Перейти к содержанию

Рабочее место с защитой от статики

Микросхему с защитой ±1000 В по HBM убивает не удар молнии, а прикосновение человека, который только что встал со стула. Разбираем по документам ESD Association, TI и Desco, из чего состоит рабочее место с защитой от статики, какие у его элементов пределы сопротивления и как в маленькой лаборатории каждый день проверять, что защита работает.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Рабочее место с защитой от статики (ESD-защищённая зона, EPA — electrostatic protected area) — стол, на котором все проводящие предметы и сам человек соединены с одной точкой заземления, изоляторы убраны или нейтрализованы, а платы и микросхемы переносят в экранирующей таре. Цель одна: держать микросхему и всё, что её касается, при одном потенциале, тогда разряду некуда течь (TI SSYA010, разд. 3.3). Требования к такой зоне сведены в стандарт ANSI/ESD S20.20 и технически равноценный ему международный IEC 61340-5-1.

Коротко

Браслет
резистор 1 МОм, система < 35 МОм
Рабочая поверхность
< 10⁹ Ом к земле (S20.20), от 10⁶ Ом (ESDA)
Заземление
одна общая точка, соединённая с PE
Ионизатор
баланс лучше ±35 В
Пакет вне зоны
экранирующий, < 20 нДж
Проверка
браслет — каждый день, 0,75–10 МОм

Почему микросхемы гибнут от статики

Человек заряжается, когда подошвы отрываются от пола, а одежда трётся о стул. Насколько сильно — зависит от влажности воздуха:

Источник заряда10–25 % влажности65–90 % влажности
Ходьба по ковру35 000 В1500 В
Ходьба по виниловой плитке12 000 В250 В
Работник за столом6000 В100 В
Полиэтиленовый пакет, взятый со стола20 000 В1200 В
Стул с поролоновым сиденьем18 000 В1500 В

Таблица — типичные значения из «Fundamentals of ESD» ESD Association (ч. 1, табл. 1). Сухой зимний воздух в отапливаемом помещении — это левая колонка.

Разряд повреждает кристалл тремя путями: заряженный человек касается вывода (модель HBM), заряженная микросхема касается металла (модель CDM) или поле заряженного предмета наводит заряд на изделие, и оно разряжается, когда его заземляют. Опасен не только мгновенный отказ. TI называет «ходячими ранеными» микросхемы, которые после слабого разряда работают и укладываются в даташит, но с повышенной утечкой; следующий разряд их добивает, а отбраковать такие приборы на практике нельзя (SSYA010, разд. 2.1). Вывод TI — защищать приборы нужно постоянно, а не только на опасных операциях; ESD Association при этом оговаривает, что понятие скрытого отказа в отрасли спорное.

Что значит строка ESD Ratings в даташите

В таблице ESD Ratings производитель указывает уровни, которые вывод выдержал при испытании: например, TLC556 от TI — ±1000 В по HBM (ANSI/ESDA/JEDEC JS-001) и ±1000 В по CDM (JS-002). В примечании TI цитирует документы JEDEC: JEP155 — 500 В по HBM, JEP157 — 250 В по CDM «позволяют безопасное производство со стандартной программой защиты от статики». То есть ±1000 В — не запас на небрежность, а условие, что на рабочем месте эта программа есть. Что именно измеряют испытания, разобрано в статьях «ESD», «HBM» и «CDM», а защита выводов готового устройства от разряда по IEC 61000-4-2 — в схеме защиты USB и статье «Устойчивость к ESD».

Классы чувствительности, на которые ссылаются программы защиты:

МодельКлассы и пороги выдерживаемого напряжения
HBM, JS-0010Z < 50 В; 0A 50–125 В; 0B 125–250 В; 1A 250–500 В; 1B 500–1000 В; 1C 1000–2000 В; 2 2000–4000 В; 3A 4000–8000 В; 3B ≥ 8000 В
CDM, JS-002C0A < 125 В; C0B 125–250 В; C1 250–500 В; C2A 500–750 В; C2B 750–1000 В; C3 ≥ 1000 В

ANSI/ESD S20.20 рассчитан на изделия, выдерживающие 100 В по HBM и 200 В по CDM (ESD Association, ч. 2). Для более чувствительных приборов — классов 0Z и 0A — нужны дополнительные меры и более частые проверки (ч. 5).

Из чего состоит ESD-рабочее место

Рабочее место с защитой от статики: заземление коврика, браслета и паяльникаРассеивающий коврик на столе, браслет оператора и паяльная станция соединены с одной точкой общего заземления, а она — с защитным проводником PE розетки. В шнуре браслета последовательно стоит резистор 1 МОм. Сопротивление коврика относительно земли — меньше 10⁹ Ом по S20.20, ESD Association рекомендует не меньше 10⁶ Ом, сопротивление системы «человек — браслет — шнур» меньше 35 МОм. Над столом — ионизатор с балансом лучше ±35 В для изоляторов, которые нельзя заземлить; платы лежат в экранирующем пакете.Ионизаторбаланс лучше ±35 Вковрик: < 10⁹ Ом к земле (S20.20); ESDA рекомендует от 10⁶ ОмПаяльнаястанцияПлатаПакетэкранирующийсетевая вилка с PEпровод коврикаОператорбраслет на запястьешнур браслетаR11 МОмсистема браслета < 35 МОмТочка общего заземлениязащитный проводник PE розетки
Рабочее место с защитой от статики: коврик, браслет оператора и паяльная станция соединены с одной точкой общего заземления, а она — с защитным проводником PE розетки; ионизатор нейтрализует изоляторы, которые нельзя заземлить

TI в SSYA010 (разд. 3.3) формулирует одно главное правило — держать микросхемы и всё, что рядом с ними, при потенциале ESD-земли — и четыре дополнительных: человек заземлён, рабочая поверхность рассеивающая и заземлённая, изоляторы убраны или нейтрализованы, изделия хранятся и переносятся в экранирующей таре. Пределы для каждого элемента берут из S20.20; ниже — в том виде, в каком их приводят ESD Association и отчёты Desco о квалификации изделий. Где ESD Association даёт рекомендацию сверх требования стандарта, это отмечено.

ЭлементТребованиеЧем проверяют
Браслет со шнуром0,8–1,2 МОмANSI/ESD S1.1
Система «человек — браслет — шнур»меньше 35 МОмтестер браслетов, ежедневно
Рабочая поверхность (коврик)S20.20: меньше 10⁹ Ом к точке заземления и между точками; ESD Association рекомендует 10⁶…10⁹ Ом к землетераомметр, 100 В, ANSI/ESD STM4.1
Пяточный заземлитель на рассеивающем полуменьше 10⁹ Ом, при ходьбе меньше 100 ВSTM97.1, STM97.2
Ионизаторбаланс лучше ±35 В, время разряда задаёт пользовательзаряженная пластина ±1000 В
Экранирующий пакетменьше 20 нДж внутрь при разрядеANSI/ESD STM11.31

Точка общего заземления. Все проводники и рассеивающие материалы, включая людей, соединяют с одной точкой, а её — с защитным проводником PE сетевой розетки, к которому уже подключены паяльная станция и приборы. Если коврик заземлить на трубу, а паяльник — через вилку, между жалом и платой может появиться разность потенциалов (ESD Association, ч. 3). Вспомогательную землю допускается использовать, только соединив её с PE.

Рабочая поверхность. Рассеивающий коврик отводит заряд с положенных на него плат, но не мгновенно. S20.20 задаёт только верхний предел — меньше 10⁹ Ом к точке заземления и между двумя точками (STM4.1, 100 В; отчёт SCS 8900): он гарантирует, что заряд стекает. Нижнюю границу 10⁶ Ом рекомендует ESD Association (ч. 3): тогда заряженная микросхема не разрядится на поверхность резко, как на металл, — ток разряда заряженного прибора ограничивает именно рассеивающий материал (ч. 2 и 3). Квалификацию ковриков ведут и при 12 % влажности: рассеивающий материал должен работать в сухом воздухе (отчёт SCS 8900).

Люди. Сидящего оператора заземляют браслетом, стоящего — браслетом или системой «обувь — пол»; пяточные заземлители надевают на обе ноги (S20.20 разд. 8.2 и ESD TR20.20 разд. 5.2.3 в цитате Desco). Синтетическую одежду закрывают антистатическим халатом, перчатки и напальчники применяют только рассеивающие или проводящие, но не изолирующие (ESD Association, ч. 3, раздел Gloves and Finger Cots).

Изоляторы и ионизатор. Пластиковый корпус, плёнку или пенопласт нельзя заземлить — заряд по ним не стекает. Их убирают со стола, а если без них нельзя, нейтрализуют ионизатором: он выдувает поток положительных и отрицательных ионов. S20.20 (разд. 8.3) требует, чтобы при поле от необходимого изолятора больше 2000 В на дюйм его отодвигали на 30 см от изделия или нейтрализовали (Desco TB-3031). Ионизатор не заменяет заземление, а дополняет его.

Упаковка. Внутри защищённой зоны тара должна мало заряжаться и быть рассеивающей или проводящей, за её пределами — ещё и экранировать разряд (ANSI/ESD S541 в пересказе ESD Association). Экранирующий пакет SCS 81705 при испытании по STM11.31 пропускает внутрь меньше 20 нДж. Слово «антистатический» в названии пакета само по себе об экране не говорит: смотрите, заявлена ли в документации защита от разряда (discharge shielding).

Браслет и резистор 1 МОм

В шнур браслета у самого браслета впаян резистор, обычно 1 МОм, мощностью не меньше 1/4 Вт и на рабочее напряжение 250 В (ESD Association, ч. 3). Он не мешает стечь заряду, но ограничивает ток, если рука коснётся цепи под напряжением.

Пример (наш расчёт). Ёмкость человека возьмём как в модели HBM — 100 пФ, напряжение — 6000 В, как у работника за столом в сухом воздухе.

  • Без браслета, разряд на вывод через 1500 Ом модели HBM: начальный ток 6000/1500 = 4 А — ровно те 0,67 А на киловольт, что указывает ESD Association для HBM.
  • Через браслет 1 МОм постоянная времени τ = RC = 106 · 100 · 10−12 = 100 мкс. До 100 В тело разрядится за
t=τln⁡6000100≈100 мкс⋅4,1≈0,41 мс,t = \tau \ln\frac{6000}{100} \approx 100\ \text{мкс} \cdot 4{,}1 \approx 0{,}41\ \text{мс},

а начальный ток — всего 6 мА.

  • Даже на верхнем пределе системы 35 МОм: τ = 3,5 мс, разряд до 100 В — около 14 мс, человек этого не заметит.
  • При случайном касании 250 В через резистор течёт 250/106 = 0,25 мА, а рассеивается 2502/106 = 62,5 мВт — вчетверо меньше номинала 1/4 Вт.

Поэтому браслет без резистора, «прямой провод на землю», опасен для человека, а с цепями 250 В и выше браслет не применяют вовсе (ESD Association, ч. 3). Работы на платах под сетевым напряжением делают с отключённым питанием.

Минимальное рабочее место в лаборатории и дома

  1. Рассеивающий коврик на стол с проводом заземления.
  2. Браслет со шнуром, в котором есть резистор 1 МОм.
  3. Точка общего заземления — колодка или вилка, подключённая к защитному контакту розетки; к ней — провод коврика и шнур браслета. Розетка без заземляющего контакта не годится.
  4. Паяльная станция с вилкой с заземлением: ESD Association требует трёхпроводную вилку для всего инструмента с питанием, а ручной инструмент заземляется через коврик и руку.
  5. Экранирующие пакеты для плат и микросхем, которые уносят со стола.
  6. Тестер браслетов — проверка перед началом работы.

Микросхемы из экранирующей упаковки достают, только надев браслет и положив упаковку на коврик. Чувствительные к влаге корпуса после вскрытия пакета подчиняются ещё и правилам MSL, это отдельное ограничение.

Как проверять

Браслет — каждый день. ANSI/ESD S1.1 (прил. A3, в цитате Desco) рекомендует проверять систему браслета ежедневно; на постоянной работе вместо неё ставят монитор, который следит за цепью непрерывно (ESD Association, ч. 3). Портативный тестер Desco TB-3017 подаёт 4 В и показывает «годен», если сопротивление цепи «кожа — браслет — шнур» от 750 кОм до 10 МОм. Нажимая кнопку, пальцем касаются металлического кольца вокруг неё и ничего другого металлического. LOW значит, что сопротивление меньше 750 кОм, HIGH — больше 10 МОм; Desco советует в этом случае проверить браслет и то, как он надет, и при необходимости заменить его, а HIGH бывает и из-за сухой кожи. Вероятные причины (наша оценка): HIGH — обрыв шнура внутри изоляции или неплотно затянутый браслет, LOW — неисправный резистор.

Коврик и заземление — периодически. Сопротивление поверхности к точке заземления измеряют тераомметром при испытательном напряжении 10 или 100 В (ESD Association, ч. 4). Для ионизаторов меряют баланс и время разряда заряженной пластиной от ±1000 В, чистят иглы и повторяют замер (Desco TB-3031, ESD TR53).

Люди — раз в год. В программе TI все, кто работает с чувствительными микросхемами, проходят углублённое обучение при приёме и затем не реже раза в год (SSYA010, разд. 3.3.2).

Типичные ошибки

  • Браслет на шнуре, болтающемся в воздухе, или надетый поверх рукава. Цепь не замкнута — тестер покажет HIGH.
  • Коврик, заземлённый «куда-нибудь»: на батарею, на корпус компьютера без PE. Земля коврика и паяльника должна быть общей.
  • Пластиковые коробки, плёнка и пенопласт на коврике. Изолятор заряжается и наводит поле, коврик его не разряжает.
  • Розовый пакет вместо экранирующего для переноски плат между помещениями.
  • Проверка «раз в полгода» вместо ежедневной: шнур браслета ломается внутри изоляции незаметно.
  • Браслет при работе с сетевыми цепями — нарушение требования ESD Association о цепях 250 В и выше.
  • Надежда на влажность. Увлажнённый воздух снижает напряжения (табл. выше), но не делает рабочее место защищённым: заземление нужно при любой погоде.

После сборки и пайки плату отмывают и, если она будет работать во влажной среде, покрывают лаком — этому посвящена статья «Отмывка платы и влагозащитный лак». Остальные темы монтажа — в разделе «Монтаж и пайка».

Частые вопросы

Зачем в антистатическом браслете резистор 1 МОм?

Он ограничивает ток через человека. ESD Association пишет, что резистор обычно 1 МОм, мощностью не меньше 1/4 Вт и на рабочее напряжение 250 В: при случайном касании 250 В через него течёт 0,25 мА. Заряд тела при этом уходит за доли миллисекунды. По той же причине браслет нельзя надевать при работе с цепями 250 В и выше.

Можно ли подключить браслет к батарее отопления или к минусу схемы?

Нет. Браслет, коврик и паяльник соединяют с одной точкой общего заземления, а её — с защитным проводником PE розетки. ESD Association предупреждает: если паяльник заземлён через сеть, а коврик на другую землю, между жалом и платой возникает разность потенциалов, опасная для микросхем.

Как проверить антистатический браслет?

Тестером браслетов перед началом работы: у Desco TB-3017 проверка проходит, если сопротивление цепи «рука — браслет — шнур» от 750 кОм до 10 МОм. Отказ HIGH — повод проверить, плотно ли сидит браслет и цел ли шнур; Desco отмечает, что он бывает и из-за сухой кожи. Отдельно шнур с браслетом должен давать 0,8–1,2 МОм, а вся система — меньше 35 МОм.

Чем экранирующий пакет отличается от розового антистатического?

По ANSI/ESD S541 внутри защищённой зоны достаточно малозаряжающейся рассеивающей тары, а для хранения и перевозки вне её нужна защита от разряда. Экранирующий пакет SCS 81705 по испытанию STM11.31 пропускает внутрь меньше 20 нДж энергии разряда. Экранирует от разряда и материал с поверхностным сопротивлением не больше 10³ Ом по STM11.11 (или объёмным не больше 10³ Ом·см по STM11.12) — это первый способ подтвердить экран, испытание STM11.31 — второй (ESD Association, ч. 3). Розовый рассеивающий пакет с сопротивлением 10⁴…10¹¹ Ом ни тому, ни другому не соответствует и экраном не является.

Нужен ли ионизатор в домашней мастерской?

Только если на столе неизбежно есть изоляторы, которые нельзя заземлить: пластиковые корпуса, плёнка, детали из оргстекла. Заземление людей и проводящих предметов ионизатор не заменяет. Если поле от такого предмета больше 2000 В на дюйм, S20.20 требует отодвинуть его на 30 см от изделия или нейтрализовать ионизатором; баланс ионизатора — лучше ±35 В.

Источники

  1. ESD Association. Fundamentals of Electrostatic Discharge, parts 1–5 (© 2020) — ч. 1, табл. 1: напряжение статики при 10–25 % и 65–90 % относительной влажности — ходьба по ковру 35 000 и 1500 В, по виниловой плитке 12 000 и 250 В, работник за столом 6000 и 100 В, полиэтиленовый пакет, взятый со стола, 20 000 и 1200 В, стул с поролоном 18 000 и 1500 В; по ESD ADV1.0 изолятор — от 10¹¹ Ом, проводник — меньше 10⁴ Ом, рассеивающий материал — от 10⁴ до 10¹¹ Ом; скрытый отказ — неисправность после периода нормальной работы, понятие спорное; многие приборы повреждаются ниже 100 В; ч. 2: S20.20 и IEC 61340-5-1 задают программу для изделий, чувствительных к 100 В HBM и 200 В CDM; изоляторы, которые нельзя убрать, нейтрализуют ионизатором; ч. 3: все проводники и рассеивающие материалы, включая людей, соединяют с точкой общего заземления, а её — с защитным проводником сети; вспомогательная земля должна быть соединена с ним, иначе между паяльником и платой возможна разность потенциалов; резистор в шнуре браслета — обычно 1 МОм, не меньше 1/4 Вт, рабочее напряжение 250 В; при работе с цепями 250 В и выше браслет не применять; браслет проверять ежедневно или постоянным монитором; сидящий оператор заземляется браслетом; рабочая поверхность — 10⁶…10⁹ Ом к земле; одежда категории 3 — меньше 35 МОм; перчатки и напальчники только рассеивающие или проводящие; инструменты с питанием — с вилкой с заземлением, ручной инструмент заземляется через поверхность и человека; упаковка внутри EPA — малозаряжающаяся и рассеивающая или проводящая, вне EPA — ещё и экранирующая от разряда: поверхностное сопротивление не больше 10³ Ом по STM11.11 или испытание пакета по STM11.31; рассеивающий материал — от 10⁴ до 10¹¹ Ом; ч. 4: сопротивление измеряют при 10 или 100 В тераомметром, нужен и измеритель электростатического поля; ч. 5: HBM — 100 пФ через 1500 Ом, фронт 2–10 нс, пиковый ток 0,67 А на киловольт; CDM — разряд короче 1 нс с пиковым током в десятки ампер; классы HBM по JS-001 (0Z < 50 В … 3B ≥ 8000 В) и CDM по JS-002 (C0A < 125 В … C3 ≥ 1000 В)
  2. Texas Instruments. Diep T., Cline R. Electrostatic Discharge (ESD), SSYA010A (June 2014) — разд. 2.1: скрытые дефекты («ходячие раненые») — рост утечки или снижение обратного пробоя при работе в пределах даташита, практического способа отбраковки нет; разд. 3.3: главное правило — держать микросхемы и всё рядом с ними при потенциале ESD-земли; человек заземлён браслетом или обувью с проводящим или рассеивающим полом; рабочая поверхность рассеивающая и заземлённая; изоляторы убрать или нейтрализовать ионизатором, синтетическую одежду закрыть халатом; хранение и перевозка — в экранирующей таре с рассеивающей внутренней поверхностью; разд. 3.3.2: обучение при приёме и не реже раза в год
  3. Texas Instruments. TLC556x Dual CMOS Timers, SLFS047D (revised March 2026) — разд. 5.2: HBM ±1000 В по ANSI/ESDA/JEDEC JS-001, CDM ±1000 В по JS-002; примечания: JEDEC JEP155 — 500 В HBM позволяют безопасное производство со стандартной программой защиты от статики, JEP157 — 250 В CDM; разд. 7.1.1: встроенная защита позволяет безопасный монтаж в ESD-защищённой среде
  4. Desco Industries. Qualification Report ANSI/ESD S20.20 — Desco Dual-Wire Metal Expansion Wrist Strap (19866) — требования S20.20 по методам ANSI/ESD S1.1: браслет со шнуром 0,8…1,2 МОм, внутренняя поверхность браслета меньше 10⁵ Ом, наружная больше 10⁷ Ом, система «человек — браслет — шнур» меньше 3,5 · 10⁷ Ом (35 МОм); измерено при 10–100 В
  5. Desco Industries. Portable Wrist Strap Tester, Technical Bulletin TB-3017 (March 2022) — ANSI/ESD S1.1, прил. A3: систему браслета проверять ежедневно; «годен» при сопротивлении цепи от 750 кОм до 10 МОм, иначе LOW или HIGH; испытательное напряжение 4 В постоянного; при проверке касаться металлического кольца вокруг кнопки и не касаться другого металла; отказ HIGH бывает из-за сухой кожи; калибровка раз в год
  6. Desco Industries. Qualification Report ANSI/ESD S20.20 — SCS 8900 Series Dissipative Rubber Mat — требование S20.20 к рабочей поверхности: сопротивление к точке заземления и между точками меньше 10⁹ Ом по ANSI/ESD STM4.1 при 12 и 50 % относительной влажности, 23 °C, испытательное напряжение 100 В; измерено 1,25 · 10⁶ … 7,2 · 10⁷ Ом
  7. Desco Industries. Chargebuster Overhead Ionizer, Technical Bulletin TB-3031 (February 2025) — официальный файл Desco, сверен с редакцией December 2019 — числа совпадают; требование S20.20 к балансу (напряжению смещения) ионизатора — меньше ±35 В по ANSI/ESD STM3.1 и ESD TR53, время нейтрализации задаёт пользователь; проверка заряженной пластиной ±1000 В на расстоянии 18 дюймов; цитата S20.20 разд. 8.3: если поле от необходимого изолятора больше 2000 В на дюйм, изолятор отодвигают на 30 см от чувствительного изделия или нейтрализуют ионизацией; ESD TR53: перед обслуживанием измерить баланс и время разряда, почистить иглы, повторить измерения
  8. Desco Industries. Qualification Report ANSI/ESD STM11.11 & STM11.31 — SCS Static Shield Bag, 81705 Series (2022) — требования S20.20: поверхностное сопротивление внутри и снаружи от 10⁴ до менее 10¹¹ Ом по STM11.11, энергия разряда, проникающая в пакет, меньше 20 нДж по STM11.31 при 12 и 50 % влажности
  9. Desco Industries. Stat-A-Rest Foot Grounders, datasheet; Qualification Report S20.20 — Desco Shock Cord Foot Grounder — ссылка — официальный отчёт о квалификации 17255/17256 (< 10⁹ Ом по SP9.2); даташит Stat-A-Rest на сайте Desco не найден, он взят из копии на chipdip.ru (static.chipdip.ru/lib/224/DOC012224363.pdf); цитата S20.20 разд. 8.2: при работе с чувствительными изделиями весь персонал соединён с системой заземления, при работе стоя — браслетом или системой обувь/пол; ESD TR20.20 разд. 5.2.3: пяточные заземлители надевают на обе ноги; заземлитель — меньше 10⁹ Ом по STM97.1 и SP9.2, напряжение при ходьбе по STM97.2 меньше 100 В на рассеивающем полу

Нашли ошибку?

Смотрите также