1 Ochrona ESD W ramach przedmiotu: Kompatybilność elektromagnetyczna.

Prezentacja na temat: "1 Ochrona ESD W ramach przedmiotu: Kompatybilność elektromagnetyczna."— Zapis prezentacji:

1 1 Ochrona ESD W ramach przedmiotu: Kompatybilność elektromagnetyczna

2 2  Wstęp – Co to jest ESD?  Mechanizmy ESD.  Efekt tryboelektryczny.  Człowiek a ESD.  Istniejące zagrożenia.  Przyczyny i skutki ESD.  Podstawowa kontrola ESD  Praktyczny przykład.  Koszty związane z ESD.  Podsumowanie. O czym będzie ?

3 3 Co to jest ESD? ESD, czyli wyładowanie elektrostatyczne (ElectroStatic Discharge) jest to nagły przepływ dużego prądu elektrycznego przez powietrze, spowodowany występowaniem silnego pola elektrostatycznego. Wyładowania elektrostatyczne są plagą urządzeń elektronicznych – zakłócają ich funkcjonowanie i niszczą elementy. Wyładowanie występuje gdy w ciele odizolowanym od potencjału masy otoczenia zostanie zgromadzony dostatecznie duży ładunek elektryczny.

4 4 Przykładem tego zjawiska znanym z codziennego doświadczenia jest np.: piorun podczas burzy. Innym typowym zjawiskiem związanym z elektrycznością statyczną jest gromadzenie się warstwy kurzu na sprzęcie TV i monitorach komputerowych, a także niespodziewane „kopnięcie” przy dotknięciu klamki w drzwiach.

5 5 Czasami mamy:

6 6

7 7 Elektronika

8 8 Wybuch E – papierosa pod wpływem ESD ? Palenie zabija !!!

9 9 Można wyróżnić kilka podstawowych mechanizmów ładowania elektrostatycznego:  przez tarcie (tryboelektryzacja);  przez styk (bezpośrednie przenoszenia ładunku);  przez indukcję elektrostatyczną (pole elektrostatyczne);  przez jonizację (emisja jonów pod wpływem wysokiego napięcia);  przez balloelektryzację (unoszenie ładunków w gazie);  przez łupanie lub rozdrabnianie;  krzepnięcie, efekt termo- lub fotoelektryczny. Mechanizmy ESD

10 10 Najczęstszą przyczyną gromadzenia się dużych ładunków jest efekt tryboelektryczny. Jest to zjawisko powstawania ładunków elektrycznych pod wpływem tarcia, rozdrabniania, rozpylania itp. procesów. Mechanizm ten jest zilustrowany na poniższych rysunkach: Efekt tryboelektryczny

11 11 Niektóre materiały są bardziej podatne na omawiane zjawisko, inne mniej. W wyniku badań przyjęto tzw. szereg tryboelektryczny porządkujący materiały od podatnego na ładowanie dodatnie, poprzez materiały neutralne, aż po materiały podatne na ładowanie ujemne. Typowy szereg tryboelektryczny +_+_ królicze futro szkło mika ludzkie włosy nylon wełna futro ołów jedwab aluminum papier BAWEŁNA (neutralna) stal drewno bursztyn wosk srebro złoto, platyna siarka sztuczny jedwab poliester celuloid krzem teflon

12 12 Człowiek a ESD Ludzie są głównym czynnikiem generującym ładunek elektrostatyczny. Osoby z nadzoru, które dużo chodzą po winylowej podłodze, często ładują się (akumulują ładunek elektrostatyczny) do 5 kV lub więcej. Osoba siedząca przy stanowisku pracy bez ochrony przed ESD ładuje swoje ciało ładunkiem elektrostatycznym o potencjale 400-500 V. Zwykłe podniesienie ręki przez człowieka może spowodować podwyższenie potencjału o 100 V, wstanie z krzesła o 1 kV, wykonanie jednego kroku o 1,5 kV. Dodatkowo, na skutek zmian pojemności elektrycznej ciała, zachodzących podczas ruchu, potencjał może maleć lub wzrastać.

13 13 Oddziaływanie ESD na człowieka Fizjologiczne oddziaływanie wyładowań, przy pojemności elektrycznej ciała człowieka C = 350 pF : Napięcia [kV] (człowiek – ziemia) Energia wyładowani [J]Reakcja człowieka 0 do 2,5 2,5 do 5,0 5,0 do 8,0 8,0 do 12 12 do 25 25 do 35 ponad 35 0 do 1 x 10 -3 1 x 10 -3 do 4,5 x 10 -3 4,5 x 10 -3 do 1 x 10 -2 1 x 10 -2 do 2,5 x 10 -2 2,5 x 10 -2 do 1 x 10 -1 1 x 10 -1 do 2 x 10 -1 ponad 2 x 10 -1 wyładowania nieodczuwalne wyładowania odczuwalne lekkie ukłucie silne ukłucie lekki wstrząs średni wstrząs silny wstrząs

14 14 Zależność ESD od wilgotności

15 15 Jak może wyglądać

16 16 Powstający sztucznie

17 17 Gwałtowny rozwój zastosowań elementów elektronicznych w produktach powszechnej konsumpcji spowodował potrzebę wzrostu ochrony przed ESD. ISTNIEJĄCE ZAGROŻENIA Wiele awarii spowodowanych przez ESD nie jest bezpośrednio zauważalnych. Należy pamiętać, że niektóre elementy elektroniczne (np. układy CMOS) mogą być zniszczone przez wyładowanie elektrostatyczne o napięciu niższym niż 10 V, a więc takie, którego nie jesteśmy w stanie odczuć zmysłami.

18 18 Przyczyny i skutki ESD Uszkodzenie wskutek ESD są zazwyczaj powodowane przez trzy zjawiska:  bezpośrednie wyładowanie do urządzenia;  elektrostatyczne wyładowanie z urządzenia;  wyładowania spowodowane indukcją elektrostatyczną. Skutki wyładowań elektrostatycznych: ! uszkodzenia trwałe elementów elektronicznych (zwłaszcza o małych rozmiarach geometrycznych); ! przekłamania w pracy urządzeń cyfrowych, zmiana zawartości pamięci półprzewodnikowej, itp.; ! zwiększenie niebezpieczeństwa pożarowego, szkodliwe oddziaływanie biologiczne.

19 19 Określenie czułości urządzeń na ESD jest pierwszym krokiem w kierunku ustalenia metod ochrony. Procedury testowe oparte na modelach ESD pomagają w określeniu czułości poszczególnych komponentów na wyładowania. Wiele komponentów elektronicznych Podstawowa kontrola ESD jest czuła na uszkodzenia spowodowane ESD na stosunkowo niskim poziomie napięć. Wiele jest czuła na mniej niż 100 V. Obecnie w projektowaniu układów panują tendencje, aby umieszczać więcej podukładów w jednej płytce krzemowej - zwiększa to czułość na ESD.

20 20 Możemy natomiast zredukować ryzyko uszkodzenia przez przeszkolenie personelu i odpowiednie wyposażenie stanowiska pracy. Przez narzędzia prostego programu kontroli ESD i wdrożenie kilku prostych nawyków problem może być skutecznie kontrolowany. Podstawowa kontrola ESD Ładunek elektrostatyczny wywołujący wyładowanie elektrostatyczne, które powodują awarie komponentów elektronicznych, nie może być całkowicie wyeliminowany.

21 21 Podstawowa kontrola ESD: Uziemianie Ekranowanie Neutralizacja Edukacja

22 22 ładunku elektrostatycznego na ciele ludzkim jest najlepiej osiągane przez osobisty przyrząd uziemiający, taki jak opaska na rękę lub na stopę. Uziemianie Jest pierwszą linią ochrony przed niekontrolowanym wyładowaniem elektrostatycznym. Podstawowymi generatorami ładunku elektrostatycznego są ludzie, dlatego ważnym jest wyeliminowanie wyładowania elektrostatycznego od osób, które mogą wejść w kontakt z wrażliwymi na ESD komponentami lub gotowymi wyrobami. Zapobieganie generowaniu

23 23 Indywidualny przyrząd uziemiający bezpośrednio łączy operatora z ziemią i może być użyty w połączeniu z powierzchnią pracy zabezpieczoną przed ESD. Otrzymujemy w ten sposób wspólny punkt uziemiający dla opasek na rolkę, mat stołowych i podłogowych. Jest bardzo ważne, by powierzchnia pracy (uziemia wrażliwe komponenty) i opaska na rękę (zapobiega generowaniu ładunku elektrostatycznego na ciele ludzkim) były połączone z tym samym potencjałem elektrycznym (uziemione). Uziemianie

24 24 Druga linia kontroli ESD wymaga ekranowania komponentów przed awarią spowodowana przez ESD podczas magazynowania lub transportu. Wrażliwe układy elektroniczne i zmontowane komponenty są najlepiej chronione w transporcie przez: klatkę Faraday'a utworzoną przez ekranowane torebki, przewodzące torebki lub przewodzące przenośne pudełka z pokrywką. Należy pamiętać, że klatka Faraday'a przenosi wyładowanie elektrostatyczne na zewnątrz. Ekranowanie Z tego powodu jest konieczne, by zabezpieczone opakowanie otwierać tylko na stanowisku pracy z ochroną antystatyczną przez uziemioną osobą.

25 25 Przez uziemianie i ekranowanie nie można odprowadzić ładunku elektrostatycznego z izolatorów, takich jak obwody drukowane, syntetyczna odzież lub inne elementy izolowane. Izolatory neutralizujemy za pomocą jonów wytwarzanych z użyciem odpowiednich narzędzi jonizujących. Neutralizacja

26 26 Jest koniecznym składnikiem każdego efektywnego programu kontroli zjawisk elektrostatycznych. Wysoki poziom świadomości elektrostatycznej musi być tworzony i utrzymywany wokół chronionego obszaru. Personel rozumiejący problem i kojarzący go z ponoszonymi kosztami może znacznie pomóc w utrzymaniu skutecznej kontroli ESD. Edukacja

27 27 Innym sposobem umożliwiający eliminację zagrożeń są zmiany procesów technologicznych:  zmniejszenie szybkości procesów, np.: zmniejszenie szybkości przepływu cieczy;  zwiększenie pojemności obiektów względem ziemi;  korekta procesów w celu pozbycia się źródeł generacji ładunków, np.: eliminacja rozbryzgiwania cieczy, pylenia materiałów sypkich;  prowadzenie procesów w atmosferach obojętnych, np. nie zagrożonych wybuchem;  dobór tworzyw na wykładziny, konstrukcje maszyn i urządzeń produkcyjnych w celu zmniejszenia elektryzacji stykających się z nimi obiektów oraz materiałów. Zmiany procesów technologicznych

28 28 Kupiliśmy w sklepie komputerowym nowy moduł pamięci do naszego peceta. Torebka, w którą jest zapakowany moduł, ma nieznany potencjał elektrostatyczny. Ponieważ jest ona wykonana z przewodzącej folii z tworzywa sztucznego, różnica potencjałów między opakowaniem i modułem jest wyrównana. Po przyniesieniu do domu, transportowany w kieszeni kurtki moduł, ma najprawdopodobniej inny potencjał niż ręka, która właśnie tam sięga. Przykład c.d.n. Wyrównania potencjałów dokonuje się mocno chwytając opakowanie. Dopiero teraz można bezpiecznie wyjąć moduł z torebki. Ponieważ potencjały zostały wyrównane, można mocno chwycić moduł bez ryzyka uszkodzenia. Jest to nawet zalecane, ponieważ dzięki przewodzącemu połączeniu, między ręką i modułem nie może wytworzyć się żadna nowa różnica potencjałów. Jest również lepiej, gdy mocno chwycimy moduł palcami, niż będziemy go ostrożnie wyciągać z opakowania przy pomocy izolowanej pęsety!

29 29 Następnym krokiem jest wmontowanie modułu do komputera. Zarówno obudowa PC, jak i jego masa mają nieznany potencjał. Z tego powodu trzeba teraz dotknąć obudowy PC drugą ręką (nie tą z modułem!), tam, gdzie możliwe jest przewodzące połączenie. Plastikowa listwa albo lakierowana ściana obudowy jest naturalnie do tego nieodpowiednia. Ponieważ ciało ludzkie to nie najlepszy, przewodnik, różnica potencjałów między komputerem i modułem wyrównuje się. Podczas, gdy jedna ręka utrzymuje przewodzące połączenie z komputerem, druga może umieścić moduł w podstawce. Przykład c.d.

30 30 Koszty związane z ESD Koszty uszkodzeń wywołanych przez ESD w podstawowych układach elektronicznych szacuje się na 5 mld dolarów rocznie. Niewymiernym, bardzo ważnym kosztem jest także niezadowolenie klientów. Rezultatem stosowania ochrony ESD jest zmniejszenie kosztów, dlatego wiele fabryk szeroko korzysta z narzędzi ochrony przed ESD. Problem ochrony przed ESD jest uwzględniany również przez normy zarządzania jakością ISO 9000.

31 31 Człowiek generuje ładunki prądu statycznego przy każdym ruchu. Wszyscy doświadczamy podobnych wyładowań na mniejszą skalę w życiu codziennym. Dla człowieka nie jest to groźne, najwyżej może być nieprzyjemne, a dla urządzeń elektronicznych, szczególnie zawierających układy scalone, jest groźne i może doprowadzić do ich zniszczenia. Ładunki statyczne stały się jednym z większych problemów przemysłu elektronicznego. Obecność uszkodzeń spowodowanych przez ESD nie jest łatwa do wykrycia. Uszkodzenie produktu może ujawnić się dopiero w trakcie użytkowania. Całkowite zabezpieczenie przed wyładowaniami ESD jest konieczne w obsłudze nowoczesnych urządzeń elektronicznych. Podsumowanie

32 32 Eksperci oceniają, że ponad 10% uszkodzeń układów scalonych spowodowane jest wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD). Nie można ich niestety skutecznie zabezpieczyć. Wynika to z jednej strony z braku miejsca na miniaturowym układzie scalonym, a z drugiej strony z ograniczonej możliwości odprowadzenia energii wyładowania ESD i trudnych do przewidzenia okoliczności wystąpienia takiego wyładowania. Podsumowanie

33 33 Jak wobec tego zabezpieczyć się przed ESD? Nie dotykać układów, nie wyjmować ich z opakowań w których zostały dostarczone. Zainstalować można je, jeśli wcześniej wyrównamy potencjały wszystkich elementów oraz rozładujemy siebie. Można to uzyskać za pomocą prostych środków: Podsumowanie opaski uziemiającej na rękę; mat wykonanych z materiałów przewodzących i koniecznie uziemionych; specjalnych narzędzi; ubrań roboczych.

34 34 Istotnym jest zastosowanie odpowiednich materiałów antystatycznych:  antystatycznych posadzek oraz przewodzących wykładzin o rezystancji rzędu (10kohm – 1Mohm);  obuwie o przewodzących podeszwach lub z elementami przewodzącymi;  płynów i aerozoli antyelektrostatycznych do zmywania podłóg, stołów itp.;  antyelektrostatycznych oklein meblowych;  nawilżaczy i jonizatorów powietrza (utrzymanie odpowiedniej wilgotności jest bardzo ważne!!!). Podsumowanie

35 35 ELEMENTY

36 36 TYP LiniPrędkośćCzęstotliwość Pojemność UWAGI pF RS232/RS485115,2 kBit57,6 kHz33 lub 56D. Zenera CAN1 Mbit500 kHz10 lub 22D.Zenera (dobre) USB1.112 MBit6 MHz5 lub 10Transil Profibus12 MBit6 MHz5 lub 10Transil USB 2.0480 MBit240 MHz0,02 lub 0,05 LAN 100 MBit125 MBit62,5 MHz0,02 lub 0,05 LAN 1 GBit1,25 GBit625 MHz0,02 lub 0,05 SerialATA I1,5 GBit750 MHz0,02 lub 0,05 DVI/HDMI1,65 GBit825 MHz0,02 lub 0,05 Firewire1,57 GBit786,45 MHz0,02 lub 0,05 SerialATA II3,0 GBIt1,5 GHz0,05 HDMI 1,33,4 GBit1,7 GHz0,05 Anteny--0,02 lub 0,05 A jak chronimy linie danych ?

37 37 Co się kryje

38 38 Jak zaprojektować ?

39 39 Jak zaprojektować

40 40 Przykład dla portu USB 2.0

41 41 Przykład dla portu USB 3.0

42 42 Przykład dla portu USB 3.0 www.circuitprotection.com

43 43 Przykład dla portu USB 3.0

44 44 TI rodzina TPD1S514 -X

45 45 TI - TPD1S514 -X

46 46 TI - TPD1S514 -X

47 47 Rozwiązanie dla TPD1s514-1

48 48 Layout TPD1S514

49 49 A co z innymi od TI ?

50 50 http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2016/04/2 7/key-concerns-protecting-high-speed-interfaces- against-esd-strikes Przydatna strona

51 51  A. Charoy: „Kompatybilność elektromagnetyczna – Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych”, Tom 1 i 4, WNT Warszawa 1999;  L. Hasse: „Zakłocenia w aparaturze elektronicznej”, Radioelektronik, 1995;  A. Gajewski: „Ładunki elektrostatyczne generowane w ciele człowieka”, Ochrona pracy 8/1980;  Strony internetowe, m. in.: http://www.esda.org; http://www.psinter.com ; Materiały:

52 52 Dziękuję za uwagę!