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コンポーネントの ESD 損傷からの保護

翻訳: T.Sato

静電気放電

デバイスの２つ以上のピン (そして内部回路) のあいだに その絶縁破壊強度よりも大きな電圧が現れた時、損傷が生じ得る。 これは、MOS デバイスの主要な故障メカニズムである。 その酸化膜が薄くなると、ESD に対する感受性は大きくなる。 その故障は、大抵は Vdd と Vss のあいだの短絡という形で現れる。 バイポーラ・デバイスにおいては、 損傷が半導体の活性領域上に薄い酸化層を隔てて配線が引かれている箇所で発生し、 高漏洩の経路を生じることがある。

他のモードの故障が、 シリコンの融点 (1415℃) に達した接合によって引き起こされる。 その電圧が絶縁破壊を引き起こすには不充分であったとしても、 ESD パルスのエネルギーは局所的な加熱を生じさせられ、 従ってこのメカニズムでの故障を発生させ得る。 電流増幅率の低下を生じる NPN バイポーラ・トランジスタのエミッタ／ベース間接合の破壊が、 そのような故障の代表例である。

デバイスは、即座に機能を喪失することなく、 ESD によって劣化させられることもある。 そのような潜伏性の損傷を持つデバイスは しばしば「walking wounded」と呼ばれ、使用されたならば、 将来の ESD や伝導性トランジェントによる損傷に対する高い感受性を示すであろう。

デバイスに対する損傷は、知覚できるであろうものよりも 遥かに低い放電電圧で発生し得ることに注意することが重要である。 知覚閾値は個人によって 3〜5キロボルト の範囲でばらつくが、 コンポーネントの損傷は数百ボルトに過ぎない電圧で発生し得る。

ESD 損傷の影響は、 新しいテクノロジーが遥かに損傷を受けやすいコンポーネントを生んだことから、 最初は 1970年台に注目された。 ESD によって引き起こされた損失は、 年間数百万ドル以上に達したものと推測される。 その後、多くの大手のコンポーネントや機器の製造業者は その製造設備に電荷の発生の抑制のための特別なテクニックを導入し、 それは生産量の増加と信頼性の向上によって報われた。 メンテナンスを実施するユーザーも、ESD による損傷の防止の重要性を学んだ。

何ができるか？

異種の材料の接触と分離によって電圧が発生させられる。 それは帯電の効率を向上させ得るものの、それらを擦り合わせる必要はない。 この効果は摩擦帯電として知られており、 発生する電圧は関係する材質の性質に依存する。 摩擦電気系列は、様々な材質を序列付ける。 ２つの材質が接触した場合、高位のものは低位のものに電子を与え、 それぞれ正、及び負に帯電することになる。 材質がこのリストの中で離れるほど、生じるであろう電荷は大きくなる。 一般的な材質の摩擦電気系列を Table 1 に示す。

人体 ガラス マイカ ポリアミド 羊毛 毛皮 絹 アルミニウム 紙 木綿 スチール 木 硬質ゴム ポリエステル ポリエチレン PVC PTFE

Table 1 ―― 摩擦電気系列

帯電した物体が近傍の他のものの電荷の分離を引き起こし、 帯電が誘導によって生じることもある。

実践的な解決

いくつもの手段が用いられるかも知れない。 最も適切なものは必要な条件を最小のコストで維持するようなテクニックであろうが、 それは製品ごとに、また場所ごとに異なるかも知れない。

ESD 保護エリア

EPA の境界は、 望ましくは無許可の人員の立ち入りを防止する物理的な障壁によって、 明確に示されていなければならない。 そのエリア内で用いられる資材は、電荷の発生を最小限とし、 また電荷を制御された方法で接地へ漏洩させるように選択されるべきである。

A1 ― 接地用車輪 A2 ― 接地用ワイパ (鎖) A3 ― 接地面 B1 ― リストバンド・テスタ B2 ― ヒール・ストラップ・テスタ B3 ― ヒール・ストラップ用踏み板 C1 ― リストバンド・コード、及びリストバンド C2 ― 接地用コード C3 ― ESD 接地設備 C4 ― 接地 C5 ― 接地接続ポイント C6 ― 接地ポイント	C7 ― 手袋 C8 ― ヒール・ストラップ、及びトゥー・ストラップ D1 ― イオナイザ E1 ― 作業面 F1 ― 接地用の脚とパッドを持つ椅子 G1 ― 要員の接地のための床面 H1 ― 上着 H2 ― 帽子 I1 ― 接地面を持つ棚 I2 ― 接地されたラック J1 ― EPA 掲示
Table 2 ―― ESD 保護エリア

典型的な ESD 保護エリアを Figure 1 に示す。 この図は後述の EN 100015-1 から取られた。 これは可能性のある様々な手段を示しており、 個々の環境においては全てを使用する必要はないかも知れない。 用いられている基本的な原理は、等電位接続 ――異なった物体間での電位差の発生の防止のための全ての面の相互接続―― である。

作業面 [E1] は静電気拡散性のものとし、 ESD 接地設備 [C3] を介して大地 [C4] に接続すべきである。 動き回る人に対してはヒール・ストラップやトゥー・ストラップ [C8] を介した 静電気拡散性の床面 [G1] への接地の方が適当であろうが、 ワークステーションに居る作業者は 導電性リストバンドへのコード [C1] を介して接地電位に接続されるであろう。 リストバンド からのコードは接地接続ポイント [C5] に接続される。

作業者が着用する上着 [H1, H2] は、静電気拡散性のもので、 ESDS デバイスの近傍にくるかも知れない箇所では作業者自身の服を覆うべきである。 着用する全ての手袋 [C7] は、体積導電性材料のものであるべきである。

椅子 [F1] を作業者の接地の主な手段として考えるべきではないが、 静電気防止材料で覆われた、 その座面、背もたれ、及び肘掛けから床面への導電経路を持つものであるべきである。

コンポーネントは、接地面を持つ棚 [I1]、 あるいは接地されたラック [I2] に保管すべきである。 これら、そして作業台は、 接地用コード [C2] を介して ESD 接地に接続される。

コンポーネントやサブアセンブリが台車で運ばれる場合、 その台車は作業面と同様の導電性の面 [A3] と導電性のフレームとを持つべきである。 その車輪 [A1] が体積導電性であり、台車のフレームと電気的に接触しているならば、 接地用ワイパー [A2] の使用は不要となろう。 EPA の床面で接地されないならば、 積み込みや積み降ろしのために止まっている時には 台車はその接地ポイント [C6] から接地接続ポイント [C5] に接続されるべきである。

これらの手段の効果は、作業者が普通に作業している状態で、 残っている電位や電界を測定するために静電位計を用いて評価すべきである。 これらで最も精密なものは、ドリフトを防ぐために回転翼が電界を「チョップ」する 「field mill」原理を用いている。 追加的な手段には、20% 以下とならないように湿度を管理することと、 イオナイザ [D1] の使用が含まれる。 後者は、局所的な効果のみを持つ傾向がある。

作業者に彼らの責任を思い出させるために、 EPA の中やその出入口の掲示 [J1] を用いるべきである。

リストバンド、及びコードは、 導通テスタ [B1] を用いて定期的に試験すべきである。 導電性ヒール／トゥー・ストラップも、同様に試験すべきである [B2, B3]。

安全性

リストバンド・コード用のテスタは、 その抵抗が高過ぎず (等電位接続が達成できなくなる)、 かつ低過ぎない (安全上の危険を生じる) ことを確認する。

リストバンド・コードは、他の電気的コネクタと互換性のない クイック・リリース接続を持つ。 これは、それが他の電気的コネクタと嵌合しないこと、 そして緊急の際にはすぐに外れることを保証する。

良い EPA 作業プラクティス

要員は、従うべき手続きとともに注意を払う理由を含んだ 適切な訓練を受けるべきである。 損傷を受け得るコンポーネントの価値に関する知識も助けとなるであろう。

その EPA のメンテナンスの責任者として誰かが任命を受け、 正しい手順の監査を行なうべきである。 この監査は、品質管理システム監査の一部としても確認されるべきである。

運搬と保管

実装済みのプリント板は、EPA 外では 静電気シールド・バッグか導電性トート・ボックスに収めて運搬すべきである。 バッグによっては、 平衡状態において全ての部分が同一の電位にあることを保証し、 またそのバッグに与えられた電荷を均一に拡散させる、 体積導電性材料で作られていることがある。 それらはバッテリーを含むプリント板のためには適当ではなく、 静電気拡散性の内層と導電性の外層を持つ多層バッグを使用しなければならない。 この種のバッグはより高価であるが、 電源を持つ、及び電源を持たないアセンブリの双方に、より優れた保護を与えられる。 同様に、プリント板を保持するガイドを持つ導電性ボックスは、 裸のエッジ・コネクタを持つ電源を持つボードには使用できない。

現場での修理

規格

これらの規格は、この記事で述べた手段の 設置、維持管理、そして監査に関する要求のみではなく、 試験方法を含めて、静電気保護用製品そのものに対する詳細な要求も含んでいる。

これらの規格の使用によって得られた経験、技術や技法の発達、 そして自動機の使用の増加は、それらの見直しの契機となった。 この機会に、その構成の合理化と、 規定本文からのユーザー・ガイダンスの分離も行なわれた。 この改訂作業は IEC の国際フォーラムに移されており、 新しい規格は IEC 1340 シリーズ (訳註 ―― グランド・リナンバリングに伴って IEC 61340 となっている) として出されるであろう。 作られる予定のパートの完全なリストは Table 3 に示す。

これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、 その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。

Last update: 2001-12-13