毎年、数え切れないほど多くの電子機器が静電放電 (ESD) によって破壊されたり、機能しなくなったりしています。ESDは肉眼では見えませんが、デバイスやボードの製造、テスト、組み立て、出荷、さらには通常の使用など、あらゆる段階で電子機器に影響を及ぼす可能性があります。フラッシュ カードやSSD、PLD、FPGA 、ASIC、SOCなどのメモリは、特にESDによる損傷を受けやすいです。
ESDは表面に蓄積された電荷によって発生します。非導電性材料の表面は、接触すると等しく反対の電荷を帯び、互いに移動した後 急速に離れます 。非導電性の材料は、帯電すると電界によって囲まれます。最終的に、電荷の量が空気の絶縁能力を超え、火花が導体に飛び散ります。火花により導体に電流が発生し、敏感なデバイスが損傷または破壊される可能性があります。
ESDスパークはさまざまな環境で発生します。カーペット敷きの床の上を歩くと、摩擦帯電により高静電電圧が発生する可能性があり、20 kVもの電圧が報告されています。同様に、プラスチック部品を使用する機械では、プラスチックが他のプラスチック部品と擦れることで静電気を帯びる可能性があります。
静電放電に敏感：増大する電子機器の問題
多くの電子部品は、30 V程度の静電気電圧や0.001 A程度の電流にも敏感です。これは、人が感じたり、聞いたり、見たりできる電圧よりもはるかに低い値です (表1)。半導体デバイスの層がますます薄くなるにつれて、ESDの脅威は増大しています。 デバイス ジオメトリが小さいCMOSデバイスは、特に故障が発生しやすくなります。GPS、WLAN、Wi-Fiデバイスなどの ワイヤレス アプリケーションでは、アンテナが低インピーダンス パスとして機能し、ESDがシステムに侵入して下流の回路を損傷する可能性があります。
ESDによる障害の防止は回路設計段階から始まります。接地とレイアウト技術は、ESDの影響を防ぐ上で重要な役割を果たします。適切な設計ガイドラインを適用し、高いESD耐性電圧能力を備えたコンポーネントを選択することが重要です。不必要に高速なデバイスは不要な放射線を生成する可能性があるため、目的の機能を実現するには適切な速度のデバイスを使用してください。
ESD抑制技術
ESDエネルギーを抑制する実証済みの方法は、重要な回路ポイントに 過渡抑制ダイオード を配置することです。 ESDダイオードは電圧を「クランプ」し、クランプ電圧を超える電圧から下流の回路を保護します。 残念ながら、ESDダイオードは信号トレースに並列に接続されているため、システムに寄生容量が追加されます。ESDデバイスの静電容量は、信号の整合性を維持するために静電容量を最小限に抑える必要があるため、高速インターフェースでは特に重要です。
入力または出力を保護するために過渡抑制ダイオードを使用する場合は、過渡抑制ダイオードを端子にできるだけ近づけることが重要です。PCBトレース と長いリードは寄生インダクタンスを持ち、ESDトランジェントが回路に侵入すると電圧オーバーシュートやリンギングの問題を引き起こすため、使用しないでください。
多くのESD問題は、適切に計画され配線されたPCBによって最小限に抑えることができます。あらゆる回路には静電線と磁束線が存在します。ボード配線が大きなループ領域を囲んでいる場合、導電パスがより多くの磁束を囲むことになり、その結果、ループがアンテナとして機能してループ内に電流が誘導されます。このループ電流は干渉フィールドを引き起こし、回路内のコンポーネントに影響を与えます。ループ領域を減らす1つの方法は、電源ラインとグランド ラインをできるだけ近づけて配線することです。
ボード設計では低インピーダンスのグランドを使用し、電子デバイスを通る他の低インピーダンスのパスが見つかることなく、静電放電電流が容易にグランドに流れるようにします。接地領域、できれば接地プレーンによって、ESDの影響が軽減されます。PCB上の未使用領域はグランド プレーンに変換する必要があります。配置中は、敏感な電子部品が潜在的なESD発生源から離れた場所に配置されていることを確認してください。
静電気放電を防ぐにはどうすればいいですか?
多くのESDによる障害は、PCBの不注意な取り扱いが原因で発生します。ESDから保護する非常に効果的な方法は、接地するリスト ストラップを着用することです。リストストラップは通常、スナップ留め具付きの伸縮性ストラップとアース線で構成されています。
また、グラウンドに接続されたガード トレースとして機能するトレースをPCBエッジの周囲に配置することもお勧めします。PCB配線は、隣接するトレース間の間隔を可能な限り広くして、ESDパルスが隣接するトレース間でアーク放電して伝播しないように設計する必要があります。ほとんどのデバイスでは、デバイス ピンとコネクタ ピンの間に保護デバイスを使用する必要があります。さらに、ロジック回路を設計するときは、エッジトリガーデバイスを避けるようにしてください。これらの入力は、ESD過渡現象が回路に侵入した場合にシステムの誤動作を引き起こす可能性があります。検証ストローブを備えたレベル検知ロジックを使用すると、回路のESD耐性を向上させることができます。
静電気の影響を受けやすい機器の取り扱い方法
ESDに敏感なデバイスは、この目的のために特別に設計された静電気防止チューブ、容器、または導電性フォームに保管する必要があります。敏感なデバイスと直接接触する包み込む導電性表面は蓄積された電荷を放出し、デバイスのピン間の電圧差とバー電圧の蓄積を防ぎます。金属化ポリエチレン袋はファラデーケージとして機能し、内部に保管されたデバイスを周囲の帯電物体によって発生する電界から保護します。使用していないときは、通信コネクタを静電気拡散材で覆い、電荷の蓄積を防止します。また、歩行やそれに関連する活動による静電気の発生を防ぐため、組み立てエリアの作業台や床には静電気防止素材を使用してください。
ローカル環境を管理することで、ESDリスクを軽減することもできます。湿気のある雰囲気は、乾燥した空気の状態と比較して、大気中の浮遊電荷を地面に放電し、静電気の蓄積を防ぐ手段を提供します。空気イオン化装置は自由電荷を中和し、組立ラインにおけるESDの問題を軽減するのに役立ちます。ハンドルが帯電する可能性があるため、プラスチック製のハンドルが付いた工具は使用しないでください。
まとめ
ESD障害を克服するには、設計、取り扱い、組み立て、テスト、システム統合、出荷、運用の各段階で制御技術に全面的に取り組む必要があります。
さまざまなタイプのコンポーネントに必要なESD保護のレベルを定義することが重要です。ESDに敏感なアイテムを特定します。このようなコンポーネントを適切に保護するための設計上の予防措置を講じてください。静電気防止対策が忠実に守られていることを確認してください。
ESD制御プログラムを確立します。潜在的な問題領域を特定し、失敗を研究し、それを克服する方法を開発します。あらゆるレベルの作業員を訓練し、ESDによる損傷とその防止対策について教育します。
ES制御は継続的なプロセスである必要があり、損失防止と全体的なコスト削減の点で長期的なメリットがあります。
表1:コンポーネントのESDに対する感受性
