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Qu'est-ce que la décharge électrostatique: principes de base de l'ESD

Qu'est-ce que la décharge électrostatique: principes de base de l'ESD

Les décharges électrostatiques ou ESD font partie de la vie quotidienne et revêtent une importance particulière dans l'industrie électronique de nos jours.

Il y a des années, lorsque des vannes thermo-ioniques / tubes à vide étaient utilisés, ce n'était pas un problème, et même avec l'introduction de transistors, peu de gens le considéraient comme un problème. Cependant, lorsque les MOSFET ont été introduits, leurs taux de défaillance ont augmenté, le problème a été étudié et il a été constaté que l'accumulation d'électricité statique était suffisante pour provoquer la défaillance de la couche d'oxyde dans le dispositif.

Depuis lors, la prise de conscience de l'ESD a considérablement augmenté car il a été démontré qu'elle avait un effet sur de nombreux appareils. En fait, de nombreux fabricants considèrent aujourd'hui que tous les composants sont sensibles à l'électricité statique, pas seulement les appareils MOS qui sont les plus sujets aux dommages.

En raison de l'importance accordée aux ESD, les fabricants d'équipements électroniques dépensent plusieurs milliers de livres pour s'assurer que leurs lieux de travail sont protégés contre les effets de l'électricité statique. Ils s'assurent que les produits qu'ils fabriquent n'ont pas de taux d'échec élevés lors des tests de fabrication et sont capables de démontrer une grande fiabilité sur une longue période.

Qu'est-ce que l'ESD?

La statique est simplement l'accumulation de charge entre deux surfaces. Il survient lorsque les surfaces se frottent et cela se traduit par un excès d'électrons sur une surface et une carence sur l'autre.

Les surfaces sur lesquelles la charge s'accumule peuvent être considérées comme un condensateur. La charge restera en place à moins qu'elle n'ait un chemin à travers lequel elle peut circuler. Comme il n'y a souvent pas de chemin réel à travers lequel la charge peut circuler, la tension résultante peut rester en place pendant un certain temps, ce qui donne lieu au terme «électricité statique».

Cependant, lorsqu'un chemin de conduction existe, un courant circulera et la charge sera réduite. Il y a une constante de temps associée à la décharge. Une résistance élevée signifie qu'un courant plus petit circulera plus longtemps. Une faible résistance donnera lieu à une décharge beaucoup plus rapide.

Il est évident que les niveaux de tension et de courant qui sont produits dépendent d'une grande variété de facteurs. La taille de la personne, le niveau d'activité, l'objet contre lequel la décharge est faite, et bien sûr l'humidité de l'air. Ceux-ci ont tous un effet prononcé, il est donc presque impossible de prédire la taille exacte des décharges qui se produiront.

Cependant, l'un des principaux facteurs qui affectent les tensions produites sont les types de matériaux qui sont frottés ensemble. On constate que différents matériaux donnent des tensions différentes. La tension produite dépend de la position des deux matériaux dans une série connue sous le nom de série tribo-électrique.

Série tribo-électrique

Plus ils sont éloignés de la série, plus la tension est élevée. Celui qui est le plus haut dans la série recevra une charge positive et celui qui est le plus bas une charge négative. En regardant la liste des séries tribo-électriques ci-dessous, on peut voir que le peignage de ses cheveux avec un peigne en plastique donnera lieu à une charge positive sur les cheveux et le peigne deviendra chargé négativement.

La série tribo-électrique

Charge positive
Peau
Cheveux
La laine
Soie
Papier
Coton
Bois
Caoutchouc
Rayonne
Polyester
Polyéthylène
Pvc
Téflon
Charge négative

Il existe de nombreuses façons de constituer des frais. Même marcher sur un tapis peut donner lieu à des tensions très importantes. En général, cela peut donner lieu à des potentiels de 10 kV. Dans de mauvais cas, cela pourrait même conduire à des potentiels de trois fois cette valeur. Même le fait de marcher sur un sol en vinyle peut générer des potentiels d'environ 5 kV. En fait, toute forme de mouvement où les surfaces se frottent entraînera la génération d'électricité statique. Une personne travaillant sur un banc utilisant des composants électroniques pourrait facilement générer des potentiels statiques de 500 V ou plus.


Exemples pratiques d'EDD

L'un des exemples les plus visibles de génération de charge est la marche à travers une pièce. Même cet événement quotidien peut générer des tensions étonnamment élevées. Les tensions réelles varient considérablement en fonction de divers facteurs, mais des estimations peuvent être données pour illustrer l'étendue du problème.

Pour illustrer l'ampleur du problème, divers exemples sont détaillés dans le tableau ci-dessous:


Tensions ESD probables causées par des actions quotidiennes
Cause de la génération de chargeTension probable générée (kV) *
Marcher sur un tapis30
Prendre un sac en polyéthylène20
Marcher sur une surface carrelée en vinyle15
Travailler sur un banc5

* Ce sont des chiffres approximatifs et supposent une humidité relative allant jusqu'à 25%. Lorsque l'humidité augmente, ces niveaux diminuent: avec une humidité d'environ 75%, les niveaux statiques peuvent baisser d'un facteur de très environ 25 ou plus. Tous ces chiffres sont très approximatifs, car ils dépendent beaucoup des conditions particulières, mais ils donnent un ordre de grandeur des niveaux d'ESD à prévoir.

Bien que les résultats de l'ESD semblent très élevés, ils passent généralement inaperçus. La plus petite décharge électrostatique qui peut être ressentie est d'environ 5 kV, et même dans ce cas, cette amplitude de décharge ne peut être ressentie qu'à l'occasion. La raison en est que même si les courants de pointe qui en résultent peuvent être très élevés, ils ne durent que très peu de temps et le corps ne les détecte pas car la charge derrière eux est relativement faible. Des tensions de cette ampleur provenant d'équipements électroniques ou électriques où le plus de courant peut être source et pendant beaucoup plus longtemps auront un effet beaucoup plus important et peuvent être très dangereuses.


Transfert statique

Les charges statiques peuvent être transférées de plusieurs manières aux dispositifs à semi-conducteurs, ce qui endommage les décharges électrostatiques. Le plus évident est lorsqu'ils sont touchés par un élément chargé et conducteur. L'exemple le plus évident de cela se produit peut-être lorsqu'un semi-conducteur est sur un établi et que quelqu'un marche sur le sol pour monter une charge et la ramasse ensuite.

Le doigt chargé transmet alors très rapidement la charge statique au semi-conducteur avec la possibilité de l'endommager. Les outils peuvent être encore plus dangereux. Les tournevis métalliques sont encore plus conducteurs et confèrent la charge encore plus rapidement, ce qui entraîne des niveaux plus élevés de courant de crête.

Cependant, il n'est pas nécessaire de toucher les composants pour les endommager. Des articles tels que des gobelets en plastique portent une charge très élevée, et placer l'un de ceux-ci près d'un CI peut "induire" une charge opposée dans le CI. Cela peut également endommager le dispositif à semi-conducteur. Les attaches faites de fibres synthétiques ou artificielles présentent également un risque ESD, car elles peuvent se recharger et s'accrocher facilement à proximité d'équipements électroniques sensibles.

Mécanismes de défaillance ESD

Les ESD peuvent endommager les composants semi-conducteurs de plusieurs manières. Les résultats les plus évidents de la tension statique très élevée, donnant lieu à des niveaux élevés de courant de crête qui peuvent provoquer un burn out local. Même si le courant circule pendant une très courte période de temps, les tailles minuscules des caractéristiques dans le circuit intégré signifient que des dommages sont causés très facilement. Les liaisons ou zones de fils d'interconnexion dans la puce elle-même peuvent être fusionnées par le courant de crête élevé.

Une autre façon dont des dommages peuvent survenir à la suite de décharges électrostatiques est lorsque le niveau élevé de tension provoque une panne dans un composant de l'appareil lui-même. Cela peut briser une couche d'oxyde dans l'appareil, rendant l'appareil inutilisable. Avec des dimensions dans certains circuits intégrés bien inférieures à un micron, il n'est guère surprenant que même des tensions relativement faibles puissent provoquer une panne.

Bien que les dommages causés par les décharges électrostatiques puissent détruire instantanément les appareils, il leur est également possible de créer ce que l'on appelle des pannes latentes. Cela se produit parce que les décharges électrostatiques ne détruisent pas complètement l'appareil, mais les dommages causés ne font que l'affaiblir, le laissant risquer de tomber en panne plus tard dans sa vie. Ces vices cachés ne peuvent généralement pas être détectés. Il en résulte que le niveau global de fiabilité est considérablement réduit ou (plus encore dans le cas des appareils analogiques) les performances peuvent être dégradées. Les pannes latentes causées par les décharges électrostatiques peuvent être très coûteuses car la réparation pendant qu'un article est en service est beaucoup plus coûteuse que la réparation d'un article qui a échoué en usine. La raison en est qu'un technicien de réparation doit normalement réparer l'article sur place, ou il doit être expédié à un centre de réparation.

Des pannes latentes peuvent survenir lorsqu'une interconnexion est partiellement fusionnée par ESD. Souvent, une partie du conducteur a été détruite par la décharge statique, ce qui le rend vulnérable plus tard. Une autre façon dont les puces sont endommagées est lorsque le matériau résultant de l'endommagement est étalé sur la surface du semi-conducteur, ce qui peut entraîner des chemins de conduction alternatifs.

En raison du fait que les composants peuvent être facilement endommagés par les décharges électrostatiques, la plupart des fabricants traitent tous les semi-conducteurs comme des dispositifs sensibles à l'électricité statique et, parallèlement, tous les appareils, y compris les composants passifs tels que les condensateurs et les résistances, sont également sensibles à l'électricité statique. En regardant cela, il ne faut pas oublier que la plupart des équipements produits en série utilisent aujourd'hui des composants de montage en surface dont les dimensions sont beaucoup plus petites que les composants traditionnels, ce qui les rend beaucoup plus susceptibles d'être endommagés par les décharges électrostatiques.

Voir la vidéo: ESD audits in electronics contract manufacturing (Octobre 2020).