ESD

Les bases de l’ESD

Les bases de l’ESD

DECHARGES ELECTROSTATIQUES (ESD)

Les concepts de base

5/04

• De la sensibilité et de la susceptibilité des composants,• Des procédés de fabrication utilisés et des modes de contraintes induits.

• La sensibilisation de tous les intervenants,

Maîtrise des E S D Sensibilisation

• La maîtrise des ESD,

• La mise en place de méthodes et des moyens de lutte contre les ESD.

•Page modifiée ESD Conseils

• Implique :

• Passe par la connaissance :

Triboélectricité

• Quand deux surfaces en contact se séparent :

• Des électrons se déplacent créant un déséquilibre des charges.

Une surface présente une Charge Positive & Une surface présente une Charge Négative. Pratiquement tous les matériaux peuvent se charger par tribo-électricité (sauf deux matériaux conducteurs ensembles).

Génération des Charges Electro-Statiques :Génération des Charges Electro-Statiques :

Exemples de Décharges Electrostatiques ou ESD

• Eclair • Décharge “Humaine”

106 KWs 103 Ws/g 0,1mWs

1 t 10-7 g

ESD ou Décharge ElectroStatiqueESD ou Décharge ElectroStatique

• Les charges tendent/cherchent à s’équilibrer• La décharge est rapide voire très rapide• L’ESD Création de chaleur

Matériaux Conducteurs trois types Matériaux Conducteurs trois types

• Le courant circule facilement• Ils peuvent être reliés à la masse• Ils peuvent être déchargés• Exemples :Métaux, Personnes,Plastiques chargés carbone.

Matériaux dissipatifsMatériaux dissipatifs

• Le courant circule lentement,• Ils peuvent être reliés à la masse,• Ils peuvent être déchargés sans risque,•Ils sont préférés aux matériaux conducteurs, car les décharges lentes enregistrées limitent les risques liés aux ESD (suppression du “contact métal”).• Exemples :

Revêtements de table, de sol,Surfaces de certains sacs métallisés,Emballages.

• Le courant électrique ne s’écoule pas facilement• Ne peuvent pas être déchargés par conduction• Exemple : Matières Plastiques : Typiquement très aptes à la charge.

Matériaux Isolants deux typesMatériaux Isolants deux types

Fortes Chargesfréquemment généréesFortes Chargesfréquemment générées

• Marcher sur une moquette : 1.500 – 35.000 volts1.500 – 35.000 volts

• Marcher sur un revêtement vinyle non traité : 250 – 12.000 volts250 – 12.000 volts

• Enveloppe Vinyle utilisée pour les instructions : 600 – 7.000 volts600 – 7.000 volts

• Opérateur à son établi : 700 – 6.000 volts700 – 6.000 volts

• Dérouler un ruban adhésif std : 9.000 – 15.000 volts9.000 – 15.000 volts

• Le niveau d’acquisition des charges est fortement dépendant de la nature des matériaux, du taux d’humidité, de la pression et de la vitesse de séparation.

Classification et sélection des matériaux, des matériels

Z (ohm)10-1 105101 109 1012

Conducteurs Dissipatifs Astatiques Isolants

Autorisé en zone de production

Non autorisé en zone de production

Inox, cuivre, acier, fer, réglettes conductrices, boite d’emballage (plastique chargé carbone), opérateurs.

Revêtement de sol, tapis de table , chaises, gants, sacs métallisés.

Sacs, feuille, Pink poly /, réglette, sacs antistatique permanent

1020

Matériaux Isolants Matériaux générateurs

L’utilisation d’un matériau isolant peut conduire à la nécessité de l’ionisation pour éliminer les charges électrostatiques (câbles électriques / substrat céramique ….).

Préféré en zone de productionContact Métal

Caractérisation et Sélection des matériaux

• Fréquemment seul le paramètre de résistance est utilisé pour caractériser et sélectionner un matériau, mais cela peut s’avérer insuffisant notamment pour les revêtements de sol et ou dans le cas de séparations rapides des matériaux en contact.

• Pour les cas critiques il est impératif de faire des mesures dans les conditions d’utilisation.

• Les impédances des matériaux dissipatifs varient entre > 105 et < 1012 ohm; leurs performances sont notablement différentes d’une extrémité à l’autre de la gamme. Suivant les normes cette gamme peut être divisée en deux catégories dissipatifs/astatiques.

Caractérisation et Sélection des matériaux

• Pour les revêtements de sol, les mesures sont à réaliser conformément aux normes suivantes :

• Floor Materials and Footwear- Resistance Measurement in combination with a Person

ESD STM STM 97-1

• Floor Materials and Footwear- Voltage Measurement in combination with a Person

ESD STM STM 97-2*• *Note :

• Une norme Européenne équivalente est en cours d’élaboration depuis 2003; IEC 61340-4-X.

Mais pour ressentir une Décharge, le

niveau de tension dû à la charge initiale doit être de

~3.000 volts

Mais pour ressentir une Décharge, le

niveau de tension dû à la charge initiale doit être de

~3.000 volts

Les décharges ESD liées aux personnes sont fréquentesLes décharges ESD liées aux personnes sont fréquentes

Une ESD non ressentie par une personne peut facilement endommager un composant électronique

Une ESD non ressentie par une personne peut facilement endommager un composant électronique

Une ESD de 100 volts ou moins peut dégrader

un composant !

Une ESD de 100 volts ou moins peut dégrader

un composant !

• Une ESD peut se produire en l’absence de contact direct.

• Certains composants ont une tenue aux ESD < 10 V ! …..

Sensibilité des composants électroniques (ESDS) aux ESDESD

• ESD Class 1 : Décharge qui ne peut pas être ressentie :

• ESD Class 2 : Décharge qui peut éventuellement être ressentie :

• ESD Class 3 : Décharge qui peut être probablement ressentie comme une étincelle sur votre corps : 200 to 1.999 Volts200 to 1.999 Volts

2,000 to 3.999 Volts2,000 to 3.999 Volts

4.000 to 15.999 Volts4.000 to 15.999 Volts

• ESD Class 0 : Décharge qui ne peut pas être ressentie :

0 to 199 Volts0 to 199 Volts

• Modèle Humain (HBM) Norme américaine : Human Body Model

Sensibilité d’un composant électronique (ESDS) aux ESD

• ESD Class M2 :

• ESD Class M3 :

• ESD Class M4 : 100 < 200 Volts100 < 200 Volts

200 à < 400 Volts200 à < 400 Volts

> ou = 400 Volts> ou = 400 Volts

• ESD Class M1 : 0 à < 100 Volts0 à < 100 Volts

• Modèle Machine (MM)Norme américaine : Machine Model

Sensibilité d’un composant électronique (ESDS) aux ESD

• ESD Class C2 :

• ESD Class C3 :

• ESD Class C4 :

• ESD Class C5 :

• ESD Class C6 :

• ESD Class C7 :

125 à < 250 Volts125 à < 250 Volts

250 à < 500 Volts250 à < 500 Volts

500 à < 1000 Volts500 à < 1000 Volts

• ESD Class C1 : < 125 Volts< 125 Volts

• Modèle Corps chargé CDMNorme américaine : CDM Charged Device Model

1000 à < 1500 Volts1000 à < 1500 Volts

1500 à < 2000 Volts1500 à < 2000 Volts

> 2000 Volts> 2000 Volts• Dans cette configuration, c’est le composant qui est chargé ; la décharge se produit lors d’un contact avec la masse.

• En fonction de leur technologie et / ou de leur conception les composants peuvent être sensibles (susceptibles) aux contraintes suivantes :– A l’énergie dissipée (jonction).

• Les composants sensibles à l’énergie sont appelés « Energy Susceptible Devices ».

– A la tension (MOSFET). • Les composants sensibles à la tension sont

appelés « Voltage Susceptible Devices (VS Devices ) ». Pour ce type de composants une surtension initie le phénomène (claquage en tension), l’énergie dissipée crée le défaut comme pour un composant susceptible à l’énergie.

Susceptibilité des composants

Un MOSFET non protégé est nominalement sensible aux contraintes de tension. S’il est protégé par une jonction il devient sensible à l’énergie des contraintes de Type HBM par exemple.

Une contrainte CDM est tellement rapide (d ~2ns) que la jonction peut être inopérante et dans ce cas on peut avoir un percement de l’oxyde (punch through) sur des MOS protégés ou non y compris sur des MOS de puissance.

Susceptibilité des composants

R = 1.5 K ohmC = 100 pf

Human Body Model (ESD – STM5.1)

Cd = 15 pf Ld = 10 nH Rd = 25 ohm

Charged Device Model (ESD STM.5-3-1)

Model 5 (nano-seconds)

P

(Watts)

HBM50 750 ~2

CDM7.5 ~10 750

Stored energy (micro-joules)

Dissipation Human body versus Charged devices

0.5 nH

C = 200 pf

Machine Model ESD STM 5.2

ESD : Modèles Electriques

Composants, Schéma Synoptique

« Cœur » assurant la fonction

Interface d’entrée Protection Latch up / ESD

Interface de sortie, Protection Latch-up / ESD

Boîtier

Entrée

Puce

Sortie

En conception, l’objectif habituel de tenue aux ESD en mode humain, HBM, est la classe 2 (> 2000 V). Pour les modes MM et CDM, les objectifs sont respectivement 200 V et 750 V. Les réseaux de protection sont étudiés pour avoir les meilleures performances possibles mais ils doivent rester compatibles, avec les performances attendues du circuit. C’est toujours le résultats de compromis !…

Les conducteurs fins peuvent facilement être endommagésLes conducteurs fins peuvent facilement être endommagés

Plus l’intégration des composants est élevée plus la sensiblité aux ESD risque d’être grande. Les dégradations sur les

composants ne peuvent pas être vues à l’œil nu.

• Circuit Intégré

• A plus fort grossissement le trou dans la surface entre la base et l’émetteur devient plus évident.

• A ce grossissement,

seule est visible, la piste détruite sur la moitié de sa largeur.

Types de dégradations engendrés par des ESDTypes de dégradations engendrés par des ESD

• Défaut latent

Composant dégradé

Mais passe les tests

• Panne létale Défaut permanent

détectable en tests

Défauts latents plus coûteux

•Passe les tests :•Au niveau sous ensemble, •Au niveau ensemble fonctionnel,•Au niveau produit fini.

•Fonctionne un temps chez le client ;•Pannes intermittentes & Problèmes inexpliqués;• Plus de retours clients ;• Un coût de garantie plus élevé ;• Satisfaction clients en baisse.

Comme les microbes, les ESD sont un ennemi caché

Maîtrise des infections

Maîtrise des infections

En médecine, la solution passe par la stérilisation

Nous devons développer la même attitude contre les ESD

Maîtrise des ESDMaîtrise des ESD

Les préalables à la maîtrise des ESD

• Créer et Identifier des zones anti ESD (EPA*) ;• Identifier les composants sensibles aux ESD ;• Sensibiliser le personnel ;

contre les risques ESD.

• *EPA :

Electrostatic Protected Area

Les Bases de la maîtrise des ESD

•La suppression des risques liés aux ESD passe par l’application de deux règles.

• Limitation des charges,

• Maîtrise des Décharges Pas de contact “Métal”.

•La mise en place d’un plan de lutte contre les ESD passe par :

• La connaissance de la sensibilité et la susceptibilité des composants traités.• La connaissance des procédés de fabrication mis en œuvre et les modes de décharges induits.

Les Bases de la maîtrise des ESD

• Les conducteurs seront reliés à la masse.

• Les emballages des ESDS assureront le blindage quand ceux-ci seront stockés ou transportés hors des EPA.

• Les isolants ou les composants isolés seront neutralisés à l’aide d’ioniseurs.

• Les décharges seront maîtrisées, suppression du contact « métal ».

• Bracelet conducteur

Mise à la masse des conducteursy compris les personnes

• Chaussures conductrices ou talonnettes conductrices

• La fonctionnalité de ces éléments sera garantie par un contrôle journalier*.

• *Pour le bracelet on peut préférer un contrôleur permanent de bracelet.

Dans les EPA connecter tous les conducteurs à la terre

• Surface de travail dissipative– Relier les surfaces de travail ESD à la terre via un cordon de mise à la masse des tapis.

• Tapis conducteurs– Relier les tapis ESD à la terre via un cordon de mise à la masse des tapis.

Neutraliser les isolants par Ionisation

• Les flux d’air des ioniseurs neutralisent les éléments chargés.

• Les isolants chargés ne peuvent se décharger par une liaison à la terre et génèrent des champs parasites.

• Un composant placé dans un champ parasite peut se charger lors d’un contact avec un élément à la terre (CDM). Le composant se trouve alors chargé !……

Hors EPA les composants sensibles aux ESD seront protégés par blindage

Cage de FaradayCage de Faraday • Fermer les emballages métallisés,

• Fermer les boites conductrices.

Les charges sont maintenues à l’extérieur des emballages :

Produits de protection ESD :Les versions de remplacement doivent être dissipatives et reliables à la terre.

• Blouses et gants “ESD”.

Eliminer les éléments isolants ou les remplacer par des versions “ESD”.

• Mousses conductrices & Shunts conducteurs.

• Rubans astatiques ou à faibles charges.

• Classeurs & Protège documents dissipatifs.

• Cires Dissipatives (Floor Finishes).

• Revêtements de sol Dissipatifs Conducteurs (à faible acquisition de charge).

Vous êtes en première ligne pour combattre cet ennemi caché

• Tester bracelets et chaussures conductrices tous les jours.• Le serrage du bracelet doit rester efficace mais confortable.• Les bandes conductrices des talonnettes de liaison à la terre doivent être placées dans les chaussures.• Les blouses ESD doivent être boutonnées, les manches doivent recouvrir les vêtements.

• Garder les surfaces de travail propres et exemptes d’isolants susceptibles de se charger.• Ouvrir un produit emballé sur une surface de travail anti ESD.• Contrôler visuellement tous les cordons de mise à la terre pour s’assurer qu’ils sont correctement connectés.• Seules les personnes forméesou accompagnées sont autorisées dans les EPA.


• S’assurer que :Les ioniseurs sont calibrés

(temps de décharge, balance) ; Le flux d’air n’est pas perturbé.• Utiliser des emballages type cage de faraday pour les ESDS quand ils sont stockés ou transportés hors des EPA.


Documents de référence pour la maîtrise des ESD

• Documents de référence pour la mise en oeuvre d’un plan de lutte contre les ESD :

• Protection des dispositifs électroniques contre les phénomènes électrostatiques :

•Prescriptions générales : CEI 61 340 - 5- 1, •Guide d’utilisation : CEI 61 340 - 5- 2.

• Protection of Electrical and Electronic parts, assemblies and Equipments : ANSI ESD 2020.

• Pour ces documents, les règles mentionnées se rapportent à des composants, des équipements dont la tenue aux ESD n’est pas inférieure à 100 V. Pour des composants plus sensibles des précautions supplémentaires sont à prévoir.

Cinq règles de base pour la maîtrise des ESD

• 1- Relier à la terre tous les éléments conducteurs y compris le personnel, travailler dans des EPA.

• 3 - Utiliser des emballages type “cage de faraday “ pour les ESDS quand ils sont stockés ou transportés hors des EPA.

• 2 - Neutraliser les isolants et composants isolésavec des ioniseurs ou supprimer les contacts “métal”.

• 4 - Contrôler régulièrement les moyens de lutte contre les ESD (Audit).

• 5 – S’assurer que vos fournisseurs, sous- traitants et clients appliquent ces règles.

• 1 Mise en place d’une organisation adaptée à la taille de l’entreprise.

Plan de lutte contre les ESD

Elle peut comprendre :

• Un coordinateur ESD, expert du domaine, chargé, des audits et de la sensibilisation des personnels.

• Des correspondants locaux chargés de s’assurer du respect des consignes, du bon fonctionnement des moyens en place, de remonter les problèmes auprès du coordinateur.

• 5 – Audits / évaluation.

Plan de Lutte contre les ESD

• 2 – Mise en place d’une documentation adaptée.

• Elle doit comprendre cinq types de documents :

• 1 – Sensibilisation / formation, certification,

• 2 – Spécifications / guides,

• 3 – Consignes,

• 4 – Contrôles,

ESD BASICS

ESD BASICS

BASIC CONCEPTS IN ELECTROSTATIC DISCHARGE (ESD)