ESD e sistemi di protezione

Congresso nazionale ESD –

L’evoluzione tecnologica, l’avvento di nuovi prodotti/processi e l impiego di nuovi materiali ha influito notevolmente sugli impatti dei fenomeni ESD “Electrostatic Discharge” e, di conseguenza, ai giorni nostri i problemi ESD coinvolgono diversi settori dell’industria.

I fenomeni ESD vengono introdotti dalla carenza oppure dal''eccesso di elettroni sulla superficie di un corpo e, conseguentemente, la struttura atomica interessata può definirsi elettrificata negativamente oppure positivamente.
I corpi elettrificati esibiscono un potenziale ESD sulla loro superficie e possono influenzare i corpi prossimi e/o adiacenti attraverso il campo elettrostatico generato.
Quanto sopra può rappresentare un rischio notevole in diversi processi produttivi i quali si sono ulteriormente ampliati attraverso l'evoluzione tecnologica e la miniaturizzazione.
Inizialmente i fenomeni ESD hanno influenzato i processi industriali esposti alla sicurezza e, di fatto, fino a pochi decenni fa, i principali problemi ESD erano legati alla possibilità di innesco e alla conseguente esplosione in funzione della natura del prodotto impiegato nei processi produttivi: nei settori ospedalieri e in aree militari associate alla presenza di gas, di infiammabili e derivati dal petrolio (inclusa la movimentazione via mare/terra e le fasi di manutenzione e rifornimento).
Altri settori dell'industria tradizionalmente coinvolti erano quelli esposti alla attrazione di materiali e polveri quali quello chimico e quello tessile, i quali vengono normalmente gestiti attraverso l'impiego di sistemi attivi (apparati ionizzanti). La tematica, inoltre, era considerata in sede di progetto di buona parte dei mezzi di trasporto realizzati per settore aeronautico e spaziale.
All'inizio degli anni '60, con l'avvento dell'industria elettronica, il fenomeno ESD divenne estremamente critico sia nelle fasi di progetto sia in quelle di manipolazione e movimentazione.

Compatibilità ESD
I componenti e gli apparati elettronici infatti sono sensibili a eventi ESD e a campi elettrostatici, campi che possono interferire sia livello di disturbi (malfunzionamenti - interferenze) sia a livello di danneggiamento (fusioni piste - dielettrici). Conseguentemente, la realizzazione di prodotti elettronici dovette prevedere una barriera (gabbia di Faraday) avente lo scopo di proteggere il contenuto da eventi esterni potenzialmente presenti nelle applicazione (cioè presso gli utenti finali).
Tale aspetto fu anche assolto da accorgimenti che in parte erano già previsti per la gestione di interferenze legate a radio frequenze e a campi elettromagnetici.
Una volta sviluppato un sistema in grado di garantire un'adeguata schermatura del prodotto finito, la possibilità di errore introdotto in fase di assemblaggio risulta molto bassa in quanto il dimensionamento dei sistemi di protezione da adottare viene valutato opportunamente in sede di progetto (tipo materiali - spessori) e successivamente attraverso la sperimentazione su prototipi (test di compatibilità ESD); la realizzazione di prodotti finiti prevede spesso l'esecuzione di verifiche di compatibilità condotte su campionature di produzione, che agiscono come ulteriore indicazione dell'affidabilità dei prodotti impiegati allo scopo.

Processi Produttivi
Ben più difficile invece appare la gestione di eventi ESD in sede di realizzazione di prodotti elettronici (assemblaggio - collaudo) in quanto la distribuzione dei difetti (cioè 90% di prodotti degradati e 10% di prodotti danneggiati irreparabilmente) tende a far sottovalutare l'ampiezza del problema; attualmente l'evoluzione tecnologica ha amplificato questo atteggiamento da parte di società esposte a ESD in quanto, in aggiunta ai settori tradizionalmente più sensibili al problema quali l'avionica, il militare, l'hi-tech e le telecomunicazioni sono stati coinvolti nuovi settori quali l'automotive, la domotica, il bianco e i diversi segmenti dell'industria che stanno modificando i loro processi da elettromeccanici a elettronici.
Come attestato da risultati emersi attraverso diverse “survey” sul tema distribuite nell'ambito di precedenti edizioni del “Convegno Nazionale ESD”, oltre a questo approccio inopportuno vi è anche un'evidente attività di analisi dei difetti sottodimensionata (ad esclusione del settore “automotive”) amplificata dall'incapacità di focalizzare i guasti ESD attraverso i normali collaudi.
Questo aspetto ha reso e rende possibile la presenza di difetti latenti “feriti ESD” che si manifestano successivamente presso i clienti e che non lasciano tracce tangibili e/o significative; conseguentemente il peso negativo della statica diviene ancora più grave in quanto influenza in maniera pesante la soddisfazione del cliente.
In aggiunta, il “trend” della tecnologia e della protezione dei componenti espone ulteriormente industrie e enti coinvolti.

La gestione dei problemi ESD
I componenti elettronici attualmente impiegati, a causa delle loro dimensioni sempre più contenute, sono esposti a eventi ESD dell'ordine di qualche centinaio di Volt; questo aspetto è stato attestato dalle recenti emissioni nel 2007 di normative di sistema quali CEI EN 61340-5-1 e ANSI 20.20
In particolare, la normativa IEC 61340-5-1 viene principalmente utilizzata in Paesi della Comunità Europea, mentre la ANSI S.20.20 trova maggiore applicazione nel Nord America e Giappone.
Tali normative sono state prodotte dal comitato IEC 101 che si avvale dei maggiori esperti a livello mondiale allo scopo di garantire la protezione ESD in EPA (ESD PROTECTED AREA), che non richiedono particolari requisiti, ma che di fatto possono gestire componenti in classe 0 (sensibili a scariche ESD riferite al modello umano “HBM” superiori a 100 V). In relazione a eventuali aspetti di sicurezza si deve fare tassativamente riferimento a normative di sicurezza emesse su base nazionale (es. CEI 64-8 per l'Italia). Queste rappresentano un valido aiuto per la predisposizione di aree protette e in funzione dell'evoluzione del mercato elettronico, sono state sviluppate anche in funzione del fatto che potessero essere interpretate e recepite da parte di aziende di qualunque dimensione.
Indipendentemente dai settori e dalle aree industriali coinvolte, nel momento in cui viene attivata un'area protetta per la gestione di eventi ESD è necessario garantire la sua efficienza e diviene pertanto fondamentale definire all'interno di una organizzazione sia i ruoli che le responsabilità per l'implementazione di un programma di controllo ESD.
Quanto sopra deve essere stabilito tassativamente da procedure interne che devono necessariamente fare riferimento a normative esterne vigenti sia di settore che di sicurezza (must tecnico) e si ribadisce che in questo ultimo caso le normative di sicurezza nazionali (obbligatorie in qualsiasi settore industriale e non) prevalgono su quelle internazionali.
Le procedure locali ESD devono inoltre riportare indicazioni inerenti le caratteristiche elettriche - fisiche - meccaniche dei prodotti impiegati per la protezione, ma anche i criteri di mantenimento dell'area/processo quali le cadenze del monitoraggio sulle dotazioni e i criteri con cui sono condotte le verifiche ispettive inclusa l'eventuale gestione delle azioni correttive a fronte di problemi emersi.
I principali sistemi di protezione ESD per ambienti elettronici possono essere definiti attraverso:

ESD Protected Area (EPA Items)
Tali aree sono in grado di garantire l'opportuno handling dei prodotti sensibili a ESD attraverso il criterio della equipotenzialità dei sistemi passivi e il controllo dei campi elettrostatici e degli eventi ESD attraverso:
•    il collegamento a terra di tutti i materiali conduttivi/statico dissipativi incluso il personale e;
•    la neutralizzazione delle cariche elettrostatiche residenti sui materiali isolanti mediante ionizzazione e/o schermatura.

Imballo protetto da ESD
Gli imballi ESD devono evidenziare proprietà antistatiche; questi sono suddivisi tra ESD conduttivi, ESD statico dissipativi e schermanti; quando utilizzati al di fuori di aree EPA questi devono impedire interferenze da eventi ESD esterni e quindi devono soddisfare i requisiti di schermatura stabiliti dalle normative (test energetico < 50 nJ).
Normalmente la schermatura si ottiene con prodotti multi strato (layer interno metallico) in grado di soddisfare i requisiti di energy test stabiliti dalla IEC 61340-5-1 - TM ANSI/ESD STM 11.31.
In relazione alla scelta dei materiali è fondamentale verificare il loro funzionamento nelle condizioni maggiormente critiche in fase di applicazione (UR: 12% per prodotti da impiegare in EPA e imballi impiegati per la movimentazione tra EPA differenti).
L'efficienza dei sistemi di protezione impiegati deve essere garantita attraverso un programma ESD locale che deve essere sviluppato attraverso attività di monitoraggio (allo scopo di verificare eventuali degradi o problemi di affidabilità), così come di audit/self review. Di vitale importanza è la progettazione dell'EPA in funzione del tipo di processo e di eventuali applicazioni atipiche quali l'EPA a bassa umidità, l'EPA ad alta tensione e le Camere bianche.
Tra gli elementi particolarmente critici l'errore umano può influenzare in maniera pesante il ritorno sull'investimento.
Le esperienze condotte in diversi settori industriali hanno messo in luce l'importanza del personale in quasi tutti i processi produttivi e quindi i programmi di protezione ESD devono necessariamente prevedere l'impiego di personale specializzato e certificato per poter assolvere al proprio compito nel modo migliore; diviene fondamentale pertanto la formazione del personale che, oltre a informare su cenni teorici e impatti legati alla statica, deve contenere i requisiti tecnici e amministrativi del programma ESD applicato e deve prevedere un esame finale per valutare la capacità di apprendimento e l'idoneità ad operare nel processo produttivo. Le normative ESD stabiliscono un re-training su base periodica (<24 mesi).

Stato ed evoluzione delle normative (CENELEC-IEC)
Nelle fasi iniziali, in particolare negli anni '60, la gestione dei componenti sensibili a ESD era quasi esclusivamente indicata da specifiche tecniche di prodotto, in quanto la popolazione impattata era circoscritta a poche unità o a settori ben delimitati (ex aree militari). Con la crescita di prestazioni e l'impiego diffuso di prodotti elettronici in diverse applicazioni, l'attenzione verso l'elettrostatica crebbe e furono realizzate normative a valenza nazionale (ex BSI, EIA, DIN, ASTM, CEI, ecc.). A metà degli anni '80 la consapevolezza divenne più profonda e concreta e si realizzarono le prime norme continentali tra le quali, a livello europeo, spiccava la CEI EN 100015/1.
È possibile affermare che, relativamente alla movimentazione e all'assemblaggio dei componenti elettronici, la normativa EN100015/1 offriva una copertura della tematica a 360 gradi. Oltre a definire i criteri per la protezione ESD (materiali - prodotti) infatti, questa introduceva metodi di prova e indicava aspetti importanti per la realizzazione di un programma qualitativo: monitoraggio, audit, formazione e responsabilità.
A metà degli anni ’90 la normativa CEI EN 100015/1 venne utilizzata come base di partenza a livello mondiale per la realizzazione di una norma che potesse essere di riferimento in tutti i paesi e per questa ragione l’IEC (International Electrotechnical Committee) nel 1994–1995 costituì il Comitato Tecnico IEC 101, comitato che fu indirizzato esclusivamente alla protezione da ESD. Successivamente furono prodotti diversi standard e metodi di prova tra i quali la normativa IEC 61340-5-1 alla quale si deve fare riferimento per la progettazione e il mantenimento di sistemi di protezione ESD per applicazioni elettroniche.
In aggiunta, specialisti che operavano in area nordamericana in collegamento con la ESD Association (http://www.esda.org) offrirono il loro contributo al comitato IEC 101 e questo aspetto fu determinante per sfruttare al meglio le sinergie tra enti quali IEC e ANSI, ma soprattutto per sviluppare normative in linea con i continui sviluppi della progettazione dei semiconduttori e con l’evoluzione tecnologica in corso.

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