I modelli ESD sono stati sviluppati per aiutare a capire i principali tipi di eventi nella generazione delle scariche e per fornire una base per la determinazione della sensibilità ESD dei dispositivi
La scarica elettrostatica (ESD) è un trasferimento rapido e spontaneo di carica elettrica che si verifica quando due oggetti con potenziali elettrostatici diversi si avvicinano. Le scariche elettrostatiche possono causare seri danni e i modelli elaborati per comprendere gli eventi aiutano a determinare la sensibilità o la suscettibilità ESD di un dispositivo; per facilitarne lo studio sono stati proposti due modelli ESD, Human Body Model (HBM) e Charged Device Model (CDM).
I diversi tipi di scarica possono influenzare i dispositivi in modo diverso. La scarica HBM è piuttosto lenta e varia da 10 a 30 nanosecondi. La CDM è una scarica molto veloce, il che significa che l'energia non ha il tempo di dissiparsi. La soglia di danno del tipo CDM è spesso da 10 a 20 volte inferiore a quella di una scarica di tipo HBM. Se una scarica di tipo HBM causa danni a 2000 V, non è raro che lo stesso componente venga danneggiato da un evento CDM a 100-150 V.
In un passato recente era in uso anche Machine Model (MM) che simula una macchina o un utensile metallico che scarica a terra attraverso un dispositivo. La sua modalità di guasto è simile a quella delle prove HBM. Oggi non è più richiesto per la qualificazione dei dispositivi, perché non offre informazioni aggiuntive rispetto a HBM e CDM.
Se un progetto soddisfa i requisiti minimi di HBM e CDM, sarà ragionevolmente robusto da resistere alle scariche di oggetti metallici caricati elettrostaticamente.
Human Body Model
HBM è il modello che, attraverso il circuito in prova, simula una persona che si carica e si scarica verso terra attraverso un dito. Le persone sono considerate una fonte primaria di scariche elettrostatiche e HBM può essere usato per descrivere un evento ESD dovuto alla combinazione della capacità del corpo umano e della resistenza di un dito che tocca un componente sensibile. In genere, per eliminare il problema è necessario prestare particolare attenzione alla messa a terra del personale.
HBM è in uso da oltre cento anni. È stata definita per la prima volta per consentire la misurazione e la valutazione dei rischi di esplosione nelle operazioni minerarie sotterranee.
Esistono diversi standard che descrivono HBM per applicazioni militari e commerciali, ma le differenze riguardano l'applicazione della prova, la taratura del sistema e altri elementi accessori. La forma d'onda, definita dalla resistenza e dalla capacità del corpo umano, è praticamente identica in tutti gli standard di test. Lo standard più diffuso è l'ANSI/ESDA/JEDEC JS-001 che contiene i dettagli completi per la qualificazione dei tester e la verifica della forma d'onda.
Lo standard MIL-STD 883 3015 di test utilizza un circuito di sollecitazione (fig1) che carica un condensatore Co 100 pF a una tensione nota e lo scarica attraverso un resistore Rx da 1500 ohm. È comunemente utilizzato anche il metodo IEC 61000-4-2, dove Co = 150 pF e Rx = 330 ohm. Per AEC-Q200, Co = 150 pF e Rx = 2 kohm. Oltre a queste, esistono innumerevoli varianti per la prova HBM.
La scarica HBM ha un tempo di salita tipico da 2 a 10 ns e una durata di alcune decine di ns.
Charged Device Model
Il modello CDM simula un circuito integrato che si carica e si scarica su una superficie metallica messa a terra. Il CDM può essere utilizzato per descrivere un evento ESD dovuto a un circuito integrato sospeso su un ugello della testa di una P&P e poi collocato su una superficie metallica durante l'assemblaggio. Il CDM è il modello di scarica più pragmatico nella produzione automatizzata di oggi. Ogni volta che un dispositivo sensibile viene sollevato da un vassoio e trasportato, è molto probabile che generi una carica.
In linea di principio, esistono due varianti di Modelli ESD CDM. La prima considera la situazione di un dispositivo che viene caricato (attraverso la tribo-carica) sulla sua superficie, sui terminali o su altri percorsi conduttivi, seguito da una rapida scarica a terra attraverso un percorso conduttivo. La seconda considera la situazione di un dispositivo che si trova in un campo elettrico a causa della presenza di un oggetto carico nelle immediate vicinanze. Il potenziale elettrostatico del dispositivo viene aumentato da questo campo o comunque subisce una modifica nella distribuzione delle cariche. In questo processo di induzione statica il dispositivo, in entrambi i casi, si scarica se viene messo a terra e la modalità e il tipo di guasto sono gli stessi.
Lo standard di prova dei dispositivi CDM è ANSI/ESDA/JEDEC JS-002: Electrostatic Discharge Sensitivity Testing. La corrente di scarica è misurata e registrata, il che è particolarmente importante in quanto il suo valore determina la soglia ESD.
I risultati sperimentali mostrano che la corrente di scarica CDM è molto veloce, con tempi di salita misurati spesso al di sotto di 100 ps e con una larghezza dell’impulso inferiore a 500 ps - 1 ns.
Questo evento di scarica, per alcuni dispositivi, può essere più dannoso rispetto a quanto avviene con HBM. Sebbene la durata della scarica sia molto breve la corrente di picco può raggiungere diverse decine di ampere, causando significative cadute di tensione sul componente e arrivando anche a provocare la rottura dei dielettrici.
Le minacce ESD
Le minacce ESD nella produzione elettronica possono essere classificate in due categorie principali:
- • Personale carico - Quando si cammina su un pavimento, sul corpo si accumula una carica statica. Il semplice contatto del dito con un dispositivo che si trova a un potenziale diverso, ad esempio a terra, consente il rapido trasferimento di cariche al dispositivo stesso.
- • Dispositivi e PCBA carichi - Durante la manipolazione, i dispositivi e le schede possono acquisire una carica statica attraverso il fenomeno triboelettrico o possono acquisire un potenziale elettrostatico elevato entrando nell’influenza di un campo elettrico di oggetti carichi posti nelle vicinanze. Al seguito di queste condizioni, il contatto con la terra o con un altro oggetto conduttore, che si trovi a un diverso potenziale elettrostatico, produrrà una scarica ESD molto rapida.
Questa categorizzazione è utile in quanto ogni categoria implica una serie di controlli ESD da applicare sul posto di lavoro. Le minacce ESD provenienti dal personale sono ridotte al minimo con la messa a terra del personale attraverso l'uso di bracciali da polso e sistemi di calzature/pavimentazione. Le scariche da oggetti conduttivi vengono evitate assicurando che tutte le parti, che potrebbero entrare in contatto con i dispositivi, siano messe a terra in modo adeguato e affidabile.
Il verificarsi di eventi ESD che coinvolgono dispositivi o schede cariche viene minimizzato prevenendo la generazione di cariche (evitando l’uso di materiali isolanti, utilizzando ionizzatori) o utilizzando materiali dissipativi come piani di lavoro. Poiché queste misure preventive raramente vengono applicate perfettamente, la minaccia complessiva di un guasto ESD rimane e il rischio dipende, in ultima analisi, dal livello di manutenzione, dai controlli e dalla sensibilità relativa dei dispositivi coinvolti.
Tabella di classificazione della sensibilità ESD
I metodi HBM e CDM includono un sistema di classificazione per definire la sensibilità dei componenti al modello specificato (vedi tabelle in fondo). Questi sistemi di classificazione presentano una serie di vantaggi, consentono di raggruppare e confrontare facilmente i componenti in base alla loro sensibilità alle ESD e la classificazione fornisce un'indicazione del livello di protezione richiesto per il componente.
Per HBM gli standard suddividono la Classe 0 in tre livelli di tensione: la Classe 0Z corrisponde a una sensibilità inferiore a 50 volt, la Classe 0A a una sensibilità compresa fra 50 e 125 volt e la Classe 0B a una tensione compresa fra 125 e 250 volt.
Se si trattano articoli di classe 0Z e 0A, o con sensibilità inferiore a 125 volt, è necessario un controllo dell'ambiente molto accurato e puntuale; l’introduzione di ridondanze di protezione e l’aumento della frequenza delle verifiche di conformità contribuisce ad aumentare la sicurezza dell’EPA.
Gli eventi definiti dai test producono dati restrittivi che devono essere considerati con attenzione e utilizzati con giudizio. I due modelli ESD vanno utilizzati per caratterizzare la vulnerabilità. I dati sono informativi e utili, ma è bene ricordare che i sistemi di classificazione e i risultati dei test di sensibilità dei componenti fungono da guida, estrapolarli arbitrariamente in uno scenario reale può essere fuorviante. La loro vera utilità consiste nel confrontare un dispositivo con un altro e nel fornire un punto di partenza per lo sviluppo di robusti programmi di controllo delle ESD.
Sistema di classificazione della sensibilità ESD dei componenti
