Predpokladám, že ste sa už zo skratkou ESD určte stretli. Ak nie, tak si o ESD, alebo "ElectroStatic Discharge" čo to povieme, aby sme vedeli o čo ide. Elektrostatický náboj, alebo ESD je jedna z mála vecí, ktorá môžete spoľahlivo zničiť elektronické komponenty, alebo aj celé dosky plošných spojov, a to náhlym uvoľnením naakumulovanej energie v podobe elektrického výboja .

Ako vzniká ESD

ESD vznikne postupným vytvorením elektrostatického napätia medzi predmetom a jeho okolím. V zápätí príde k spontánnemu výboju v podobe impulzu elektrického prúdu. Okamžite preskočí elektrický výboj a vzniká vysoké napätie a prúd. Ak je výboj v mieste integrovaného obvodu, tento môže byť poškodený alebo zničený. Pôvodcov vzniku ESD rozdeľujeme na dve skupiny:

1. Prírodné zdroje
2. Umelé zdroje

Elektrostatický výboj je náhly tok elektrónov z jedného povrchu na druhý. Je to spôsobené rozdielnym potenciálom medzi dvoma povrchmi, ak jeden má viac elektrónov ako druhý. Príroda vo svojej podstate miluje rovnováhu, takže sa elektróny vymieňajú, aby sa vyrovnala vzájomná nerovnováha. Typický technik pracujúci na doske plošných spojov môže generovať tisíce voltov a to bez toho aby si to vôbec uvedomoval. Napríklad logické obvody technológie SMOS môžu byť poškodené pri napätí 250 až 3 000 voltoch, zariadenia s pamäťami EPROM až do 100 voltov a mikroprocesorové čipy už od 10 voltov. Takéto poškodenie môže mať za následok nepredvídateľné správanie sa zariadenia, alebo spôsobovať náhodné problémy a môže byť buď katastrofické (okamžité), alebo latentné (náhodné).

Elektróny sa v priestore neustále vymieňajú, keď na seba objekty vzájomne pôsobia. Problémy nastávajú, keď použité materiály neumožňujú elektrónom ich ľahký pohyb a tým pádom aj dosiahnutie rovnováhy. Potom sa tieto povrchy správajú ako izolátory, ktoré majú tendenciu zhromažďovať elektróny na svojom povrchu a vytvárajú tak negatívne nabité miesta.

Keď sa tieto nabité miesta dotknú, alebo sa dostanú do tesnej blízkosti (ale ani nie priameho kontaktu) s iným objektom, môže dôjsť k náhlej výmene alebo "výboju", pri ktorom dôjde k náhlej výmene elektrónov za účelom vytvorenia prirodzenej rovnováhy. Táto udalosť sa nazýva "elektrostatický výboj" alebo skrátene "ESD".

Elektrostatický výboj sa vyskytuje v prírode neustále, najmä v suchom podnebí a v zimnom období, keď vo vzduchu nie je dostatočná vzdušná vlhkosť, ktorá by pomáhala odvádzať prebytočné elektróny (voda je vodivá, takže umožňuje ľahší tok elektrónov). Tento jav sa následne prejaví nepríjemný slabším, či silnejším preskokom iskry medzi rozdielovo nabitým povrchom a časťou ľudského tela, ale pri citlivej elektronike to môže viesť k poruchám, alebo až k zničeniu polovodičov na PCB.

Od nabitia k vybitiu

Nebezpečný náboj môže teda vzniknúť medzi dvoma separovanými materiálmi. V jednom materiáli je prebytok elektrónov, v druhom je nedostatok elektrónov. Výsledná energia sa meria v coulomboch. Tento náboj sa však v praxi prejavuje ako rozdiel napätia podľa vzorca:

q = C x U

Náboj objektu sa rovná súčinu jeho kapacity C vzhľadom na zem a jeho napätia U. Ak je na objekte náboj, potom tento objekt bude niesť aj napätie vzhľadom na zemnú referenciu. Preto, keď chceme vyjadriť hodnotu ESD, nikdy nehovoríme o coulomboch, ale vždy o voltoch. To je oveľa pohodlnejšie. V praxi teda vždy hovoríme o statickom napätí namiesto statického náboja.

Hodnota statického napätia

Hodnota statického napätia, ktoré môžete merať na nabitom objekte, vo vzťahu k neutrálnej referencii, samozrejme závisí od umiestnenia kontaktných materiálov v triboelektrickej sérii, ale aj od vlhkosti vzduchu. To dáva zmysel, pretože vlhký vzduch vedie elektrinu lepšie ako suchý vzduch a čím je vzduch vlhší, tým rýchlejšie prebytočné elektróny uniknú z atómov. V tabuľke nižšie je uvedený prehľad statického napätia, ktoré môže generovať každodenné činnosti, a to pri dvoch hodnotách vlhkosti.
Všimnete si, že dôležitou premennou je v tomto prípade práve vlhkosť. Je pravdou, že hodnoty vlhkosti ako 28% alebo 80% sa v praxi nevyskytujú, nakoľko normálna hodnota relatívnej vlhkosti v kanceláriách a dielňach je 50%. Ak však porovnáte hodnotu statického napätia, a to aj vo veľmi vlhkom vzduchu, s kritickými napätiami uvedenými v tabuľke vyššie, zistíte, že pre väčšinu moderných elektronických komponentov je táto hodnota konečná a nastane ich deštrukcia.

Neviditeľný nepriateľ

Všimnite si, že nemusíte  nič cítiť, počuť alebo vidieť čo sa týka vlastného vybitie. Priemerný človek je necitlivý na výboje do 3 000 V. Spravidla sa používajú nasledujúce limity:

• Elektrický výboj možno pociťovať ako nervový stimul od 3 000 V.
• Elektrický výboj je počuť ako praskajúci zvuk od 6 000 V.
• Elektrický výboj je viditeľný ako malá iskra od 9 000 V.

Aj keď nič necítite, nepočujete ani nevidíte, integrovaný obvod môže zniesť za určitých okolností napätie až 3 000 V. Ak sa pri nabití na statické napätie 10 000 V dotknete pinu integrovaného obvodu, ktorý je na potenciáli zeme, cez pracovný stôl, vytvorí sa uzavretý obvod. Statické napätie vo vašom tele vytvára prúd, ktorý preteká cez integrovaný obvod k zemi. Medzi vašim telom a zemou sú všetky druhy rezistorov a napätie 10 000 V je rozdelené medzi tieto rezistory v pomere k ich relatívnej hodnote v celkovom obvode odporu. Môže sa preto stať, že medzi dve vodivé cesty v integrovanom obvode, ktoré sú od seba vzdialené 1 μm, je privádzané napätie 2 000 V. Dôsledok bude zrejmý. Napätie preskočí, výsledný prúd generuje toľko energie lokálne, že sa časť integrovaného obvodu doslova vyparí. Poviem vám úžasný príklad: veľmi rýchle vybitie 15 000 V generuje energiu 20 MJ, ktorá pri veľmi lokálnej premene môže produkovať výkon 200 kW. Toto je hlavná príčina veľmi rozsiahleho poškodenia, ktoré ESD spôsobuje na elektronických komponentoch, ale aj celých blokoch PCB. To isté platí mimochodom aj o bleskoch. Ten môže tiež spôsobiť obrovské škody.

Problém s poškodením ESD je ten, že ho nevidíte. Na obrázku nižšie je ako pozoruhodný príklad poškodenie, ktoré ESD spôsobilo vo vnútornej štruktúte integrovaného obvodu. Vo vnútri obvodu došlo k subminiatúrnej explózii, ktorá spôsobila skrat medzi dvoma susednými dráhami. Po vážnom poškodení navonok samozrejme nie je ani stopy. Kvôli stále menším rozmerom komponentov v elektronike a rastúcim rýchlostiam, s akou tieto čipy pracujú, sa citlivosť týchto komponentov na ESD iba zvyšuje.

Poškodenie integrovaného obvodu vinou ESD.

Klasifikácia

Každému komponentu môžete na základe výsledkov merania priradiť určitú triedu citlivosti / odolnosti voči ESD. Táto trieda poskytuje údaj o maximálnej hodnote napätia ESD, ktoré komponent znesie bez evidentného poškodenia. V nasledujúcej tabuľke je táto klasifikácia uvedená pre testy s najpoužívanejším a najdôležitejším modelom, modelom ľudského tela.

Prevencia voči vzniku ESD a uzemnenie

Obrázok nižšie ukazuje, že dobre a najmä bezpečne navrhnuté pracovisko vám ušetrí veľa práce, a to hlavne čo sa týka prevencie voči ESD. Tento prehľad  poukazuje skôr na priemyselné usporiadanie, ale rovnako je vhodné aj pre váš hobby stôl. Medzi základ prevencie preto patrí :

• Bezpečné balenie.
• Oblečenie.
• Náramky a topánky.
• Zariadenia na uzemnenie a uzemňovacie body.
• Výrobky na uzemnenie výrobkov proti ESD.
• ESD bezpečné stoly.
• ESD bezpečné stoličky.
• ESD bezpečné vozíky.
• ESD bezpečné uzemnené spájkovacie stanice a meracie prístroje.
• ESD bezpečné stoly alebo podložky pod stôl.

Najlepšou a aj najjednodušou (a aj najlacnejšou) metódou prevencie pred ESD je použitie ESD náramku na zápästie, uzemňovacej podlahovej podložky alebo celkové uzemnenie pracovného stola. Pretože však nie každý z vás má prístup k špeciálnym podlahovým podložkám, je potrebné vykonať aspoň základné opatrenia, aby sme čo najviac znížili pravdepodobnosť vzniku ESD. Náramok na zápästie má vodivý povrch, ktorý sa dotýka pokožky, takže môže bezpečne odviesť nadbytočné elektróny. Bezpečná podlahová ESD rohož funguje podobným princípom, takže odvádza náboj z čohokoľvek na svojom povrchu. Ak pracujete na počítači, môžete si náramok na zápästie pripnúť priamo na nenalakovanú časť skrinky počítača - najlepšie v jeho zadnej časti. Rovnako je dôležité používať správny druh obutia a to v podobe certifikovanej obuvy uspôsobenej pre ochranu voči ESD.

Pre uchovávanie elektronických komponentov používajte vždy špeciálne obaly na to určené. Antistatický sáčok je obalový materiál, ktorý je špeciálne navrhnutý tak, aby zabránil interakcii statickej elektriny s citlivými elektrickými komponentmi. Tieto vrecká sú vyrobené z plastového polyetyléntereftalátu a často sa používajú na skladovanie a prepravu elektrostaticky citlivých zariadení. Dodávajú sa v mnohých rôznych veľkostiach, od malých obalov pre čipy  až po veľké sáčky určené pre PCB dosky. Mnoho antistatických sáčkov má striebornú farbu a je poloreflexných, zatiaľ čo iné sú väčšinou priehľadné a čierne, modré alebo ružové.

Uzemnený náramok na zápästie odvádza nadmerné množstvo elektrónov, aby nedošlo k poškodeniu statickým výbojom.

TIP :

Ak plánujete pracovať pracovať s citlivými elektronickými komponentami, dôrazne odporúčam zakúpiť a používať antistatický náramok. Verte, že jeho cena je zanedbateľná v porovnaní zo škodami, ktoré vie ESD napáchať.

Piktogram

Nakoniec vám na nasledujúcom obrázku ukážem medzinárodne štandardizovaný piktogram, ktorý musí byť pripevnený na všetkých obaloch obsahujúcich výrobky citlivé na ESD. Táto ikona má tiež žlté pozadie a čierny text. Namiesto písmena X môžete nájsť štyri rôzne kódy:

• S: tienenie proti elektrostatickému výboju,
• D: elektrostatický disipatív,
• L: nízke nabitie,
• C: elektrostaticky vodivé.

Dbajte na

• Nulový potenciál - Najdôležitejšie je skontrolovať, či máte vy a opravované zariadenie nulový potenciál zabezpečený neoddeliteľným spojením uzemneného spojenia nenatretého kovového povrchu šasi zariadenia na ktorom pracujete a uzemňovacím ESD bodom.
• Práca v stoji a v sede - Pri práci môžte sedieť, alebo stáť. Ak sedíte na stoličke vždy zabezpečte, aby sa vaša obuv dotýkala uzemnenej podlahy. Pri použití špeciálnych stoličiek certifikovaných pre ESD je uzemnenie zaručené konštrukciou stoličky a použitými materiálmi pri jej výrobe.
• Elektrické prívody a vedenia - Vždy odpojte všetky sieťové a signálové vodiče a vedenia od zariadenia (napr. Napájací kábel, VGA a USB káble).
• Oblečenie - Nenoste pri práci oblečenie, ktoré vedie elektrický náboj, alebo ho priamo vytvára napríklad vlnený sveter, alebo oblečenie z umelých vlákien.
• Počasie - Búrky s výskytom elektrických bleskov môžu zvýšiť riziko vzniku ESD, preto ak dokážete počkať, skúste počas búrky nepracovať s komponentami citlivými na poškodenie ESD.
• Príslušenstvo - V záujme zníženia ESD a predchádzania ďalším problémom je tiež dobré odstrániť všetky šperky, náramky, hodinky, alebo inú nositeľnú elektroniku.
• Podložka stola a podlahy - Dbajte na to, aby bola podložka stola a podložka na podlahe z materiálov na to určených a bola vhodným vodivým spôsobom spojená s nulovým potenciálom.

Záver

Dúfam, že som vám týmito informáciami ako tak objasnil aké veľké je nebezpečenstvo statickej elektriny pre elektroniku. Pomerne veľa užívateľov však podceňuje tento problém. Komentáre ako "Predtým, ako začnem osádzať / opravovať PCB, sa krátko dotknem radiátora ústredného kúrenia. Potom budem úplne vybitý a môžem začať bez problémov ďalej pracovať" naozaj nedáva veľký zmysel. Stačí, keď sa vrátite od radiátora k pracovnému stolu a verte, že v tom momente ako si sadnete na stoličku zhromaždíte na svojom tele toľko statického náboja, že pri prvom kontakte vašej ruky a PCB máte o robotu postarané a môžte začať vymieňať komponenty poškodené práve elektrostatickým výbojom.