Электростатический разряд, который человек даже не почувствует, способен повредить микросхему или транзистор, а дефект проявится уже в работающем изделии. Собрали базовые правила защиты от ESD и хранения компонентов для производства, лаборатории и ремонта. Нужные детали можно подобрать в каталоге ЭПЛ и отправить заявку.
Почему электростатика опасна для компонентов
Статический заряд возникает при трении и разделении материалов: человек идёт по полу, снимает плёнку с упаковки, двигается на стуле. Разряд человек начинает ощущать примерно от 2–3 кВ, а в сухом воздухе при ходьбе по синтетическому покрытию потенциал тела может достигать десятков киловольт. Многие полупроводниковые компоненты повреждаются при напряжениях в сотни вольт и ниже. Особенно уязвимы затворы МОП-транзисторов, входы КМОП-микросхем, высокочастотные транзисторы, лазерные диоды и компоненты с тонкими диэлектрическими слоями.
Опаснее всего не мгновенный отказ, а скрытый дефект. После разряда компонент может пройти входной контроль и проверку платы, но с повышенным током утечки или изменёнными параметрами. Такой дефект проявляется позже: через недели или месяцы работы, при нагреве или скачке питания. Найти причину отказа в этом случае трудно, а цена ошибки складывается из ремонта, возвратов и потери доверия заказчика. Поэтому защита от ESD нужна на всём пути компонента: от упаковки до монтажа.
Классы чувствительности: HBM и CDM
Чувствительность компонентов к разряду оценивают по стандартным моделям. Модель человеческого тела (HBM) описывает разряд с руки человека и определяется стандартом ANSI/ESDA/JEDEC JS-001. Модель заряженного устройства (CDM) описывает ситуацию, когда заряжен сам компонент и разряжается при касании заземлённой поверхности; ей посвящён стандарт JS-002. Результаты испытаний производители указывают в datasheet, обычно рядом с предельными режимами, в виде значения вроде «HBM ±2000 В». По HBM компоненты делят на классы, перечисленные ниже.
Класс полезно знать, но он не повод ослаблять меры защиты. Встроенные защитные структуры микросхем рассчитаны на разряды при сборке в контролируемых условиях, а не на регулярное обращение без заземления. Компонент класса 2 переживёт случайное касание, но многократные разряды накапливают повреждения. Кроме того, на плате чувствительность определяется наиболее уязвимым элементом, поэтому собранные модули и платы требуют такого же обращения, как отдельные микросхемы. Отдельно стоит относиться к дискретным полевым транзисторам и ВЧ-компонентам, у которых встроенной защиты часто нет вовсе.
- класс 0Z: менее 50 В;
- классы 0A и 0B: от 50 до 250 В;
- классы 1A, 1B и 1C: от 250 до 2000 В;
- класс 2: от 2000 до 4000 В;
- классы 3A и 3B: от 4000 В и выше.
Защищённая зона EPA
Работать с чувствительными компонентами следует в защищённой от электростатики зоне (EPA, ESD Protected Area). Требования к программе защиты описывают стандарты IEC 61340-5-1 и ANSI/ESD S20.20. Идея простая: все проводящие объекты и люди в зоне имеют одинаковый потенциал земли, а изоляторы, которые нельзя заземлить, убирают или нейтрализуют ионизаторами. Зона должна быть обозначена, а вход в неё без средств заземления не допускается. Браслеты и обувь проверяют тестером на входе в зону, обычно в начале смены, а результаты записывают в журнал. Типичный набор средств:
- браслет заземления с резистором около 1 МОм в цепи шнура;
- антистатическая обувь в сочетании с рассеивающим покрытием пола;
- рассеивающие покрытия рабочих столов, подключённые к точке заземления;
- паяльное оборудование и инструмент с заземлением;
- ионизаторы для зон, где остаются изоляторы;
- регулярная проверка браслетов и сопротивления покрытий.
Упаковка: какая защищает, а какая нет
Не всякая «антистатическая» упаковка одинаково полезна. Розовые рассеивающие пакеты сделаны из малозаряжающегося материала: они не накапливают заряд при трении, но не защищают содержимое от внешнего поля и разряда. Экранирующие пакеты с металлизированным слоем работают как клетка Фарадея и подходят для транспортировки чувствительных компонентов вне EPA. Для микросхем в выводных корпусах применяют проводящий поролон, который замыкает выводы между собой. Катушки, тубы и поддоны производителей изготавливают из рассеивающих материалов.
Практическое правило: чувствительные компоненты извлекают из экранирующей упаковки только внутри защищённой зоны. Экранирующий пакет защищает только закрытым, поэтому его складывают и заклеивают, а не оставляют открытым на столе. Нельзя пересыпать детали в обычные полиэтиленовые пакеты и коробки из пенопласта, нельзя подписывать упаковку, положив её на колени. Если катушку вскрыли и часть ленты использовали, неиспользованную часть возвращают в исходную упаковку с этикеткой. Так сохраняется и защита от ESD, и информация о партии, которая понадобится при разборе возможных отказов.
Условия хранения: климат, атмосфера, паяемость
Для хранения компонентов нужен умеренный и стабильный климат. Слишком сухой воздух повышает накопление статического заряда, слишком влажный ускоряет окисление выводов и насыщает влагой пластиковые корпуса. Резкие перепады температуры опасны конденсатом, поэтому упаковку, привезённую с холода, вскрывают после выравнивания температуры. Атмосфера с соединениями серы вредна для деталей с серебросодержащими покрытиями и электродами, а пары растворителей и кислот повреждают покрытия выводов.
Со временем ухудшается паяемость: покрытия выводов окисляются, и пайка требует более активного флюса или даёт дефекты. Поэтому компоненты расходуют по принципу «первым пришёл, первым ушёл», ориентируясь на код даты. Влагочувствительные корпуса требуют отдельного режима хранения по уровню MSL, этому посвящена отдельная статья нашего блога. Для длительного хранения разумно оставлять компоненты в заводской упаковке и не вскрывать её без необходимости.
Учёт и маркировка при хранении
Хорошо организованное хранение начинается с этикетки. На заводской упаковке указаны part number, производитель, количество, код даты, номер партии, а у влагочувствительных компонентов ещё и уровень MSL. Эти данные стоит сохранять при любом перемещении: смешивать партии в одной таре нельзя, а частично использованные катушки помечают с указанием оставшегося количества и даты вскрытия. Для ремонтных служб, где номенклатура большая, а количества малые, удобно хранить детали в подписанных экранирующих пакетах с исходной маркировкой.
Приёмку поставки чувствительных компонентов тоже стоит организовать по правилам. Коробку можно вскрыть где угодно, но заводские пакеты и катушки открывают только в защищённой зоне. При приёмке проверяют целостность экранирующих и влагозащитных пакетов, соответствие этикеток спецификации, а у влагочувствительных компонентов ещё и дату запайки пакета. Повреждённую упаковку фиксируют сразу: позже будет трудно установить, на каком этапе нарушились условия хранения.
Типичные ошибки на небольших участках
Полноценная программа защиты от ESD есть не везде: многие разработчики и ремонтные службы работают в обычных помещениях. Даже в этом случае минимальный набор доступен: рассеивающий коврик на стол с точкой заземления, браслет, паяльная станция с заземлённым жалом и экранирующие пакеты для хранения. Больше вреда обычно приносят не отсутствие оборудования, а привычки. Вот что встречается чаще всего:
- браслет надет, но не подключён к заземлению или надет поверх одежды;
- компоненты высыпают из пакета на обычный пластиковый стол;
- рядом с платой лежат пенопласт, плёнка и пластиковые органайзеры;
- платы передают из рук в руки без заземления обоих людей;
- розовый рассеивающий пакет используют для пересылки как экранирующий.
Компоненты для вашего производства
В каталоге ЭПЛ около 7,9 млн позиций в 1 400+ разделах, и в карточке каждой позиции есть характеристики и техническая документация, где указаны в том числе данные о чувствительности к ESD и уровень MSL. Подобранные позиции можно добавить в «Мою заявку» и указать количество, а длинную спецификацию проще отправить файлом. Менеджер уточнит стоимость и сроки, а импортные компоненты мы поставим под заказ, взяв на себя логистику и таможенное оформление.
