Comment protéger les composants électroniques des décharges électrostatiques ?

Qu’est-ce-que l’ESD?

L’acronyme ESD (Electro Static Discharge, ou décharges électrostatiques) désigne un transfert rapide d’énergie d’un corps ou d’un matériel chargé en électricité statique vers un autre corps ou matériel, dont le niveau de charge est différent. Comme le serait par exemple un transfert d’eau entre deux vases communicants, des électrons vont quitter le premier pour rejoindre rapidement le deuxième potentiel.

Quand et pourquoi se produisent des décharges électrostatiques (ESD) ?

Une décharge électrostatique est générée chaque fois que deux matériaux sont mis en contact et séparés. L’un des matériels gagne des électrons et l’autre en perd. Ces transferts sont donc permanents à des échelles plus ou moins importantes. Le matériel qui gagne des électrons se charge négativement, celui qui en perd se charge positivement. On parle de charge Triboélectrique.

Une décharge électrostatique dans le domaine du travail est similaire à celle d’un éclair à une échelle microscopique. La très grande majorité des décharges électrostatiques ne sont pas visibles à l’œil nu. Un “coup de jus” ressenti (avec la portière d’une voiture par exemple) est une décharge électrostatique depuis un objet chargé vers un qui ne l’est pas. Cette décharge se sent à partir  d’approximativement 3000 V.

Certains composants électroniques sont sensibles dès 25 V , et la miniaturisation des composants accélère leur fragilité. Les charges statiques ou triboelectriques sont générées par des actions aussi simples que celles de marcher, frotter des vêtements contre un objet, brosser des cheveux, dérouler un rouleau d’adhésif...

Tout dans notre environnement crée des transfert de charges. L’humidité de l’air ambiant apporte une grande importance dans l’accentuation ou la diminution des transferts de charge. Ce tableau montre les valeurs de charge générées par des actions simples.

Les conditions expérimentales sont donc contrôlées à 24 °C 12% RH.

Où va la charge de l'ESD ?

Selon leur matière et leurs propriétés électriques (capacité de mouvement offerte aux électrons), la charge générée sur les matériaux n’évolue pas de la même manière. On peut répartir les matériaux en 3 grandes familles :

• Les Isolants : Ils ne permettent pas la circulation des électrons le long de leur surface. Matériaux dont la résistance de surface ≥ 1 x 1011 ohms. Exemples : plastiques, verre, céramique… Les isolants sont à même de stocker des charges considérables.

• Les Conducteurs : de faible résistance électrique, ils permettent aux électrons de parcourir la surface. Résistance de surface comprise ≥ 1 x 10² ohms et < 105 ohms. Exemples: la plupart des métaux. Les conducteurs ne capitalisent pas les charges.

• Matériaux dissipatifs : permettent aux électrons de parcourir la surface mais à une vitesse moins rapide que les conducteurs. Leur Résistance de surface ≥ 1 x 105 ohms et < 1011 ohms. Potentiel commun : la mise à la terre – connexion directe avec la terre.

Cette connexion a une résistance très basse.

Quelles sont les Conséquences des ESD pour les composants électroniques ?

Les Décharges électrostatiques vont engendrer dans des circuits électroniques des dommages sur la continuité des connexions.

Ces dommages, perceptibles au microscope électronique peuvent conduire à deux types de défauts :

• Panne irrémédiable : Un composant détruit empêche complètement le fonctionnement du circuit. La panne est évidente, le module ne fonctionne plus.
• Panne latente – Un composant fragilisé donne des résultats non fiables. Il peut parfaitement passer des tests de contrôle et produire des pannes aléatoires. Ces origines de pannes sont souvent difficiles à identifier, mais les moyens pour s’en prémunir sont simples.

Le coût des dommages causés par l’ESD dans l’industrie électronique est estimé à 5 milliards de dollars par an.
En coûts directs :

• De détection, réparation et test
• Matériels
• Main d’œuvre pour traiter les dommages

En coûts cachés :

• Dommage collatéraux sur le circuit pendant l’intervention
• La réputation

Des coûts qui évoluent de façon exponentielle selon qu’ils sont traités au niveau du composant, du module, du produit fini, ou sur le site du client final..

 Comment stopper et éviter les dommages ESD ?

• 3 règles de base :
– Eviter la création de charge : grâce à une mise à la terre ou une liaison équipotentielle
– Eloigner tous les produits isolants non nécessaires.
– Protéger les produits par des emballages certifiés pour leur transport en dehors des EPA.

Ce conditionnement devra permettre :

• De s’affranchir de toute création de charge issue des frottements, chocs et contacts au cours des transports. Grace à des propriétés conductrices ou dissipatives.
• De protéger les composants des transferts de charge issus de l’environnement direct du packaging, en contact avec des matériaux chargés différemment : Protection par blindage (Shielding).

Quelles sont les normes de référence liées aux décharges électrostatiques ?

Les normes internationales IEC 613340-5-1 et IEC 613340-5-2 présentent les exigences nécessaires à un programme de contrôle des ESD.

Elles décrivent les conditions nécessaires pour la conception, l’établissement, la mise en oeuvre et le maintien d’un processus de contrôle des décharges électrostatiques pour des matériels susceptibles d’être endommagés par des décharges supérieures à 100 V.

Le volet technique couvre :
• La signalétique
• Les EPA
• L’emballage de protection
• Les prérequis de formation
• Les processus de contrôle et les responsabilités qualité

Qu'est-ce qu'une EPA ?

EPA – Electrostatic Protected Area : Est une zone, délimitée où l’électricité statique est maintenue sous un certain seuil au-delà duquel les décharges pourraient causer des dommages aux composants manipulés.
Cette zone peut se limiter à un plan de travail, à une salle entière, ou même à un bâtiment complet.

Il est alors indispensable d'utiliser des emballages adaptés à ces caractéristiques :
On entend fréquemment le terme approximatif "d'emballage antistatique" décliné selon les supports (sachet antistatique, boite antistatique, carton antistatique, bac antistatique …)

Le terme plus approprié devrait être celui d'emballage électrostatique suivi de sa spécificité :

• Emballage électrostatique Conducteur
• Emballage électrostatique Dissipatif
• Emballage électrostatique Blindé,
• et ce, en opposition à tous les autres matériaux qui peuvent être appelés "isolants".

Ces solutions se déclinent alors en fonction des types d'emballages et matières nécessaires (Caisse, carton, mousse, bac, sachet, film…) 

Gamme Emballage ESD - Conformes en environnement EPA 

Par extension, les charges électrostatiques peuvent perturber différents process de production.
Dès que des frottements ou frictions interviennent entre matériaux isolants, des charges s'accumulent dans la matière.
Au contact d'autres éléments dont le potentiel sera différent, ces charges se rééquilibreront par le biais d'ESD.
Si dans certains process elles ne sont que perturbatrices du fonctionnement, dans d'autres elles peuvent être catastrophiques (ex. Environnements ATEX) .

En résumé pourquoi se préoccuper de la protection contre les ESD ?

• Une charge électrostatique est générée chaque fois qu’un matériau est en contact avec un autre et qu’ils sont séparés.
• 90 % des décharges électrostatiques sont inférieures à 3000 V ; un composant peut être sensible dès 25 V.
• 30% des retours sont dus à des problèmes ESD

Quelles solutions pour limiter les risques de décharges Electrostatiques ?

Les moyens de prévention sont simples :

1. Réduire la création de charge – prendre soin d’une mise à la terre correcte
2. Eloigner tous les produits isolants non nécessaires des produits sensibles.
3. Protéger les produits par l’utilisation de packaging certifiés pour leur transport en dehors des zones protégées

La protection ESD doit permettre d’économiser plus que cela ne coute.