Décharge électrostatique

Au début de ce livre, nous avons discuté de l'électricité statique et de la façon dont elle est créée. Cela a beaucoup plus d'importance qu'on pourrait le supposer au départ, car le contrôle de l'électricité statique joue un grand rôle dans l'électronique moderne et d'autres professions. Un événement de décharge électrostatique se produit lorsqu'une charge statique est évacuée de manière incontrôlée et sera appelée ci-après ESD.

L'ESD se présente sous de nombreuses formes, elle peut être aussi petite que 50 volts d'électricité étant égalisée jusqu'à des dizaines de milliers de volts. La puissance réelle est extrêmement faible, si faible qu'aucun danger n'est généralement offert à quelqu'un qui se trouve dans le trajet de décharge des décharges électrostatiques. Il faut généralement plusieurs milliers de volts pour qu'une personne remarque même une décharge électrostatique sous la forme d'une étincelle et du zap familier qui l'accompagne. Le problème avec l'ESD est que même une petite décharge qui peut passer complètement inaperçue peut ruiner les semi-conducteurs. Une charge statique de milliers de volts est courante, cependant, la raison pour laquelle ce n'est pas une menace est qu'il n'y a pas de courant de durée substantielle derrière elle. Ces tensions extrêmes permettent l'ionisation de l'air et permettent à d'autres matériaux de se décomposer, ce qui est à l'origine des dommages.

L'EDD n'est pas un problème nouveau. La fabrication de poudre noire et d'autres industries pyrotechniques ont toujours été dangereuses si un événement ESD se produit dans de mauvaises circonstances. À l'époque des tubes (valves AKA), l'ESD était un problème inexistant pour l'électronique, mais avec l'avènement des semi-conducteurs et l'augmentation de la miniaturisation, il est devenu beaucoup plus sérieux.

Des dommages aux composants peuvent se produire, et se produisent généralement lorsque la pièce se trouve sur le chemin ESD. De nombreuses pièces, telles que les diodes de puissance, sont très robustes et peuvent gérer la décharge, mais si une pièce a une géométrie petite ou mince dans le cadre de sa structure physique, la tension peut rompre cette partie du semi-conducteur. Les courants au cours de ces événements deviennent assez élevés mais se situent entre la nanoseconde et la microseconde. Une partie du composant en reste définitivement endommagée, ce qui peut provoquer deux types de modes de défaillance :catastrophique et latente. Catastrophique est la plus facile, laissant la pièce complètement non fonctionnelle. L'autre peut être beaucoup plus grave. Les dommages latents peuvent permettre au composant problématique de fonctionner pendant des heures, des jours ou même des mois après les dommages initiaux avant une défaillance catastrophique. Plusieurs fois, ces parties sont appelées « blessures ambulantes » car elles fonctionnent mais mal. La figure ci-dessous est présentée à titre d'exemple de dommages ESD latents (« blessés en marchant »). Si ces composants se retrouvent dans un rôle de survie, comme une utilisation médicale ou militaire, les conséquences peuvent être sombres. Pour la plupart des amateurs, c'est un inconvénient, mais cela peut coûter cher.

Même les composants considérés comme assez robustes peuvent être endommagés par les décharges électrostatiques. Les transistors bipolaires, les premiers des amplificateurs à semi-conducteurs, ne sont pas à l'abri, bien que moins sensibles. Certains des nouveaux composants haute vitesse peuvent être détruits avec aussi peu que 3 volts. Certains composants peuvent ne pas être considérés comme étant à risque, tels que certaines résistances et condensateurs spécialisés fabriqués à l'aide de la technologie MOS (Metal Oxide Semiconductor), qui peuvent être endommagés par les décharges électrostatiques.

Prévention des dommages ESD

Avant que l'ESD puisse être évitée, il est important de comprendre ce qui la cause. Généralement, les matériaux autour de l'établi peuvent être divisés en 3 catégories. Il s'agit de la génération ESD, de la neutralité ESD et de la dissipation ESD (ou conductrice ESD). Les matériaux génératifs ESD sont des générateurs statiques actifs, tels que la plupart des plastiques, des poils de chat et des vêtements en polyester. Les matériaux neutres ESD sont généralement isolants mais n'ont pas tendance à générer ou à retenir très bien les charges statiques. Le bois, le papier et le coton en sont des exemples. Cela ne veut pas dire qu'ils ne peuvent pas être des générateurs statiques ou un danger ESD, mais le risque est quelque peu minimisé par d'autres facteurs. Le bois et les produits du bois, par exemple, ont tendance à retenir l'humidité, ce qui peut les rendre légèrement conducteurs. C'est vrai pour beaucoup de matières organiques. Une table très polie ne relèverait pas de cette catégorie car le brillant est généralement en plastique ou en vernis, qui sont des isolants très efficaces. Les matériaux conducteurs ESD sont assez évidents, ce sont les outils métalliques qui traînent. Les poignées en plastique peuvent être un problème, mais le métal évacuera une charge statique aussi rapidement qu'il est généré s'il se trouve sur une surface mise à la terre. Il existe de nombreux autres matériaux, tels que certains plastiques, qui sont conçus pour être conducteurs. Ils tomberaient sous le titre de dissipateur ESD. La saleté et le béton sont également conducteurs et relèvent de la rubrique Dissipation ESD.

De nombreuses activités génèrent de l'électricité statique, dont vous devez être conscient dans le cadre d'un régime de contrôle des décharges électrostatiques. Le simple fait de retirer le ruban d'un distributeur peut générer une tension extrême. Se rouler sur une chaise est un autre générateur d'électricité statique, tout comme se gratter. En fait, toute activité qui permet à 2 surfaces ou plus de se frotter l'une contre l'autre est à peu près certaine de générer une charge statique. Cela a été mentionné au début de ce livre, mais les exemples du monde réel peuvent être subtils. C'est pourquoi une méthode de purge continue de cette tension est nécessaire. Les choses qui génèrent d'énormes quantités de statique doivent être évitées lorsque vous travaillez sur des composants.

Le plastique est généralement associé à la génération d'électricité statique. Cela a été contourné sous la forme de plastiques conducteurs. La façon habituelle de fabriquer du plastique conducteur est un additif qui modifie les caractéristiques électriques du plastique d'un isolant à un conducteur, bien qu'il ait probablement encore une résistance de millions d'ohms par pouce carré. Des plastiques ont été développés qui peuvent être utilisés comme conducteurs dans des applications de faible poids, telles que celles des industries du transport aérien. Ce sont des applications spécialisées et ne sont généralement pas associées au contrôle ESD.

Ce n'est pas que de mauvaises nouvelles pour la protection ESD. Le corps humain est un conducteur assez décent. Une humidité élevée dans l'air permettra également à une charge statique de se dissiper sans danger, tout en rendant les matériaux neutres ESD plus conducteurs. C'est pourquoi les froides journées d'hiver, où l'humidité à l'intérieur d'une maison peut être assez faible, peuvent augmenter le nombre d'étincelles sur une poignée de porte. L'été ou les jours de pluie, vous devrez travailler assez dur pour générer une quantité substantielle d'électricité statique. Les salles blanches de l'industrie et les sols d'usine s'efforcent de réguler à la fois la température et l'humidité pour cette raison. Les sols en béton sont également conducteurs, il peut donc y avoir des composants existants dans la maison qui peuvent aider à mettre en place des protections.

Pour établir une protection ESD, il doit y avoir un niveau de tension standard auquel tout est référencé. Un tel niveau existe sous forme de sol. Il y a de très bonnes raisons de sécurité pour que le sol soit utilisé autour de la maison dans les points de vente. À certains égards, cela se rapporte à la statique, mais pas directement. Cela nous donne un endroit pour vider nos électrons en excès ou en acquérir si nous sommes à court, pour neutraliser toutes les charges que nos corps et nos outils pourraient acquérir. Si tout sur un établi est connecté directement ou indirectement à la terre via un conducteur, l'électricité statique se dissipera bien avant qu'un événement ESD n'ait une chance de se produire.

Un bon point de mise à la terre peut être fait de plusieurs manières différentes. Dans les maisons avec un câblage moderne conforme au code, la broche de mise à la terre du plug-in AC peut être utilisée ou la vis qui maintient la plaque de couverture des prises. C'est parce que le câblage de la maison a en fait un fil ou une pointe allant dans la terre quelque part où l'alimentation est prélevée sur les lignes électriques principales. Pour les personnes dont le câblage de la maison n'est pas tout à fait correct, une pointe enfoncée dans la terre d'au moins 3 pieds ou une simple connexion électrique à la plomberie métallique (pire option) peut être utilisée. L'essentiel est d'établir un chemin électrique vers la terre à l'extérieur de la maison.

Dix mégohms sont considérés comme un conducteur dans le monde du contrôle ESD. L'électricité statique est une tension sans courant réel, et si une charge est purgée quelques secondes après avoir été générée, elle est annulée. Généralement, une résistance de 1 à 10 mégohms est utilisée pour connecter toute protection ESD pour cette raison. Il a l'avantage de ralentir le taux de décharge lors d'un événement ESD, ce qui augmente la probabilité qu'un composant survive en bon état. Plus la décharge est rapide, plus le pic de courant traversant le composant est élevé. Une autre raison pour laquelle une telle résistance est considérée comme souhaitable est que si l'utilisateur est accidentellement court-circuité à une tension élevée, telle que le courant domestique, ce ne seront pas les protections ESD qui les tueront.

Une grande industrie s'est développée autour du contrôle des décharges électrostatiques dans l'industrie électronique. L'élément de base de toute construction électronique est l'établi avec une surface conductrice ou dissipative d'électricité statique. Cette surface peut être achetée dans le commerce ou fabriquée à la maison sous la forme d'une feuille de métal ou d'une feuille. Dans le cas d'une surface métallique, il peut être judicieux de poser le papier fin sur le dessus, bien que cela ne soit pas nécessaire si vous ne faites pas de tests électriques sur la surface. La version commerciale est généralement une forme de plastique conducteur dont la résistance est suffisamment élevée pour ne pas poser de problème, ce qui est une meilleure solution. Si vous créez votre propre surface pour l'établi, assurez-vous d'ajouter la résistance de 10 mégohms à la terre, sinon vous n'aurez aucune protection.

L'autre élément important qui nécessite une mise à la terre ESD, c'est vous. Les gens marchent avec des générateurs statiques. Votre corps étant conducteur, il est relativement facile de le mettre à la terre, cela se fait généralement avec une dragonne. Les versions commerciales ont déjà la résistance intégrée et ont une large sangle pour offrir une bonne surface de contact avec votre peau. Les versions jetables peuvent être achetées pour quelques dollars. Un bracelet de montre en métal est également un bon point de connexion pour la protection ESD. Ajoutez simplement un fil (avec la résistance) à votre point de mise à la terre. La plupart des industries prennent le problème suffisamment au sérieux pour utiliser des moniteurs en temps réel qui déclencheront une alarme si l'opérateur n'est pas correctement mis à la terre.

Une autre façon de vous mettre à la terre est une sangle au talon. Une partie en plastique conducteur est enroulée autour du talon de votre chaussure, avec une sangle en plastique conducteur qui monte et sous votre chaussette pour un bon contact avec la peau. Il ne fonctionne que sur des sols avec de la cire conductrice ou du béton. La méthode empêchera une personne de générer des charges importantes qui peuvent submerger d'autres protections ESD et n'est pas considérée comme adéquate en soi. Vous pouvez obtenir le même effet en marchant pieds nus sur un sol en béton.

Une autre protection ESD consiste à porter des blouses conductrices ESD. Comme la sangle de talon, il s'agit d'une protection secondaire, non destinée à remplacer la sangle de poignet. Ils sont destinés à court-circuiter les charges que vos vêtements peuvent générer.

L'air en mouvement peut également générer des charges statiques importantes. Lorsque vous soufflez la poussière de vos appareils électroniques, de l'électricité statique est générée. Une solution industrielle au problème à ce problème est double :Premièrement, les canons à air ont un petit matériau radioactif bien protégé implanté dans le canon à air pour ioniser l'air. L'air ionisé est un conducteur et évacuera assez bien les charges statiques. Deuxièmement, utilisez de l'électricité à haute tension pour ioniser l'air sortant d'un ventilateur, ce qui a le même effet que le pistolet à air. Cela aidera efficacement un poste de travail à réduire considérablement le potentiel de génération d'ESD.

Une autre protection ESD, qui est la plus simple de toutes, est la distance. De nombreuses industries ont des règles stipulant que tous les matériaux neutres et génératifs seront à au moins 12 pouces ou plus de tout travail en cours.

L'utilisateur peut également réduire la possibilité de dommages causés par les décharges électrostatiques en ne retirant simplement pas la pièce de son emballage de protection jusqu'à ce qu'il soit temps de l'insérer dans le circuit. Cela réduira la probabilité d'exposition aux décharges électrostatiques et, même si le circuit sera toujours vulnérable, le composant bénéficiera d'une protection mineure par rapport au reste des composants, car les autres composants offriront des chemins de décharge différents pour les décharges électrostatiques.

Stockage et transport des composants et cartes sensibles aux décharges électrostatiques

Il ne sert à rien de suivre les protections ESD sur l'établi si les pièces sont endommagées lors de leur stockage ou de leur transport. La méthode la plus courante consiste à utiliser une variante d'une cage de Faraday, un sac ESD. Un sac ESD entoure le composant avec un blindage conducteur et contient généralement une couche isolante non statique à l'intérieur. Dans les cages de Faraday permanentes, ce bouclier est mis à la terre, comme dans le cas des salles RFI, mais avec des conteneurs portables, ce n'est pas pratique. En plaçant un sac ESD sur une surface mise à la terre, la même chose est accomplie. Les cages de Faraday fonctionnent en acheminant la charge électrique autour du contenu et en les mettant immédiatement à la terre. Une voiture frappée par la foudre est un exemple extrême de cage de Faraday.

Les sacs statiques sont de loin la méthode la plus courante pour stocker des composants et des cartes. Ils sont fabriqués à partir de couches de métal extrêmement fines, si fines qu'elles sont presque transparentes. Un sac avec un trou, même petit, ou qui n'est pas plié sur le dessus pour sceller le contenu des charges extérieures est inefficace.

Les bacs ou les tubes sont une autre méthode de protection des pièces stockées. Dans ces cas, les pièces sont placées dans des boîtes conductrices, avec un couvercle du même matériau. Cela forme effectivement une cage de Faraday. Un tube est destiné aux circuits intégrés et autres appareils avec beaucoup de broches, et stocke les pièces dans un tube en plastique conducteur moulé qui maintient les pièces en sécurité à la fois mécaniquement et électriquement.

Conclusion

L'ESD peut être un événement mineur non ressenti mesurant quelques volts, ou un événement massif présentant de réels dangers pour les opérateurs. Toute protection ESD peut être dépassée par les circonstances, mais cela peut être contourné par la conscience de ce que c'est et comment l'empêcher. De nombreux projets ont été construits sans aucune protection ESD et ont bien fonctionné. Étant donné que la protection de ces projets est un inconvénient mineur, il vaut mieux faire l'effort.

L'industrie prend le problème très au sérieux, à la fois comme un problème potentiellement mortel et un problème de qualité. Quelqu'un qui achète un appareil électronique coûteux ou du matériel de haute technologie ne sera pas content s'il doit le retourner dans 6 mois. Lorsqu'une réputation est en jeu, il est plus facile de faire ce qu'il faut.