Elettrostatica!

L'elettricità statica è uno squilibrio di cariche elettriche all'interno o sulla superficie di un materiale. La scarica elettrostatica (ESD) è definita come il trasferimento rapido e spontaneo di carica elettrostatica indotto da un una elevata differenza di potenziale; si manifesta usualmente come una scintilla tra i due corpi che si trovano a diverso potenziale

Le ESD possono modificare le caratteristiche elettriche di un dispositivo semiconduttore, degradandolo o distruggendolo; possono anche alterare il normale funzionamento di un sistema elettronico, causando malfunzionamenti o guasti. Inoltre, le superfici cariche possono attrarre e trattenere i contaminanti, rendendo difficile la rimozione delle particelle. Se attratte dalla superficie di un wafer di silicio o dai circuiti di un dispositivo, le particelle possono causare difetti e ridurre la resa dei prodotti.

Il controllo delle scariche elettrostatiche inizia con la comprensione del modo in cui si forma la carica elettrostatica; questa si crea comunemente con il contatto e la separazione di due corpi o per via del loro sfregamento. I materiali costituenti possono essere simili o dissimili, i materiali tra loro diversi tendono a liberare livelli più elevati di carica statica. 

Il caso classico è rappresentato da una persona che cammina sul pavimento e genera elettricità statica (che gli si accumula addosso) quando le suole delle scarpe entrano in contatto e poi si separano dalla superficie del pavimento. Un componente elettronico che scivola su una superficie genera una carica elettrostatica quando da questa si separa. L'entità della carica elettrostatica che si forma nei due casi può essere diversa, ma in ogni caso si forma. 

La creazione di cariche elettrostatiche attraverso il contatto e la separazione dei materiali è nota come carica triboelettrica. Comporta il trasferimento di elettroni da un materiale all’altro. 

Gli atomi in equilibrio (elettricamente neutri) hanno lo stesso numero di protoni e di elettroni. Quando i due corpi vengono messi a contatto e poi separati, gli elettroni degli atomi superficiali sono trasferiti dalla superficie di un corpo a quella dell'altro. Quale materiale perde elettroni e quale ne guadagna dipende dalla natura dei due materiali, ma il punto è che il materiale che perde elettroni si carica positivamente, mentre quello che li riceve si carica negativamente.

La quantità di carica triboelettrica è influenzata da diverse variabili quali l'area di contatto, la velocità di separazione, il valore di umidità relativa e la struttura chimica dei materiali. Più l’ambiente è secco e più è agevolata la formazione di carica elettrostatica, sebbene vada notato che la generazione può avvenire anche in presenza di un'elevata umidità relativa.

Una volta creata la carica su un corpo, questo diventa carico elettrostaticamente. Il trasferimento di questa carica su un altro oggetto da luogo ad una scarica elettrostatica o evento ESD. 

Materiali isolanti, conduttivi e dissipativi

Un materiale che impedisce o limita il flusso di elettroni attraverso la sua superficie o il suo volume, a causa di una resistenza elettrica estremamente elevata, è chiamato materiale isolante. Sono isolanti i materiali con una resistenza superficiale o una resistenza di volume pari o superiore a 1,0 × 10¹¹ ohm. 

Sulla superficie di un isolante si può generare una notevole quantità di carica. Poiché il materiale non consente che si crei il flusso di elettroni, potrebbero risiedere contemporaneamente cariche positive e negative, anche se in posizioni diverse; queste cariche possono rimanere in posizione anche per tempi lunghi.

Un materiale che permette agli elettroni di fluire facilmente attraverso la sua superficie o il suo volume è chiamato materiale conduttivo. I conduttori hanno una resistenza superficiale o una resistenza di volume inferiore a 1,0 × 10⁴ ohm. Quando un materiale conduttivo si carica, la carica (positiva o negativa che sia) si distribuisce uniformemente nel materiale. Se il materiale conduttivo carico entra in contatto con un altro materiale conduttivo, gli elettroni sono equamente condivisi tra i due. Se il secondo conduttore è collegato a terra gli elettroni fluiranno verso la terra e la carica in eccesso è azzerata.

La carica elettrostatica può essere creata triboelettricamente sui conduttori nello stesso modo che sugli isolanti. Finché il conduttore è isolato, la carica statica vi rimane circoscritta, nel momento in cui è collegato a terra la scarica. Se il conduttore carico entra in contatto con un altro conduttore a diverso potenziale, la carica si distribuisce tra i due.

I materiali dissipativi presentano una resistenza elettrica di valore compreso tra i materiali isolanti e quelli conduttivi. Sono materiali che presentano una resistenza superficiale o una resistenza di volume maggiore o uguale a 1,0 × 10⁴ ohm, ma inferiore a 1,0 × 10¹¹ ohm. Il flusso di elettroni può avvenire attraverso il materiale dissipativo, ma è controllato dalla resistenza superficiale o dalla resistenza di volume del materiale.

Come negli altri casi è possibile generare una carica triboelettrica sul materiale statico dissipativo che, come il materiale conduttivo, consente il trasferimento di carica verso la terra o verso altri oggetti conduttivi. Il trasferimento di carica da un materiale statico dissipativo richiede generalmente più tempo rispetto a un materiale conduttivo di dimensioni equivalenti. I trasferimenti di carica dai materiali statici dissipativi sono significativamente più veloci rispetto agli isolanti e più lenti rispetto ai materiali conduttivi.

Due tipi di guasto

Un evento ESD può verificarsi quando un qualsiasi oggetto che abbia accumulato una carica elettrostatica (compreso il corpo umano) si scarica su un componente elettronico o su un PCBA o un apparato. Quando un qualsiasi dispositivo elettronico è esposto a un evento ESD, potrebbe non funzionare più. L'evento ESD può aver causato la fusione di una sottile pista, la rottura di una giunzione o la rottura di un dielettrico. In ogni caso il circuito del dispositivo viene danneggiata in modo permanente, causando l'interruzione totale o parziale del suo funzionamento. Questi guasti possono essere rilevati al test di produzione, ma se un evento ESD di livello dannoso si verifica dopo il collaudo, il prodotto arriva non funzionante o difettoso al cliente.

Un secondo scenario è dato dal guasto latente, che è un malfunzionamento del prodotto finito che si verifica dopo un periodo di funzionamento normale. 

Il concetto di guasto latente è controverso per la sua difficoltà nell’essere oggettivamente circoscritto alla causa ESD. 

Un dispositivo esposto a un evento ESD può essere parzialmente degradato, ma continua a svolgere la funzione prevista. Infatti, un prodotto o un sistema che incorpora componenti con difetti latenti può subire guasti prematuri dopo che l'utente li ha messi in servizio. I difetti latenti sono difficili da dimostrare o da rilevare, soprattutto dopo che il dispositivo è stato assemblato in un prodotto finito.

Il grado di danneggiamento da parte di un evento ESD è determinato dalla capacità del dispositivo di dissipare l'energia della scarica o di resistere ai livelli di tensione coinvolti nella scarica. Come spiegato in precedenza, questi fattori determinano la sensibilità alle ESD del dispositivo. Le procedure di test descritte, basate su modelli di eventi ESD, aiutano a definire la sensibilità dei componenti alle scariche elettrostatiche. Sebbene sia noto che molto raramente esiste una stretta correlazione diretta tra le scariche indotte delle procedure di test e gli eventi ESD reali, la definizione della sensibilità ESD dei componenti elettronici fornisce una guida per determinare il grado di protezione e di controllo ESD richiesto. 

La tensione di resistenza alle ESD è data dal livello di tensione più alto che non causa il guasto del dispositivo. Molti componenti elettronici sono suscettibili ai danni da ESD a livelli di tensione relativamente bassi, ad esempio molti sono suscettibili a meno di 100 volt.

Le attuali tendenze nella progettazione e nello sviluppo dei semiconduttori concentrano un numero elevatissimo di circuiti nei nuovi dispositivi miniaturizzati, aumentando ulteriormente la sensibilità alle ESD e rendendo il potenziale problema ancora più pressante.