S P R Z 
T
EPROM 0,5 mJ/s
CMOS 5,0 mJ/s
Schottky TTL 50 mJ/s
Przytoczone wyłej przykła-
dy pokazują, łe dopuszczal-
ne moce są o jeden do
trzech rz�d�w wielkości
mniejsze od mocy impulsu
powstającego podczas rozła-
dowania ładunku zgromadzo-
nego w pojemności związa-
nej z ciałem człowieka. Jeś-
li wziąĘ pod uwag�, łe
W artykule przedstawiono problemy zagrołe� związanych
podczas pracy na zwykłym
z wyładowaniami elektryczności statycznej (ESD), spotykane
stanowisku na ciele powstaje
potencjał rz�du 1..3 kV, zaś
w przemyśle elektronicznym. Podano przykład stanowiska pracy
podczas chodzenia po zwyk-
spełniającego wymagania odnośnie ochrony przed wyładowaniami
łych wykładzinach potencjał
na poziomie 10 kV, a nawet
elektrostatycznymi.
(przy niskich wilgotnościach
powietrza) do 35 kV [3], to
Zjawisko ESD sowej produkcji element�w poziomie 3..4 kV. Oznacza wszelki komentarz, dotyczą-
Hasło �elektrostatyka� nie- p�łprzewodnikowych dopro- to, łe dopiero wtedy, kiedy cy poziomu zagrołenia od
rozerwalnie kojarzy si� wadziło, jak si� ocenia, jego pojemnośĘ elektryczna ESD w takich warunkach,
z greckim matematykiem w jednym tylko 1982 r. naładuje si� do takiego wydaje si� zb�dny.
i filozofem z VI w p.n.e. Ta- w przemyśle USA do strat właśnie poziomu, receptory Naleły tu r�wnieł pod-
lesem z Miletu, kt�ry na poziomie 1 miliarda USD. b�lu w opuszkach palc�w kreśliĘ drugi z wymienio-
stwierdził wyst�powanie zja- Stanowiło to ok. 22% og�l- odbiorą podczas wyładowa- nych czynnik�w - szerokie
wiska przyciągania drobin nych start w przemyśle elek- nia nieprzyjemny sygnał. Po- stosowanie tworzyw sztucz-
r�łnych materiał�w przez tronicznym [2]. jemnośĘ elektryczna człowie- nych. Zastosowanie nieprze-
kawałek potartego burszty- Zaobserwowany wzrost za- ka dorosłego, w zwykłym wodzących prądu wykładzin
nu. Niestety, obecnie bardzo grołenia od ESD był natu- obuwiu na izolowanych po- podłogowych, wykładzin po-
cz�sto jest to jedyne skoja- ralną konsekwencją rozwoju deszwach, jest na poziomie wierzchni roboczych, ubra�,
rzenie dotyczące elektrosta- technologii elektronowej. 150-300 pF. Zatem energia pojemnik�w, narz�dzi oraz
tyki jakie ma wi�kszośĘ ab- Szczeg�lnymi momentami zgromadzona w takiej pojem- innych element�w niezb�d-
solwent�w szk�ł średnich, było wprowadzenie technolo- ności, poniłej poziomu od- nych w technologii produkcji
a nawet i wyłszych. Mołna gii MOS oraz post�py w mi- czuwania b�lu przy wyłado- i montału powodowało z jed-
tu zacytowaĘ zdanie jedne- niaturyzacji, polegające na waniu ESD, jest na pozio- nej strony łatwą generacj�
go z uznanych w USA eks- zwi�kszeniu stopnia scalania. mie 1 mJ. Warto t� wartośĘ ładunku, podczas kontaktu
pert�w w dziedzinie ochro- Wymienione czynniki spowo- por�wnaĘ z maksymalnymi czy pocierania przez inne
ny ESD w elektronice dowały z jednej strony obni- dopuszczalnymi poziomami elementy lub pracownika,
O. McKeevera: �Doświadcze- łenie maksymalnej wartości mocy impuls�w ESD, jakie z drugiej zaś utrzymywanie
nie wskazuje, łe dobrze wy- napi�cia elektrostatycznego mołna doprowadziĘ bez wysokich potencjał�w przez
kształceni inłynierowie elek- jakie m�gł wytrzymaĘ ele- zniszczenia do niechronio- dłułszy czas, podwyłszając
tronicy i elektrycy, pracują- ment oraz obniłenie pozio- nych element�w stosowa- w zasadniczy spos�b mołli-
cy w przemyśle elektronicz- mu maksymalnej mocy nych we wsp�łczesnej elekt- wośĘ wystąpienia wyładowa-
nym, mogą mieĘ zasadnicze wprowadzanej do elementu ronice [2]: nia elektrostatycznego.
problemy ze zrozumieniem podczas impulsu ESD, jaką
wyst�pujących zjawisk elek- m�gł on wytrzymaĘ bez ob- PONAD
trostatycznych. Na początku serwowalnych zmian włas- 1.000 10 MILION
XXI wieku wielu inłynie- ności.
r�w nie rozumie zasad Innym niebagatelnym
elektrostatyki podanych czynnikiem pogł�biającym
przez Gilberta, Franklina problem zagrołenia od ESD
czy Faradaya w XVI, XVIII było coraz szersze wprowa-
400
czy XIX wieku� [1]. Nie dzanie tworzyw sztucznych
naleły si� zatem dziwiĘ, łe o bardzo dobrych własnoś-
problem ochrony przed ciach elektroizolacyjnych.
300
szkodliwym działaniem elek- Ładunek wprowadzony na
tryczności statycznej, elementy z takich materiał�w
a zwłaszcza przed jej wyła- podczas procesu technolo-
dowaniami - tzw. ESD (od gicznego m�gł utrzymywaĘ
200
ang. ElectroStatic Discharge) si� przez dłułszy czas, po-
- był, a w Polsce jest nadal, wodując wzrost zagrołenia
niedoceniany. podczas nagłego niekontrolo-
100
O ile juł w latach II woj- wanego rozładowania.
ny światowej stosowano oło- Poziom wyst�pujących za-
wiane pojemniki dla diod grołe� ilustruje nast�pujący
0
mikrofalowych, umołliwiają- przykład. Minimalne napi�-
Podsystem System Użytkowanie
ce ich bezpieczny (w sensie cie, przy kt�rym człowiek
(elementy) (płytki)
ESD) transport, to zlekcewa- odczuwa �ukłucie� podczas
łenie tego problemu w ma- wyładowania ESD jest na Rys. 1.
Elektronika Praktyczna 3/2001
144
300
Względny koszt naprawy
220
120
PRZEMYSA
OWE (25)
POWSZECHNE (5)
75
KOSMICZNE (75)
5
50
WOJSKOWE (50)
60
45
S P R Z 
T S P R Z 
T
Rys. 2.
Wpływ ESD na ładowanie ESD nie powodu-
elementy i podzespoły je widocznych zmian we
Uszkodzenia od ESD dzie- właściwościach elementu.
li si� na bezpośrednie, po- Nast�pne, kolejne wyładowa-
średnie i op��nione. Pierw- nia prowadzą jednak po
sze z nich są uszkodzeniami pewnym czasie do uszkodze-
nieodwracalnymi i w naj- nia nieodwracalnego. Wyst�-
wi�kszym uproszczeniu mo- puje tu efekt kumulacji na-
gą byĘ dwojakiego rodzaju: rałe�.
zalełne od napi�cia oraz za- Naleły podkreśliĘ fakt, łe
lełne od energii wprowadza- o ile uszkodzenia bezpośred-
nej do obiektu podczas ESD. nie i pośrednie są łatwe do
O ile jednak w technologii zidentyfikowania, to uszko-
MOS problemy związane dzenia op��nione, z racji
z elektrycznym przebiciem subtelnych zmian, mogą byĘ
warstwy tlenku izolującego trudne do wykrycia podczas
bramk� na skutek impulsu rutynowej kontroli. Jest to
ESD wydawały si� byĘ dośĘ o tyle istotne, łe tego rodza-
naturalną przyczyną uszko- ju uszkodzenia mogą prowa-
dze�, to bardzo duły udział dziĘ do istotnego skr�cenia
uszkodzonych element�w czasu łycia elementu. Wpły-
wykonywanych w technologii wa to na koszt ewentualnej
bipolarnej (o wysokiej skali wymiany elementu czy na-
integracji), obserwowany prawy urządzenia oraz na
w pierwszej połowie lat 70. image firmy produkującej ta-
przez firm� Westinghouse kie elementy. Nabiera to
Adv. Tech. Lab. i oszacowa- szczeg�lnego znaczenia
ny na 75% m�gł budziĘ w przypadku urządze� o spe-
zdziwienie [1]. W drugim cjalnym przeznaczeniu (zdro-
przypadku wyładowania ESD wie, militaria, kosmos),
prowadziły na og�ł do gdzie koszt naprawy zainsta-
uszkodze� związanych z wy- lowanego urządzenia mołe
stąpieniem r�łnych lokal- byĘ niepor�wnywalny z kosz-
nych efekt�w cieplnych, ta- tami uszkodzonego elementu.
kich jak odparowania meta- Zilustrowano to na rys. 1.
lizacji, lokalne przetopienia Jak widaĘ z rys. 1, szybka
złącz i inne. identyfikacja uszkodzenia od
Uszkodzenia pośrednie są ESD oraz unikanie ESD
to r�łnego typu zakł�cenia w dalszych etapach procesu
od ESD mogące spowodowaĘ technologicznego obiektu fi-
fałszywe wyzwalanie ukła- nalnego ma fundamentalne
d�w logicznych. Uszkodzenia znaczenie jeśli chodzi
te są mołliwe do usuni�cia o koszty ewentualnej napra-
przez wykasowanie i usta- wy czy teł niezawodnośĘ.
wienie właściwego stanu. Jak widaĘ z wyłej poda-
Uszkodzenia op��nione są nych wartości energii, podat-
zalełne od czasu i polegają nośĘ na uszkodzenia od
na tym, łe pojedyncze wy- ESD zaleły od rodzaju ele-
Elektronika Praktyczna 3/2001
145
S P R Z 
T S P R Z 
T
mentu. Mi�dzy innymi dla ła opinia, łe układy MOS-
cel�w por�wnawczych wpro- VLSI czy teł CMOS uodpor-
wadzono poj�cie czułości niają si� na ESD po zamon-
napi�ciowej elementu na towaniu ich na płytce dru-
uszkodzenia od ESD. Ponie- kowanej. Mit ten wynika
wał ładunek elektryczny z faktu, łe układy pracy za-
mołe si� gromadziĘ na r�ł- wierają zwykle inne elemen-
nych obiektach, takich jak ty �blokujące� element naj-
człowiek, narz�dzia, maszy- czulszy, obniłając czułośĘ
ny, spos�b jego rozładowa- całego układu czy podzespo-
nia oraz skutek, w rozumie- łu. Naleły podkreśliĘ fakt,
niu uszkodzenia, b�dą zale- łe ESD mołe mieĘ r�wnieł
łeĘ od elektrycznych właś- destrukcyjny wpływ na ele-
ciwości układu rozładowa- menty pasywne, takie jak re-
nia. Podstawowe układy roz- zystory czy kondensatory
ładowania zostały zastąpione cienkowarstwowe.
modelami [4][5]. W przypad-
ku bada� ESD z ciała czło- Kontrola i ochrona
wieka stosuje si� model przed ESD
HBM (od ang. Human Body Podejmując działania
Model), w kt�rym pojemnośĘ ochrony element�w i podze-
ciała człowieka przyjmuje społ�w od ESD, naleły
si� r�wną 100 pF, zaś re- wziąĘ pod uwag�, łe około
zystancj� rozładowania mo- 50-60% uszkodze� wynika
deluje rezystor o wartości z kontaktu elementu z nała-
1500 &!. CzułośĘ napi�ciowa dowanym obiektem, 30-40 %
jest zalełna od modelu i jest z kontaktu naładowanego ele-
to maksymalna wartośĘ na- mentu z uziemionym obiek-
pi�cia, przy kt�rej ESD (dla tem i około 10% z innych
modelu HBM rozładowanie przyczyn, jak np. ESD od
pojemności 100 pF nałado- ładunku indukowanego silny-
wanej do tego napi�cia mi polami elektrycznymi.
przez rezystancj� 1500 &! Aspekt ekonomiczny za-
w obwodzie zawierającym gadnienia ochrony zaleły od
badany element) nie prowa- rodzaju stosowanej technolo-
dzi do bezpośredniego gii oraz czułości element�w
uszkodzenia badanego ele- i mołe wyglądaĘ jak w przy-
mentu [6]. Typowe wartości padku firmy Western Elect-
czułości napi�ciowej dla mo- ric, w kt�rej nakłady na
delu HBM przedstawiono ochron� od ESD zwr�ciły
poniłej. si� w 2300% [1].
Układy specjalne Podj�cie działa� ochrony
10 - 100 V od ESD uzalełnione jest
MOS - VLSI (przed 1990 r.) gł�wnie od wiedzy decyden-
100 - 300 V t�w, niekiedy opartej na na-
VLSI (wsp�łczesne) st�pujących fałszywych prze-
1000 - 3000 V słankach [1]:
Bipolarne (przed 1990 r.) - elementy przewodzące nie
400 - 6000 V są zagrołone przez ESD;
Bipolarne (wsp�łczesne) - materiały oznaczone jako
2000 - 8000 V �antystatyczne� nie gene-
Bipolarne, mocy rują ładunku;
7000 - 25000 V - problem uszkodze� od
Rezystory warstwowe ESD dotyczy jedynie ele-
1000 - 5000 V ment�w w technologii
Jak mołna wywnioskowaĘ MOS;
z powyłszych danych, wi�k- - podwyłszenie wilgotności
szośĘ wsp�łczesnych elemen- powietrza powyłej 40 %
t�w posiada zintegrowane likwiduje problem;
z układem podstawowym - jonizacja powietrza likwi-
układy zabezpieczające, duje problem;
a ściślej obniłające czułośĘ - nie ma ładnych proble-
napi�ciową na uszkodzenia m�w z ESD.
od ESD. Tak jest w istocie, Ochrona przed ESD obej-
poniewał czułośĘ element�w muje obniłanie potencjał�w
niechronionych, wykonanych elektrostatycznych w środo-
w technologiach MOS, CMOS wisku zawierającym czułe
jest na og�ł na poziomie 30 elementy, jak r�wnieł ogra-
- 200 V. niczanie prąd�w rozładowa-
Z problemem czułości na- nia ESD. Kontrola i ochrona
pi�ciowej związane są pew- przed ESD musi łączyĘ
ne mity. Jednym z nich by- w sobie:
Elektronika Praktyczna 3/2001
146
S P R Z 
T
ci elektrycznych, jak i ozna- w ubraniu spełniającym sto-
kowania. sowne wymagania. Szczeg�-
Manipulowanie elementami łowe wymagania dotyczące
czułymi na ESD dopuszcza strefy chronionej EPA poda-
si� jedynie w obszarze EPA, no w normach [6, 7].
w warunkach, kiedy urządze- Opr�cz wymaga� natury
nia, personel, płaszczyzna elektrycznej, wyposałenie
robocza, jak i wszelkie ele- wsp�łczesnego stanowiska
menty na stanowisku pracy pracy gwarantującego wyeli-
posiadają ten sam potencjał minowanie strat spowodowa-
r�wny potencjałowi ziemi. nych ESD musi spełniaĘ
W obszarze EPA zabronione wiele innych warunk�w.
jest stosowanie oraz wpro- Wśr�d nich mołna wymie-
wadzanie jakichkolwiek �r�- niĘ warunki dotyczące ergo-
deł p�l elektrycznych. Nale- nomii, modularności czy
ły pami�taĘ, łe �r�dłem ta- kompleksowości rozwiązania
kim mołe byĘ element, kt�- problemu ESD.
ry łatwo przeoczyĘ np. Takie właściwości ma li-
zwykły długopis. nia firmy TRESTON Sp.
Uproszczony schemat ob- z o.o. Poniewał proces tech-
szaru EPA, ilustrujący poda- nologiczny musi si� odby-
Rys. 3.
ne wyłej zasady ochrony waĘ w warunkach eliminują-
- edukacj� personelu; device) oraz ich wyprowa- przed ESD, przedstawiono cych ESD, materiały stoso-
- bezpieczne (w sensie ESD) dzanie ze strefy chronionej na rys. 2. Naleły zwr�ciĘ wane na stanowisku pracy,
opakowania; tzw. EPA (od ang. Electros- uwag�, łe wszystkie elemen- takie jak: płaszczyzna robo-
- bezpieczne (w sensie ESD) tatically Protected Area) ty w obszarze EPA dołączo- cza, p�łki, pojemniki, w�zki
miejsce pracy. wtedy i tylko wtedy, jeśli ne są do uziemienia przez itp. winny w kontrolowany
Podstawą ochrony przed znajdują si� w zabezpiecza- rezystor ograniczający o war- spos�b (przez rezystancj�
ESD jest wprowadzanie ele- jących je opakowaniach. tości rz�du 1 M&!. Strefa ta- ograniczającą) rozpraszaĘ po-
ment�w czułych na ESD Opakowania winny spełniaĘ ka musi byĘ odpowiednio jawiający si� czy generowa-
tzw. ESDS (od ang. Elect- określone wymagania oznakowana, a wst�p do niej ny ładunek elektryczny. Op-
roStatic Discharge Sensitive zar�wno w zakresie własnoś- posiada jedynie personel r�cz stanowiska r�wnieł pra-
Elektronika Praktyczna 3/2001
147
S P R Z 
T
cujący na nim operator wi- (za pomocą d�wigni) lub za [5]IEC 61340-3-1: [7]IEC 61340-5-1 lub
nien byĘ uziemiony. Łączy pomocą nap�du elektryczne- Electrostatics - Part 3-2: ekwiwalent PN-IEC/TR
si� to z koniecznością zasto- go regulacj� wysokości. Po- Electrostatic discharge 61340-5-1, Ochrona przed
sowania opasek nadgarstko- dobnie pojemniki na najbar- simulation - Machine elektrycznością statyczną
wych (rys. 3), krzeseł czy dziej istotne komponenty model (MM) - Component przyrząd�w elektronicz-
teł podp�rek pod nogi (rys. i akcesoria winny mieĘ moł- testing (w przygotowaniu) nych. Wymagania og�lne.
4) oraz opasek na obuwie liwośĘ łatwej regulacji usta- [6]PN-EN100015-1 Ochrona (w przygotowaniu)
o własnościach rozpraszają- wienia. przyrząd�w czułych na [8]TRESTON Sp. z o.o.
cych. Doświadczenie pokazu- Bezpieczne stanowiska wyładowania Informacja handlowa:
je, łe jedynie zastosowanie pracy firmy TRESTON odpo- elektrostatyczne. www.treston.com,
zintegrowanego systemu kon- wiadają mi�dzynarodowym Wymagania og�lne. (1998). e-mail: [e-mail]
troli rozpraszania ładunku przepisom ochrony od ESD,
pozwala bezpiecznie prowa- określonych w normie euro-
dziĘ operacje w obszarze pejskiej EN 61340-5-1, tłu-
EPA i uniknąĘ niszczącego maczonej obecnie na j�zyk
wpływu ESD. polski [ 7]. Firma TRESTON
EfektywnośĘ pracy w za- znajduje si� w rejestrze firm
kresie montału, testowania odpowiadających wymaga-
czy serwisu wymaga właści- niom ISO 9001, zaś produ-
wego zaprojektowania stano- kowane w niej wyposałenie
wiska pracy r�wnieł pod produkcyjne posiada odpo-
wzgl�dem ergonomicznym. wiedni znak bezpiecze�stwa
Liczba operacji mołliwych (TUV) [8].
do wykonania na stanowis-
ku pracy podczas jednej Literatura
zmiany jest zatem bardzo is- [1]O.J. McAteer, Electrostatic
totnie ograniczona, aby wy- Discharge Control,
miary stanowiska były moł- McGrow-Hill Publishing
liwie optymalnie dobrane do Comp. N.Y. (1989).
potrzeb operatora. WysokośĘ [2]G.S.P. Castle, Electrostatic
powierzchni pracy, p�łek, problems in the
w�zk�w, jak i innych ele- electronics industry.
ment�w wyposałenia winna Electrostatics Summer
byĘ dobrana tak, by wsp�ł- School. Dept. Of
grała z fizyczną budową ope- Electrica Eng. Univ. Of
ratora. MołliwośĘ łatwego Southampton. Sept. 1988.
i szybkiego przystosowania [3]A.G. Bailey, ESD - The
stanowiska pracy do wyma- Problems it causes in
ga� operatora jest bardzo is- Electronics. Industrial
totna w przypadku pracy Electrostatics, Hazards,.
zmianowej, zwłaszcza gdy Southampton, 1990.
budowa fizyczna kolejnego [4]DOD Standard 1686
operatora odbiega znacznie (1980) lub IEC 61340-3-1:
od pracującego na wcześniej- Electrostatics - Part 3-1:
szej zmianie. Mi�dzy inny- Electrostatic discharge
mi pod tym kątem zostały simulation - Human body
opracowane stanowiska pra- model (HBM) -
cy firmy TRESTON, w kt�- Component testing
rych przewidziano r�czną (w przygotowaniu)
Rys. 4.
Elektronika Praktyczna 3/2001
149