sistemi z zaščito pred
elektrostatičnimi
razelektritvami
materiali in izvedba, ki varuje elektrostatično občutljive komponente pred elektrostatičnimi razelektritvami
elektrostatično oplaščeni
sistemi z zaščito pred
elektrostatičnimi polji
materiali in izvedba, ki varuje elektrostatično občutljive komponente
pred elektrostatičnimi polji
Faradeyeva kletka
LEKSIKON
TEHNOLOGIJE IONIZATORJEV
eLeKTRON KNEZ
izmenična ionizacija
AC
izmenična Piezo ionizacija
AC Piezo
pulzirajoča izmenična ionizacija
Pulse AC
enosmerna ionizacija
Steady State DC
pulzirajoča enosmerna ionizacija
pulzirajoča enosmerna ionizacija s
“prekrivanjem”
radioaktivna ionizacija
9. julij 2013
Pulsed DC
Pulsed DC with Peak Reduction “Overlap” Technology
Polonij (Po) 210
ΔU
uravnoteženost preostale napetosti ionizacije
Δt
čas razelektritve z ionizatorjem od (+/-) 1.000 V → (+/-) 100 V
T
čas merjenja uravnoteženosti preostale napetosti ionizacije
LEKSIKON
VPLIV ELEKTRIČNEGA TOKA NA ČLOVEKA
eLeKTRON KNEZ
1 mA
prag zaznavanja električnega toka
< 1mA se zazna le na jeziku, tokovi do 15mA lahko brez posledic
trajno tečejo skozi telo
15 mA
prag mišičnih krčev zaradi električnega toka (ki
preprečijo odmik in prekinitev kontakta)
tokovi do 50 mA lahko tečejo skozi telo le kratek čas, če je čas
daljši, se lahko pojavi nezavest
50 mA
prag nevarnosti zaradi električnega toka
pri delovanju tokov med 50 in 100 mA se v času, daljšem od
enega srčnega utripa (0,75 s) pojavijo poškodbe, ki povzročijo smrt
prag smrtnosti zaradi delovanja električnega toka
verjetnost preživetja je manjša od 50 %
100 mA
toplotne poškodbe tkiva
mišični krči
motnje zavesti
prenehanje dihanja
posledica so lahko sekundarne poškodbe , npr. zaradi padca
posledice so omotičnost, otopelost, globoka nezavest
ohromitve dihalnega centra v možganih
fibrilacija srca
trepetanje srčnih prekatov
zastoj srca
tudi prenehanje dihanja
enosmerni tokovi
enosmerni tokovi so človeku manj nevarni kot izmenični električni tokovi
izmenični tokovi < 400 Hz
električni tokovi frekvence od 50 Hz do 60 Hz so človeku najbolj nevarni
visokofrekvenčni tokovi
9. julij 2013
opekline predvsem na mestih vstopa in izstopa električnega toka v telo in iz njega
visokofrekvenčni tokovi so človeku manj nevarni
eLeKTRON KNEZ
RAZPOREDITEV ELEKTROSTATIčNEGA POLJA V POSTORU
+
+
+
9. julij 2013
-
+
+
POLARITETA ELEKTROSTATIčNIH NAELEKTRITEV
negativna naelektritev
pozitivna naelektritev
eLeKTRON KNEZ
9. julij 2013
suha koža
azbest
usnje
steklo
sluda
lasje
akril
najlon
poliamid
volna
krzno
svinec
svila
aluminij
papir
bombaž
železo
les
trda guma
baker
nikelj
srebro
zlato
stiropor
ABS
poliuretan
PVC
polipropilen
poliester
silikon
teflon
silikonska
guma
nizko
dielektrični
materiali
hidroskopični
materiali
visoko
dielektrični
materiali
GENERATORJI ELEKTROSTATIKE
eLeKTRON KNEZ
•
neuravnoteženo število elektronov ustvari površinsko elektrostatično naelektritev
•
za naelektritev mora biti naelektrevanje hitrejše, močnejše od razelektrevanja
TORNA
NAELEKTRITEV
• pretvarjanje mehanskega
dela v električno energijo
• drgnjenje, ločevanje ,
upogibanje dveh materialov
NAELEKTRITEV Z
DOTIKOM
NAELEKTRITEV Z
INDUKCIJO
• dotik dveh dobro prevodnih
teles z različnima
električnima potencialoma in
izenačitev električnih
potencialov
• vpliv elektrostatičnega polja
na naelektritev telesa
• naelektritev zaradi visoke
napetosti in oblike izvora
napetosti
•
• visoka napetost
>4,5 kV
• oblika elektrode (strelovod)
NAELEKTRITEV S
KORONO
• ozemljitev katerega od teles
ni nujna
• slačenje sintetičnih oblači
• odpiranje mape
• gibanje transportnega traku
preko valja
• brisanje plastike
• upogibanje, zvijanje
• ohlajevanje materiala
9. julij 2013
•
•
•
•
•
dotik avtomobila
dotik elektronskega vezja
prijemanje kljuke na vratih
podajanje roke
nalaganje materialov
•
gibanje ob naelektrenih
predmetih (izolatorjih)
bližina naelektrenih
predmetov
eLeKTRON KNEZ
9. julij 2013
čLOVEKOVO ZAZNAVANJE ELEKTROSTATIčNIH RAZELEKTRITEV
razelektritve manjše od
razelektritve med
razelektritve večje od
3.000 V
3.000 V - 10.000 V
10.000 V
•
človekovo zaznavanje elektrostatičnih razelektritev je subjektivno
•
90 % poškodb elektronskih komponent zaradi elektrostatike se
dogodi pri napetostih manj od 3.000 V
•
večina elektrostatično občutljivih komponent ni odporna na
elektrostatične razelektritve večje 1.000 V
•
pri napetosti 25.000 V - 30.000 V preskoči električna iskra v zraku
razdaljo približno 1cm
UKREPI ZA ZMANJŠANJE
ELEKTROSTATIčNIH NAELEKTREVANJ
eLeKTRON KNEZ
IZBIRA
MATERIALOV
POVRŠINSKA
UPORNOST
VLAŽNOST
ZRAKA
HITROST
LOČEVANJA
STIČNE
POVRŠINE
m1 : m 2
Rp
% rh
v
A
• izbira materiala z
nizko izstopno
energijo elektronov
• izbira materialov z
enakimi izstopnimi
energijami elektronov
• hidroskopičnost
materiala
• boljša električna
prevodnost zraka
• nečistoče na površini
• hidroskopičnost
materiala
•
površinski premazi,
čistila
• izbira materialov z
enako polariteto
naelektritve
• čas vlaženja (sušenja)
materiala
• uporaba
elektrostatično
• volumenska upornost
materiala
preverjenih materialov
• vlaženje prostorov,
klimatizacija
prostorov
• (ionizacija)
• (ionizacija)
• hitrost ločevanja
• način ločevanja
(smer, pritisk, kot
ločevanja)
• ponavljanje
ločevanja,
odlaganja
• električne
(kapacitivne) lastnosti
celega sistema
• nepolirane
površine
• “mat” površine
• ločilna sredstva
• prevleke
• ustrezna čistila
• ločilna sredstva
izbira
9. julij 2013
zmanjšati
povečati
zmanjšati
zmanjšati
PRIMERJAVA
POVRŠINSKIH IN VOLUMENSKIH UPORNOSTI
RAZLIčNIH MATERIALOV
eLeKTRON KNEZ
Rv
Rp
Rv
Rp
polietilen
poliamid
Rp
Rv
polikarbonat
Rv
Rp
polivinil klorid
Rp
Rv
polistirol
Rv
Rp
ABS
106
1 GΩ
9. julij 2013
107
108
109
1 TΩ
1010
1011
1012
1 PΩ
1013
1014
1015
1016
1017
1018
1 ExtaΩ
1019
1020
Ω
eLeKTRON KNEZ
POVRŠINSKE UPORNOSTI MATERIALOV
Rp
PS
polystyrene
prozoren
> 10 TΩ
> 1013 Ω
SB
styrene butadiene copolymers
prozoren
> 10 TΩ
> 1013 Ω
styrene acrylonitriele copolymers
prozoren
10 TΩ
1013 Ω
mlečen
100 TΩ
> 1014 Ω
SAN
PE
Liastat-PS
polysteyrene elektrostatično prevoden
črn
< 10 kΩ
< 104 Ω
Liastat-PP
polypropylene elektrostatično prevoden
črn
< 1 kΩ
< 103 Ω
PVC
PMMA
PP
polyvinyl chloride
prozoren
10 TΩ
1013 Ω
polymethylmethacrylate
prozoren
> 10 TΩ
> 1013 Ω
mlečen
> 10 TΩ
> 1013 Ω
neprozoren
> 10 TΩ
> 1013 Ω
različne barve
> 1 GΩ
> 109 Ω
polypropylene
ABS
acrylnitrile butadiene styrene
DISS
dissipative ABS elektrostatično disipativen
PET
polyethyleneterephtalate
PPC
polypropylene copolymers
prozoren
mlečen
10 PΩ (Peta)
> 10 TΩ
1016 Ω
> 1013 Ω
1 PΩ (Peta)
1015 Ω
les posušen
1 GΩ
109 Ω
papir
10 GΩ
1010 Ω
steklo
100 GΩ
1011 Ω
PC
9. julij 2013
polyethylene
polycarboner
prozoren
POVRŠINSKA UPORNOST MATERIALOV IN
RELATIVNA VLAŽNOST ZRAKA
eLeKTRON KNEZ
površinska
upornost
1 PΩ
100 TΩ
ABS
10 TΩ
PVDF
1 TΩ
CA
UP+GF
100 GΩ
10 GΩ
PA
PF
1 GΩ
PVC
trdi
steklo
papir
1 MΩ
20%
30%
40%
50%
60%
80%
70%
relativna vlaga zraka (23 0C)
9. julij 2013
ABS
PVDF
CA
UP+GF
PA
PF
PVC
Acrylnitril-Butadien-Styrol
Polyvinyldiflorid
Celluloseacetat
Polyester s steklenimi
vlakni
Polyamid
Phenolformaldehyd
Polyvinychlorid
ohišja
izolacije kablov,
komponente
ohišja
tiskana vezja
folije, izolacije
kablov
rezine, integrirana
tiskana vezja
ohišja, kabelska
vodila
eLeKTRON KNEZ
TEMPERATURA IN RELATIVNA VLAGA V ZRAKU
relativna vlaga zraka (g/m 3)
temperatura
zraka
9. julij 2013
10 %
20 %
30%
40 %
50 %
60 %
70 %
80 %
90 %
100 %
0
0C
0,49
0,97
1,46
1,94
2,43
2,91
3,4
3,88
4,37
4,85
5
0C
0,68
1,36
2,04
2,72
3,4
4,08
4,76
5,44
6,12
6,8
10
0C
0,94
1,88
2,82
3,76
4,7
5,64
6,58
7,52
8,46
9,4
11
0C
1
2
3
4
5,01
6,01
7,01
8,01
9,01
10,01
12
0C
1,07
2,13
3,2
4,26
5,33
6,4
7,46
8,53
9,59
10,66
13
0C
1,14
2,27
3,41
4,54
5,67
6,81
7,95
9,08
10,22
11,35
14
0C
1,21
2,41
3,62
4,83
6,04
7,24
8,45
9,66
10,86
12,07
15
0C
1,28
2,57
3,85
5,13
6,42
7,7
8,98
10,26
11,55
12,83
18
0C
1,57
3,14
4,71
6,28
7,85
9,42
10,99
12,56
14,13
15,7
20
0C
1,73
3,46
5,19
6,92
8,65
10,38
12,11
13,84
15,57
17,3
21
0C
1,85
3,7
5,55
7,4
9,25
11,1
12,95
14,8
16,65
18,5
24
0C
2,17
4,34
6,51
8,68
10,85
13,02
15,19
17,36
19,53
21,7
25
0C
2,3
4,6
6,9
9,2
11,5
13,8
16,1
18,4
20,7
23
27
0C
2,53
5,06
7,59
10,12
12,65
15,18
17,71
20,024
22,7
25,3
30
0C
3,04
6,08
9,12
12,16
15,2
18,24
21,28
24,32
27,36
30,4
32
0C
3,43
6,86
10,29
13,72
17,15
20,58
24,01
27,44
30,87
34,3
35
0C
3,96
7,92
11,88
15,84
19,8
23,76
27,72
31,68
35,64
39,6
37
0C
4,4
8,8
13,2
17,6
22
26,4
30,4
35,2
39,6
44
40
0C
5,11
10,22
15,33
20,44
25,55
30,66
35,77
40,88
45,99
51,1
HBM MODEL
eLeKTRON KNEZ
standardiziran, ponovljiv model
razelektritev naelektrene osebe,
ko se s konico prsta roke
dotakne prevodnega dela,
priklopov, kontaktov ESDS,
hkrati ko so drugi prevodni deli
ESDS ozemljeni
razvrstitev ESDS - HBM model
razred
UHBM napetost (V)
razred 0
0
< 250
razred 1 A
250
< 500
razred 1 B
500
< 1000
razred 1 C
1000
< 2000
razred 2
2000
< 4000
razred 3 A
4000
< 8000
razred 3 B
≥ 8000
9. julij 2013
eLeKTRON KNEZ
HBM MODEL
HBM testiranje
komponente
po IEC 61340-3-1
9. julij 2013
eLeKTRON KNEZ
CDM MODEL
– rokovanje z ESDS komponentami
UHBM
CHBM
CESDS
– dotik parkiranega avtomobila
CHBM
C avto
9. julij 2013
CDM MODEL
eLeKTRON KNEZ
izolirano
orodje
+
neozemljena
oseba
standardiziran model, ko se
naelektrena ESDS razelektri /
naelektri na drug objekt
(prevodnik, ozemljitev) z
drugačnim električnim
potencialom
CESDS
Corodje+oseba
naelektrena ESDS se
razelektri / naelektri na
drug objekt (prevodnik,
ozemljitev) z drugačnim
električnim potencialom
izolirano
orodje
+
neozemljena
oseba
CESDS
9. julij 2013
Corodje+oseba
eLeKTRON KNEZ
CDM MODEL
strojno
vstavljanje
komponent
C
•
C
9. julij 2013
rokovanje
s komponentami
(ne)ozemljeno
•
neozemljeni
dobro
prevodni
deli
naprave
(ne)ozemljeno
•
razvrstitev ESDS – CDM model
razred
CDM napetost (V)
razred C1
0
< 125
razred C2
125
< 250
razred C3
250
< 500
razred C4
500
< 1000
razred C5
1000
< 1500
razred C6
1500
< 2000
razred C7
≥ 2000
FICDM MODEL
eLeKTRON KNEZ
standardiziran model naelektritve ESDS z indukcijo v elektrostatičnem polju
•
uporaba neustrezne
naelektrene
embalaže
(izolator)
•
montaža elektronike v ohišje naprave (izolator)
izolirano orodje
ali
izolirana oseba
•
9. julij 2013
približevanje naelektrenega (neozemljenega )
orodja, sonde, spajkalnika, neozemljen človek
•
elektrostatično nezaščiteni
konektorji
•
povezovanje,
priklapljanje konektorjev
•
elektrostatično
nezaščiteni kabli
izolatorji
MM MODEL
eLeKTRON KNEZ
standardiziran model
razelektritev, ko se prevoden
del ESDS , njen priklop,
kontakt dotakne
naelektrenega prevodnega
predmeta, hkrati, ko je drug
prevoden del ESDS je
ozemljen
razvrstitev ESDS - MM model
razred
MM napetost (V)
razred M1A
0
< 25
razred M1B
25
< 50
razred M1C
50
< 100
razred M2
100
< 200
razred M3
200
< 400
razred M4
≥ 400
9. julij 2013
eLeKTRON KNEZ
9. julij 2013
CABLE DISCHARGE MODEL
eLeKTRON KNEZ
ELEKTROSTATIčNO OBčUTLJIVE KOMPONENTE
< 1kV
1 kV – 4 kV
(Razred 1)
4 kV – 15 kV
(Razred 2)
(Razred 3)
najpogostejši elementi v elektrotehniki
•
•
•
•
•
•
•
•
•
nezaščiteni MOS elementi ¸
(diskretni, integrirani VLSI)
kondenzatorji MOS (interna kompenzacija
operacijskih ojačevalnikov)
hitra logika Shottky (ALS, LS2)
FET (junction) tranzistorji in
nizkotokovni tiristorji <15A
mikrovalovni in VHF tranzistorji in
integrirana vezja (Espec, Schottky)
precizni napetostni regulatorji
taknoplastni upori
večslojna metalizirana integrirana
vezja VLSI
SMD komponente (PLCC, LCC)
•
•
•
•
•
integrirana vezja MOS z notranjo zaščito
(CMOS, NMOS, PMOS)
usmerniške diode Schottky
linearna bipolarna integrirana vezja
hitra bipolarna logična vezja
(ECL, LS-TTL, S-TTL)
monolitni keramični kondenzatorji
•
•
•
•
signalne diode (<1mW)
tranzistorji majhnih moči (<5W)
počasna bipolarna logika (TTL, DTL)
kristali in piezo elementi
ESDS občutljive komponente: mikrovezja, diskretni polprevodniki, plastni upori, tankoplastni upori, hibridna vezja, tiskana vezja, piezo kristali, LED diode
MOS-Fet 100V
GAAS-Fet 100 V
9. julij 2013
J-Fet 100 V
E-PROM 100 V
OP-Amp. 190 V
N / C-MOS 30 V / 50 V
SCHOTTKY-Diode 300 V
SCHOTTKY-TTL 1000V
tankoplastni upori 380 V
SMD komponente 20 V - 2.000 V
eLeKTRON KNEZ
ELEKTROSTATIčNO OBčUTLJIVE KOMPONENTE
HBM model,
CDM model,
MM model
določujejo
elektrostatično
odpornost
elektronskih komponent
HBM model,
CDM model,
MM model
služijo za primerjavo
elektrostatične
odpornosti različnih
elektronskih komponent
HBM model,
CDM model,
MM model
služijo
za določanje kritičnih
elektrostatičnih povezav
in mest
POZOR
zalite
elektrostatično
občutljive
komponete
9. julij 2013
POZOR
istovrstne
komponente
različnih
proizvajalcev
nimajo
enakih
elektrostatičnih
odpornosti
POZOR
kapacitivna
povezava
elektronskih
komponent proti
objektom
velikih
površin
eLeKTRON KNEZ
BELI LIST
ESD ZAŠčITA PO HBM in MM
Abstract
For more than 20 years, IC component level ESD target
levels for both
HBM 2kV
MM 200V
have essentially stayed constant, with no focus on data
Daniel Knez univ.dipl.ing
to change these levels.041 626 559
Today's enhanced static control methods required by
OEMs do not justify these higher HBM/MM levels as
data will show in this document.
ESD over-design to these levels in today’s latest silicon
technologies is increasingly constraining silicon area as
well as performance, and is leading to more frequent
delays in the product innovation cycle.
Based on improved static control technology, field
failure rate, case study and ESD design data, collected
from IC suppliers and contract manufacturers, we
propose a reduction to more realistic and safe HBM/MM
ESD target levels.
These new levels
1kV HBM
30V MM
are easily achievable with
static control methods maindated by customers
and with today’s
modern ESD design methods.
9. julij 2013
October 2010
eLeKTRON KNEZ
IZPIS IZ TEHNIČNE
DOKUMENTACIJE
???????
9. julij 2013
VERJETNOST ODPOVEDI ESDS KOMPONENT ZARADI ESD
eLeKTRON KNEZ
podatki za CBM model
IZDELAVA REZINE
POLPREVODNIKA IC KOMPONENTE
PROIZVODNJA ELEKTRONSKIH
SKLOPOV
IZDELKOV
SERVIS
IZDELEK V UPORABI
merjenec
stopnja ESD zaščite
verjetnost ESD poškodbe
9. julij 2013
stopnja ESD zaščite
verjetnost ESD poškodbe
stopnja ESD zaščite
verjetnost ESD poškodbe
100%
100%
100%
80%
80%
80%
60%
60%
60%
40%
40%
40%
20%
20%
20%
0%
0%
0%
eLeKTRON KNEZ
ANALIZA POŠKODB ESDS KOMPONENT
ESD
• ponavljajoči kratki impulzi
• zelo visoka napetost
EOS
• nizka energija in male poškodbe
25 %
EOS
• nizka napetost napram ESD
34 %
napake
tehnolološkega
procesa
• napetostna preobremenitev
• energijska preobremenitev
8%
ESD + EOS
napake
tehnolološkega procesa
• slab tehnološki proces
mehanske
odpovedi komponet
14 %
5%
14 %
• mehanske napake komponent
ostalo
ostalo
ESD + EOS
• ostale nedoločljive odpovedi
ESD
9. julij 2013
analiza odpovedi Infineon AG
mehanske
odpovedi
komponet
eLeKTRON KNEZ
ESD UNIČENJE / POŠKODOVANJE ESDS KOMPONENT
POSLEDICE
IZDELAVA
UPORABA
med proizvodnjo odkrite ESD napake
skrite ESD napake se pojavijo med uporabo
* uničenje PN plasti, uničenje stikalnih vrat  kratek stik
* uničenje prevodnih plasti  prekinjen električnih povezave
popolne ali delne ESD odpovedi med proizvodnjo
* dodatna delovna mesta in delavci za popravila
* dodatna dela
* dodatna naročila komponent
* težave v planiranju
* nepotrebne zaloge v skladišču
* dodatni stroški
UNIČENA ESDS KOMPONENTA LAHKO
DODATNO UNIČI ŠE DRUGE DELE
NAPRAVE
9. julij 2013
* motnje delovanja cele naprave
* sistemske napake izdelka
* pomanjkljivo delovanje komponente in celotnih sklopov
* krajša življenjska doba naprave
neodkrite napake proizvajalca
* odpovedi pri uporabniku
* garancijski posegi, skrajšanje garancijske dobe
* zavrnitev, popravilo proizvoda,tudi celotne serije
izguba ugleda
SKRITE NAPAKE V DELOVANJU
POVZROČAJO DRAGE SERVISNE
POSEGE IN ŠE MNOGE DRUGE
TEŽKO OVREDNOTENE STROŠKE
IN
ODKRIVANJE
ESD POŠKODB / ESD ODPOVEDI
eLeKTRON KNEZ
ESD KOORDINATOR
POSEBNE METODE
lasersko odstranjen
zalivni material
odstranjen material z
nitritno kislino
25%
8
%
34%
14%
5%
ESD
14%
YAG laser 1064 nm (10
W), 532 nm, 355 nm (4W)
0-500 kHz, galvanski
skaner 50x50mm, XY
350x210mm, točnost
<10µm, materiali:
polimeri, polprevodniki
steklo, keramika do 1 µm
•
laserski, kemični postopki odpiranja ohišja vezja
•
polarizacijske metode z LCD materiali, segrevanjem in
polarizirano svetlobo
infrardeča snemanja
mikroskopija
IR laserske metode
•
•
•
zahtevni in dragi postopki, primerni za visoko
integrirane komponente
•
•
•
9. julij 2013
VČASIH NOBENA OD TEH METOD
NI USPEŠNA
aktivnosti ESD koordinatorja
statistično spremljanje odpovedi
analiziranje odpovedi
EMPA CH 8600 Dubendorf /Peter Jakob/
Micromachining with ps-laser Laboratory for Electronics
dr. Konstantin Jefimos, dr. Rolf Bronnimann
www.empa.ch
ESD POŠKODBE ESDS KOMPONENTE
cca 30 µm
(0,03mm)
eLeKTRON KNEZ
0,003 mm
HBM razelektritev
HBM razelektritev
HBM razelektritev
MM razelektritev
0,01mm
175 x
9. julij 2013
4300 x
HBM razelektritev
MM razelektritev
eLeKTRON KNEZ
TEHNOLOGIJE ESD ZAŠčIT ESDS KOMPONENT
(%) nepoškodovanih komponent zaradi EOS
večplastni varistor
100
80
zenerjeva dioda
60
40
ESD
zaščitne
diode
nameščene
čim bliže
mestu
potrebne
zaščite
keramični kondenzator
20
1
5
10
15
20
25 EOS (kV)
ESD zaščita
omejitev toka razelektrevanja
dodana ohmska upornostj
Schottky dioda
večplastni varistorji
Avalanche diode
9. julij 2013
ni učinkovita
tokovi razelektrevanja so premajhni
ni dobra
možne dodatne parazitne kapacitivnosti
počasna zaščita. > nano sekunda
2 diodi v protivezavi
razelektritev > 100 V
samo pri visokih napetostih naelektritve
enosmerna / dvosmerna razelektritev
TVS =Transient Suppression Diodes
zenerjeva diode
počasna zaščita > nano sekunda
keramični
kondenzatorji
energija dU/dt se prenese preko
vzporednega kondenzatorja
npr.: EPCOS ESD/EMI filter B72862F1050S160 SMD tehnologija,
delovna napetost maks 5,5 VDC, UESDkontakt 8 kV, UESDzrak 15 kV, 10 MHz
eLeKTRON KNEZ
STROŠEK ESD ZAŠčITE V ESD KOMPONENTAH
strošek ESD zaščite
stopnja
zaščite
UHBM = 2 kV
100
strošek razvoja:
– velikost vezja
80
– število priklopov
– lastnosti vezja
– sposobnosti
60
– čas razvoja
stopnja
zaščite
UHBM =1 kV
40
komponente
brez potrebe
po ESD
zaščiti
20
0
2002
2003
90 nm
9. julij 2013
2004
2005
2006
65 nm
2007
2008
2009
45 nm
leto
tehnologija
eLeKTRON KNEZ
PRETEKLOST / PRIHODNOST ESDS KOMPONENT
250
200
200
180
tok/sek (nC)
poljska jakost (V/cm)
dimenzije (nm)
150
138
125
150
100100
90
100
70 65
50 50
50
35 32
25
2
1
0,5
0
2000
9. julij 2013
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
0,125
0,25
2008
2009
25 25
2010
2011
2012
0,1
2013
2014
2015
ZAŠČITE ELEKTROSTATIČNO OBČUTLJIVIH KOMPONET PRED
ELEKTROSTATIČNIM RAZELEKTREVANJEM
ZUNANJA ESD ZAŠČITA
NOTRANJA ESD ZAŠČITA
•
•
•
•
•
•
•
•
ESD zaščita vgrajena v vsako komponento
dodaten razvoj komponente
večje dimenzije elektronske komponente
večja poraba električne energije / hlajenje/
proizvodnja komponente ne zahteva toliko ESD zaščite
višja cena komponente
manjša možnost kasnejših ESD odpovedi
v življenjski dobi izdelka se ESD zaščita morda nikoli ne
aktivira
•
•
ekstremno kratek čas vgrajene ESD zaščite
vklop ESD zaščite pri vedno nižjih delovnih napetostih
ESDS
odvajanje velikih kratkotrajnih električnih tokov
lastna odpornost na ESD razelektrevanja
minimalna velikost
brez povratnih vplivov na originalno vezje
•
•
•
•
•
9. julij 2013
s prihodnjim razvojem ESDS komponent (minimalna
velikost → večja ESD občutljivost) je bodoči cilj razvoja
sklopov tudi v zmanjšanju ESD prehodnih pojavov v
sklopu
•
•
•
•
•
skupna ESD oprema v EPA za istovrstne izdelke
skupna ESD oprema v EPA tudi za druge izdelke
manjša elektronska komponenta
manjša poraba električne energije
nižja cena elektronske komponente
•
ESD občutljivost sklopa se vedno uravnava po najbolj
občutljivi ESDS komponenti
•
dodatna investicija v EPA prostor
•
dodatni ESD ukrepi med servisiranjem izdelka
www.Sentech.com
eLeKTRON KNEZ