Simulace elektrostatických výbojů – Terminologie

Článek se zabývá modelováním elektrostatických jevů z pohledu rizik při výrobě, údržbě a používání elektroniky. Je úvodem do základní terminologie, definic a zkratek z této oblasti. Je tedy pokračováním příspěvků „Ochrana elektroniky před elektrostatickými jevy – Terminologie“ a „Ochrana elektroniky před elektrostatickými jevy – ESDA a IEC“. Rozvádí podrobnosti modelů, které simulují nejběžnější příčiny nefunkčnosti elektronických součástek/systémů, případně snížení jejich spolehlivosti – s velkými ekonomickými důsledky. Následující tabulka 1 obsahuje nejběžnější zkratky, zkrácené termíny a příslušné anglické a české termíny z této oblasti.

Elektrostatické výboje, ESD, lze simulovat pomocí jednoduchého obvodu (obr. 1), ve kterém je zpočátku elektrostatický náboj uložen v kondenzátoru. Při simulaci výboje se vyžaduje, aby se uložená elektrostatická energie vybila přes obvod do zátěže, součástky, sestavy atp.

Prostou volbou parametrů obvodu na obrázku 1 získáme tři nejpoužívanější modely: HBM, MM a CDM. Obvyklé hodnoty kondenzátoru C, rezistoru R a indukčnosti L pro jednotlivé modely jsou uvedeny v tabulce 2.

Vysvětlivky k termínům [61340; ESDA]

• Damage by electrostatic field (poškození elektrostatickým polem): Elektrostatické pole vyvolá interní výboj v součástce. Proud výboje prochází pouze interní dielektrickou izolační vrstvou, nikoli vnějším obloukovým nebo korónovým výbojem.
• Electrical Overstress, EOS (elektrické přetížení) je působení elektrické energie s parametry, které přesahují (stanovené nebo nestanovené) hodnoty pro polovodičovou součástku atp. EOS nemá stanoveny meze pro napětí, proud nebo frekvenci; poškození EOS tedy zahrnuje ESD poškození jako podmnožinu [TR50].
• ESD Association, ESDA (Asociace ESD) je organizace zaměřená na potlačování ESD; vydává mj. dokumenty označené ESD, ANSI/ESD atp; pořádá pravidelně Annual EOS/ESD Symposium & Exhibits – viz www.esda.org.
• ESD Damage (ESD poškození) je poškození elektrostatickým výbojem, resp. poškození napětím indukovaným elektrostatickým polem, tj. řadou poruchových mechanismů.
• ESDS Component Sensitivity Classification ( klasifikace citlivosti součástek ESDS) je vyjádřena napětím v modelu HBM, resp. CDM, které bylo použito při měření citlivosti.
• ESD Protected Area, EPA (vyhrazený prostor ESD) je prostor, ve kterém lze manipulovat se součástkami ESDS s přijatelným rizikem poškození, které souvisí s výbojem nebo polem.
• Charging (nabíjení) je proces, který vede k vytváření elektrostatického náboje na materiálu, výrobku nebo předmětu. Jde o důsledek:

• contact and rubbing (kontaktu a tření)
• charge transfer (přenosu náboje)
• induction in an electrostatic field (indukce v elektrostatickém poli)
• effect of polarization (polarizačního jevu)
• photoelectric effect (fotoelektrického jevu)
• pyroelectric effect (pyroelektrického jevu)
• piezoelectric effect (piezoelektrického jevu)
• ionisation and ions adsorption (ionizace a adsorpce iontů)
• electrochemical processes (elektrochemických procesů)

• the Industry Council on ESD Target Levels je nezávislá instituce zaměřená na cílové kvalifikační úrovně ESD při zkoušení součástek, při respektování norem na modely HBM, MM, CDM, včetně správných úrovní při návrhu systémů (proper system level ESD design) – viz [White Paper 1, 2 ,3].
• Model CDM – Charged Device Model (model nabité součástky) simuluje situaci, kdy se malá nabitá součástka nebo předmět přiblíží k nabitému povrchu a dojde k elektrostatickému výboji. Tato situace nastává při měření ESD citlivosti elektronických součástek. Podrobnosti o zkoušení podle modelu CDM jsou na obrázku 3. Příslušné dokumenty uvádí mj. podrobnosti o nabíjení modelu a časové průběhy proudů do zkušební zátěže.
• Model HBM – Human Body Model (model lidského těla) je vhodný pro simulaci výboje z nabité osoby do zkoušené součástky nebo systému. Tento model se běžně používá pro zkoušení ESD citlivosti elektronických součástek a systémů v průběhu výroby a používání. Model byl původně používán při hodnocení iniciační citlivosti pyrotechnických prachů. Podrobnosti o zkoušení podle modelu HBM jsou na obrázku 2. Příslušné normy [61340-3-1] uvádí mj. podrobnosti o nabíjení modelu a časové průběhy proudů do zkušební zátěže: „zkratovací drát“ a „rezistor 500 Ω“, pro zadané ss napětí zdroje, např. „1 kV HBM“.
• Model MM – Machine Model (model strojový) [61340-3-2] simuluje výboj z velkého kovového předmětu, jako jsou např. díly osazovacího stroje. Nejnovější verze dokumentů ESDA i IEC posouvají tento model mezi méně závažné.
• Relation charge-voltage (vztah mezi nábojem Q a napětím V: Q = C V) obsahuje „konstantu“ C, kapacitu. Při konstantním náboji Q vede zmenšování kapacity ke zvyšování napětí. Tedy vzdalování elektrod „kondenzátoru“ zvyšuje napětí – až po případný průraz vzduchu atp.
• Relation Energy-Voltage (vztah mezi energií E a napětím V): E = 1/2 C V², tj. energie na kapacitě C je úměrná „čtverci“ napětí.
• Susceptible device (choulostivá součástka) může být poškozena působením ESD, EOS nebo elektrostatického pole.
• Voltage Susceptible Device (součástka choulostivá na napětí) je libovolná součástka, ve které nadměrné napětí iniciuje poškození. Napětí způsobí průraz dielektrického materiálu, což vyvolá proud, který poškodí dielektrickou vrstvu, která je nezbytná pro funkci této součástky. Když nadměrné napětí nastartovalo proces dielektrického průrazu, vykoná energie vlastní poškození, stejně jako pro součástky choulostivé na energii [TR50].