Esd protection что это

Esd protection что это

ESD в переводе означает Electrostatic Discharge, т. е. электростатический разряд. Он происходит в момент уравнивания разности потенциалов между двумя проводниками, и может необратимо повредить чувствительные электронные схемы. В этой статье приведены причины возникновения ESD и способы защиты от него (использовался перевод статей [1, 2]).

[Откуда берется ESD?]

Статическое электричество представлено дисбалансом положительного и отрицательного зарядов, которые могут накапливаться на поверхности объекта.

Простой электроскоп, показывающий наличие статического электричества (автор D. Mohan Kumar):

ESD визуально наблюдается как синяя искра, между поверхностями токопроводящих объектов. Иногда эту искру можно не заметить, но все равно электрический разряд потенциально может повредить чувствительные полупроводники. Статическое электричество чаще всего накапливается в сухом климате, особенно в зданиях централизованного отопления, и особенно частот рядом с фотокопировальными машинами (ксероксами). Статический заряд может быть очень значительным в помещении с низкой влажностью, когда техника кондиционирования работает не надлежащим образом. Обычно отрицательный заряд накапливается возле пола, а положительный на некоторой высоте от него. Устранение статических зарядов может быть реализовано с помощь ионизации и увлажнения воздуха, а также правильно организованной вентиляции.

Тело человека. Ваше тело не только проводник электростатики, оно настоящий генератор ESD. Помните игру в школе, когда Вам установили новую мебель, и обнаружилось, что когда елозишь попой на стуле, тело электризуется? Можно было подойти к однокласснику и испугать его прикосновением разряда ESD. Иногда при этом можно было заметить искру электрического разряда! Конечно, такой разряд не сулит электронике ничего хорошего.

Обе ваши руки электрически соединены друг с другом, и можно безопасно перекладывать электронные компоненты из одной руки в другую. Однако реальная проблема возникает при передаче электроники от одного человека к другому, а также когда человек, который держит в руке плату, пытается установить её в какой-либо электронный прибор.

Питающая сеть 220V. Питающая сеть также может создавать потенциалы напряжения, которые могут повредить электронику. Такое напряжение тоже часто относят к ESD, и оно также опасно.

Вот так могут выглядеть подобные сетевые фильтры снаружи и внутри:

Конденсаторы фильтра уменьшают проникновение высокочастотных помех из питающей сети в электронику и обратно. Однако тот факт, что они также соединяют сеть 220V с общей шиной (земля, GND) электронных приборов, может привести к проблемам, если общая шина по какой-то причине не заземлена. Обратите внимание на конденсаторы C3 и C4 в примере схемы фильтра. Эти конденсаторы создадут переменное напряжение около 110V между шасси питаемого устройства и шиной земли или нейтрали, если по какой-то причине точка соединения C3 и C4 не заземлена.

Почему при отсутствии заземления сетевой фильтр может создавать проблемы. Известно, что современные шнуры трехпроводные, и коннектор на шнуре имеет 3 контакта. Один провод и контакт специально выделен для заземления, он уравнивает шасси прибора с общим потенциалом. Вот так выглядит нормально работающая схема питания:

В этом примере показаны два устройства:

Устройство 1. Заземленный компьютер, где программист пишет и отлаживает программу.
Устройство 2. Разрабатываемый прибор, который питается от заземленного источника питания.

Программист отлаживает программу, передавая её через USB и адаптер JTAG в отлаживаемое устройство. Иногда программисту требуется перетыкать кабель JTAG. Если сетевые кабели 220v обеспечивают надежный контакт с землей, то обычно проблем не возникает. В момент подключения коннектора JTAG к отлаживаемому устройству они изначально имеют друг относительно с другом безопасный для электроники потенциал. Здесь земли обоих устройств GND1 и GND2 соединены через сетевую вилку, и поэтому коннекторы JTAG папа и мама получают друг относительно друга безопасный, близкий к нулю потенциал.

Но может возникнуть и опасная ситуация, когда по какой-то причине устройство 1 или устройство 2 (или даже они оба) не заземлены. Это обычная ситуация в случае некачественного сетевого кабеля, или если он подключен в розетку, которая не имеет заземления. Для примера предположим, что общий провод устройства 1 не соединен с землей. Тогда между контактами коннектора JTAG (он через USB подключен к компьютеру, т. е. устройству 1) и отлаживаемым устройством может образоваться опасное напряжение около 110V переменного тока:

Если по какой-то причине в момент подключения коннектора JTAG соединится не контакт земли, а сигнальный провод (любой из сигналов TCK, TDI, TDO, TMS) то через него потечет опасный ток, который может повредить как микроконтроллер, где отлаживается программа, так и адаптер JTAG.

Для устранения подобных ситуаций применяют выделенное, специально организованное соединение между землей компьютера и землей отлаживаемого устройства. Это самый простой и надежный способ. Также иногда дополнительно используют адаптеры JTAG с гальванической изоляцией интерфейса.

[Защита от ESD]

Вот несколько общих принципов защиты от ESD, по мере уменьшения их значимости. Они могут применяться как по отдельности, так и совместно, для усиления эффекта:

1. Предварительное уравнивание потенциалов в безопасной для электроники цепи.
2. Ограничение тока разряда с ограничением напряжения разряда на чувствительной цепи.
3. Изоляция.

Идеально организованное рабочее место, обеспечивающее защиту электроники от ESD:

Если Вы понимаете, как реализовываются эти принципы на практике, то дальше можно не читать, нужно только создать все условия, которые будут гарантировать минимум риска появления ESD и их вредного воздействия.

[Уравнивание потенциалов]

Вот меры, которые помогут снять потенциал ESD еще до того, как разряд доберется до электроники:

1. Поддержание в помещении оптимальной влажности, применение кондиционеров и ионизаторов воздуха.
2. Антистатическая обработка мебели и одежды.
3. Применение антистатических матов и браслетов на рабочем месте.
4. Заземление всего, что только возможно.
5. Поддержание в идеальном рабочем состоянии заземления питающей сети 220V и кабелей подключения к ней.
6. Антистатическая упаковка.
7. Соблюдение некоторых правил при передаче электроники с места на место.
8. Применение специальных коннекторов, обеспечивающих гарантированное первое подключение шины земли.

Несколько простых правил манипуляций с электронными компонентами, которые помогают защититься от ESD:

• При передаче электронного компонента от человека к человеку сначала коснитесь кожи человека, и только потом передавайте ему компонент. Первое прикосновение гарантирует уравнивание потенциала в безопасном для электроники месте.

• Синтетические коврики на полу могу генерировать заряд. Избегайте их на рабочем месте, или используйте специальные антистатические коврики и маты.

• Электронно-лучевые трубки (используемые в старых моделях осциллографов и мониторов) могут быть опасны, так как они питаются от высокого напряжения и могут создавать электрические заряды на экране. Держите чувствительные к ESD компоненты на безопасном расстоянии от экрана, и избегайте касаний экрана.

Паяльные станции. Имейте в виду, что многие старые паяльные станции, и даже некоторые современные, имеют клеммы заземления, которые накоротко соединены с жалом паяльника. Вот очень качественный современный паяльник TS100 с клеммой заземления, которая имеет нулевое сопротивление с жалом паяльника:

Если этого не сделать, то короткое заземление через жало паяльника, когда случайно начали паять находящееся под питанием устройство, может повредить его электронную схему. Это событие не связано с ESD, однако оно тоже опасно. Включенный последовательно с заземлением резистор избавит Вас от подобных проблем.

Изоляция паяльника. Оригинальное решение, которое хорошо работает в случае использования электростатических коврика и браслета, или надежного соединения паяемого устройства с клеммой заземления паяльной станции. Паяльник TS100, работающий от аккумуляторной батареи:

[Обеспечение первого подключения шины земли]

Некоторые коннекторы устроены таким образом, что некоторые штырьки у них длиннее. Обычно длинные штырьки используются для подключения провода земли (GND), иногда и питания. Это сделано специально, чтобы при соединении, когда разъем входит в ответную часть, сначала соединялись и уравнивали свой потенциал цепи с длинными контактами, и только потом соединялись сигнальные цепи. Получается возможность реализовать горячее подключение, когда устройство находится под током и работает.

[Ограничение тока разряда]

К этому способу защиты относят ESD-фильтры и защитные цепи, состоящие из резистора и двух диодов.

ESD-фильтры, EMI-суппрессоры. Выпускаются интегральные фильтры и подавители помех. Некоторые из них имеют встроенные ограничители напряжения (варисторы, диоды), которые снижают риск повреждения от импульса статического электричества [3].

Защитные цепи. Последовательно включенный резистор и цепочка из диодов защищают сигнальную цепь от перенапряжения. Уровень напряжения на сигнальной шине не может опуститься значительно ниже GND (в этом случае ток пойдет через диод D2) и подняться выше уровня напряжения питания Vcc (в этом случае ток пойдет через диод D1).

Источник

Мы все хорошо знакомы с электростатическим разрядом ESD (electrostatic discharge). Электростатический разряд иногда доставляет нам неприятные ощущения, но несет смертельную опасность для современных полупроводниковых приборов и компонентов. Современный уровень развития микроэлектроники до­стиг невероятной плотности активных элементов в кристалле. Так, современные процессоры Intel® Pentium® содержат более 200 000 000 транзисторов.
При такой высокой степени интеграции современные компоненты и электронные устройства становятся очень чувствительными к электростатическим разрядам. Как признано ведущими производителями микроэлектроники, ежегодно теряются миллионы долларов из-за недостаточного соблюдения мер предосторожности от воздействия статического электричества. Известен факт, что после внедрения на производстве программы по ESD-защите и контролю, ведущие производители телекоммуникационного оборудования снизили потери от брака в два раза! К сожалению, приходится отметить, что многие отечественные производители микроэлектронных устройств, сервисные службы по обслуживанию телекоммуникационных систем и т. д. не применяют мер защиты от ESD в процессе работы. На первый взгляд кажется, что при прикосновении к электронной плате ничего не происходит, но рука человека может представлять смертельную опасность для микросхемы.

Человек, идущий по ковру, способен генерировать на теле 15 000 В!

При этом разряда, который возникает при напряжении менее 3500 В, человек вообще не ощущает. Для современных микросхем потенциал в 30 В является смертельным.
Часто пробой тока разряда не приводит к мгновенному выходу из строя электронного устройства, но по истечении некоторого времени устройство неожиданно выходит из строя. Это говорит о том, что в результате разряда произошло частичное разрушение тончайшего проводника в микросхеме. Вероятность ее выхода из строя в ближайшем будущем резко возрастает. Все это приводит к дополнительным материальным затратам на устранение неисправности, брака, гарантийный ремонт и, в конечном итоге, непременно скажется на товарной марке производителя.

Что же представляет собой современное производство, оборудованное средствами ESD защиты?
Это современное оборудование, технологии, материалы, комплектующие и, без сомнения, соблюдение мер по антистатической защите на протяжении всего производственного цикла от доставки комплектующих до отправки готовых изделий. Нарушение цепочки в каком-либо месте делает бессмысленным все затраты на обеспечение ESD защиты.

Не экономьте на качестве!

Схема типовой рабочей зоны, защищенной от статического электричества.

СРЕДСТВО ЗАЩИТЫ НАЗЫВАЕТСЯ АНТИСТАТИЧЕСКИМ (ESD-APPROVED), ЕСЛИ ОНО ЗАЩИЩАЕТ ОТ:

Внутри защищенной зоны не должно быть разностей потенциалов более 100 В/см.

Согласно стандарту IEC60417 черным треугольником с желтой перечеркнутой кистью руки обозначаются объекты, чувствительные к воздействию разряда статического электричества. Этот же символ используется в качестве предупреждающего знака на табличках и наклейках, имеющих желтое поле с черной линией по периметру и текстовую надпись, а также на маркерах границ зон антистатики (скотче и вывесках). Черным треугольником с неперечеркнутой рукой, заключенным тонкой линией сверху в полукруг, маркируются средства защиты от воздействия разрядов статического электричества (например, упаковочные пакеты).

Источник

Динамичная защита от статики: решения Littelfuse для ESD-защиты

Нарастание электростатического разряда (ESD) происходит менее чем за наносекунду. А повреждения электронным устройствам при этом он способен нанести значительные. Как применить широкий спектр выпускаемых компанией Littelfuse устройств защиты от ESD (многослойные варисторы, диодные сборки, полимерные супрессоры) для защиты, к примеру, различных интерфейсов передачи данных?

Электростатическим разрядом (ESD – Electro Static Discharge) называется передача электрического заряда между любыми двумя объектами. Наиболее распространенной причиной является трение между двумя разнородными материалами, вызывающее накопление электрических зарядов на их поверхностях. Как правило, одной из поверхностей является человеческое тело. Типичным примером этого является статический разряд, который человек испытывает после прогулки по ковру при последующем прикосновении к металлическому объекту. Разряд сопровождается болезненным ощущением в точке контакта и, как правило, сопровождается небольшими искрами и щелчками, при этом величина потенциала может достигать 15 кВ. И если разряд в 6 кВ является болезненным для человека, то более низкие значения хоть и могут остаться незамеченными, но все же способны вызвать необратимые повреждения электронных компонентов и схем или привести к скрытым дефектам, которые проявят себя позже во время эксплуатации. Таким образом, ESD представляют серьезную угрозу для электронных схем и требуют применения определенных средств для уменьшения или устранения их воздействия.

Отличием ESD от других переходных процессов, таких как переключения, различные коммутационные замыкания и прочее, является очень короткое время переходного процесса: нарастание электростатического разряда происходит менее чем за 1 наносекунду, в то время как время достижения пика у большинства наиболее типичных переходных процессов составляет более 1 микросекунды.

Стандарты ESD

На сегодняшний день существует несколько стандартов по защите от ESD, которые чаще всего используют производители: EN100015, EN61340-5-1 и ANSI/ESD 20:20. Стандарт EN61340-5-1 сейчас вытеснил EN100015 и является основным стандартом в Европе. Стандарт ANSI/ESD 20:20 используется в основном в Северной Америке. Многие производители работают как с EN61340-5-1, так и с ESD20: 20 (оба стандарта в значительной степени совместимы), а иногда пользуются и другими стандартами.

В РФ действуют стандарты, утвержденные Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии и разработанные в 2009 году на базе EN61340-5-1 российским техническим комитетом ТК072 «Электростатика». Это ГОСТ Р 53734.5.1-2009 «Электростатика. Часть 5-1: Защита электронных устройств от электростатических явлений. Общие требования» и ГОСТ Р 53734.5.2-2009 «Электростатика. Часть 5-2: Защита электронных устройств от электростатических явлений. Руководство пользователя».

Основной перечень рекомендуемых международных стандартов (IEC – International Electrotechnical Commission) приведен в таблице 1 [1].

Таблица 1. Рекомендуемые международные стандарты

Защита от ESD

В современном производстве интегральные схемы изготавливаются с различными уровнями защиты от статического электричества. Примерами таких микросхем с защитой от ESD могут быть различного назначения микропроцессоры, USB-приемопередатчики, микрочипы видеографики и другие, которые используются в компьютерах и их периферийных устройствах, мобильных телефонах, КПК, ЖК-дисплеях, в сетевом оборудовании и другой электронной технике.

При этом различают два уровня защиты: от пробоя в производственной среде и при использовании в конечном изделии.

Типичный максимальный уровень защиты от ESD в современных микросхемах равен 2000 В, что является достаточным при производственном процессе изготовления микросхем. При этом накладываются определенные требования на влажность воздуха в производственном помещении, ионизацию, заземление, необходимость персонала носить антистатические одежды. При правильном применении этих процедур обеспечивается высокая защита микросхем от воздействия ESD.

Рис. 1. Воздействие ESD на микросхему при а) отсутствии и б) наличии защиты от ESD

Однако, как только конечный продукт (компьютер, КПК, принтер и так далее) будет введен в эксплуатацию, он будет подвергаться воздействию уровней ESD, более высоких, чем те, которыми испытывали компонент в производственной среде. C увеличением на микросхеме средств защиты от электростатического разряда ее живучесть увеличивается, однако платой за это является уменьшение свободного места для функциональной схемы или необходимость увеличения размеров микросхемы, что является нежелательным, с учетом постоянной тенденции на миниатюризацию изделий электронной техники. В этом случае потребуется использование дополнительных средств защиты изделия от воздействия ESD (рисунок 1). Эти устройства дополняют встроенные возможности электрозащиты микросхем таким образом, чтобы конечный продукт мог надежно функционировать после воздействия больших уровней электростатических разрядов.

Решения Littelfuse для защиты от ESD

Для защиты от статического электричества устройство подавления должно иметь очень быстрое время отклика, а также возможность повторно обрабатывать высокие пиковые напряжения и токи в течение короткого времени.

Одним из лидеров на рынке изделий защиты от ESD является компания Littelfuse, которая уже более 80 лет занимается исследованием проблем защиты цепей в различных отраслях и приложениях.

Littelfuse предлагает три семейства устройств, которые используются для подавления ESD:

Эти технологии позволяют эффективно защищать чувствительную схему от внешних электростатических воздействий (например, создаваемых пользователями). Кроме того, варисторы MLV и сборки SP72x могут также защитить системы от выбросов мощных переходных процессов, а также скачков, вызванных воздействиями молний.

Рис. 2. Диаграмма работы средств защиты от ESD

Компоненты Littelfuse защищают цепи на входе сигнала до безопасного выбранного уровня – 3,3, 6, 12 В постоянного тока (рисунок 2). Энергия, которая должна была попасть в цепь и навредить ее компонентам, рассеивается на ESD-супрессорах и источнике ESD.

Многослойные варисторы

Рис. 3. Конструкция MLV

Компоненты MLV (Multilayer Varistors) состоят из чередующихся слоев металлических электродов и керамики или оксида цинка (рисунок 3).

Керамика из оксида цинка в обычных условиях служит как изолятор. Однако, когда напряжение повышается (как в случае ESD), выводы оксида цинка переходят от высоких к низким значением сопротивления и этим шунтируют защищаемую линию на землю (рисунок 1б).

MLV является самой надежной из технологий подавления ESD и может быть использована для защиты линии с рабочими напряжениями 3,5…120 В постоянного тока или 2,5…107 В переменного. Они также могут быть использованы для обеспечения защиты от поражения электрическими быстрыми переходными процессами EFT (Electrical Fast Transients). Кроме того, их собственная емкость (65…4500 пФ) может обеспечить фильтрацию от высокочастотных помех.

Новое семейство продуктов MLV серии MHS имеет значения емкостей 3, 12 и 22 пФ и может быть использовано в цепях с большой скоростью передачи данных (примерно до 125 Мбит).

Диодные сборки SPA (Silicon Protection Arrays). Серия SP72x

Сборки семейства SP72x состоят из нескольких ячеек диодов (на рисунке 4 такая ячейка выделена синим цветом), которые соединяются с уровнями V+ или V- и выполняют функции переключателей. При подаче на вывод 1 положительного напряжения, превышающего 0,7 В, оно закорачивается на V+ – контакт 5, при подаче отрицательного напряжения ниже 0,7 В на цепь V- – контакт 2. Таким образом происходит шунтирование защищаемых линий (контакты 1, 3, 4, и 6 на рисунке 4) на V+ или V-.

Сборки SP72x являются надежными устройствами, которые могут защитить линии связи от ESD и EFT, а также от перенапряжения в цепи. Они имеют низкую емкость (3…5 пФ) и могут быть использованы для защиты высокоскоростных линий связи (примерно до 125 Мбит).

Рис. 5. Диодная сборка SP05x

Серия SP05xx – TVS-лавинные диоды

Cборки семейства SP050x состоят из нескольких TVS-диодов (Transient Voltage Suppressor) (на рисунке 5 выделен синим цветом), которые шунтируют цепь к общему проводу V-. Проще говоря, диоды функционируют как переключатели – когда в цепи 1 уровень сигнала превышает напряжение пробоя диода, сигнал шунтируется на V-.

Сборки SP050x доступны в самых разнообразных типах корпусов с большим количеством защищаемых каналов. Существуют варианты сборок SOT-23, SOT-143, TSSOP, MSOP и миниатюрные CSP. Большое количество каналов (1…18) с емкостями начиная от 3…39 пФ позволяют эффективно защищать линии, которые работают на средних и высоких скоростях (примерно 100 кбит…125 Мбит).

PulseGuard-супрессоры

Супрессоры PulseGuard изготавливаются путем создания разрыва в электроде, что приводит к отсутствию протекания тока в цепи (рисунок 6). В промежутке применяется специальный материал VVM (Voltage Variable Material) на основе полимеров, который по параметрам близок к рассмотренной выше MLV-керамике из оксида цинка. В нормальных условиях VVM работает как изолятор, но при возникновении ESD материал VVM становится проводником и шунтирует ESD на общий провод.

Рис. 6. Структура PulseGuard-супрессора

PulseGuard-супрессоры отличаются от MLV и SPА тем, что они могут быть использованы только для ESD-защиты. Полимерный материал не способен выдерживать воздействия мощных сигналов переходных процессов EFT. С другой стороны, продукты PulseGuard имеют низкую емкость (0,050 пФ) и могут быть использованы для защиты линий связи, которые работают на скорости до 3…5 Гбит.

Сравнение всех трех технологий Littelfuse приведено в таблице 2.

Таблица 2. Сравнение технологий Littelfuse

Источник