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
© Copyright 2024