1. ESD: analisi comparata
delle norme
Quinta edizione seminario LACE
13 Novembre 2015, Torino
Alessandro Corniani – Volta S.p.A.
2. L’offerta Volta per il settore EMC
Immunità
irradiata
Immunità
condotta
Emissioni
irradiate
Emissioni
condotte
Calibrazioni
irradiate
Calibrazioni
condotte
3. • L’energia statica è definita come una
carica elettrica causata da squilibrio
di elettroni sulla superficie di un
materiale.
• Si ha trasferimento di carica tra
corpi a diverso potenziale elettrico
dal contatto e successivo distacco di
due materiali.
• La creazione di elettricità statica è
chiamata effetto triboelettrico.
Il fenomeno
4. Scala triboelettrica
• Un materiale caricato positivamente tende a perdere elettroni e
vice versa.
• L’ordine non è costante né ripetitivo poiché dipende da diversi
fattori quali le condizioni ambientali, la velocità di strofinamento o
di separazione e l’area di contatto.
+ Positiva- Negativa
Pelliccia
Vetro
Mica
Capelli
Nylon
Piombo
LanaSeta
Alluminio
Carta
Cotone
Acciaio
Legno
Cera
Nickel
Rame
Ottone
Argento
Oro
Platino
Solfato
Acetilene
Cellulosa
Silicone
Teflon
5. L’influenza dell’umidità
Fonte 10..25% RH 69..90% RH
Camminare su
moquette
35000V 1500V
Camminare su
materiale vinile 12000V 250V
Operatore su un
banco di lavoro 6000V 100V
Prelievo di sacco
sintetico da
banco
20000V 1200V
Sedia con
schiuma in
poliuretano
18000V 1500V
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 RH [%]
15% 35%
antistatico
lana
sintetico
V [kV]
6. Sembra altro... ma è ESD!
• Gli effetti di ESD su componenti elettrici ed elettronici non sono
generalmente riconosciuti in quanto tali ma...
– sono creduti stress da transient invece che da cariche elettrostatiche
– sono reputati come random, mortalità infantile, difetti di produzione
– non sono approfonditi per mancanza di strumenti adeguati
– a volte viene accettata una elevata difettosità del processo perché è più
economicamente conveniente usare parti di ricambio
– si crede che certi controlli siano importanti solo al livello della produzione
del sub-componente elettronico
– si crede che l’utilizzo di protezioni possa risolvere tutti i problemi
– il difetto può presentarsi non subito dopo una scarica ma a seguito di
diversi episodi e quindi scollegato dalla causa
Fonte: DOD-HDBK-263, Foreword, 4
7. • Human Body Model
– Scarica da persona a componente
• Charge Device Model
– Carica di un componente (e.g. per
induzione elettrostatica) e scarica su
ambiente esterno
• Machine Machine Model
– Scarica tra componenti
Quale ESD?
Fonte immagine: Sanjay Agarwal su Electronic Design
8. Sorgenti tipiche
Processo Materiale
Superficie di lavoro Superficie cerate o verniciate, plastiche
Pavimenti
Cemento
Legno verniciato
Piastrelle in vinile
Vestiti
Abiti in materiale sintetico
Scarpe isolanti
Cotone (se umidità relativa inferiore al 30%)
Sedie
Legno verniciato
Vinile e fibra di vetro
Packaging Borse di plastica e imballaggi in materiali plastici
Aree di assemblaggio, prova e riparazione
Spray per pulizia e spray criogenici
Pistole termiche e soffianti ad aria calda
Saldatrici con punta non messa a terra
Spazzole in materiale sintetico
Pulitura ed essiccatura via fluidi o evaporazione
Camere climatiche
Sabbiatrici
Fotocopiatrici
Tubi a raggi catodici
Fonte: MIL-HDBK-263B, Table III
9. Guasti
• Intermittent or upset (transient) failures
– Guasto che occorre durante il funzionamento del DUT e che è caratterizzato da perdita
o temporanea distorsione di funzionalità.
– Valore di corrente o tensione provocato da disturbo condotto o irradiato associato alla
scarica ESD con ordine di grandezza inferiore a quello che può causare un guasto
hardware.
– Non si presenta guasto hardware apparente e le funzionalità riprendono
automaticamente una volta terminato l’impulso ESD.
• Hard failure
– Degrado o danno irreparabile che può presentarsi anche a seguito di diversi eventi ESD.
Fonte: MIL-HDBK-263B, Annex A
10. Guasti
Failure mechanism Energy Voltage
Microelectronic and
semiconductor devices
Film
resistors
Piezoelectric
crystals
Thermal secondary breakdown:
second breakdown junction melting
Metallization melt: metal conductors
or fuse bond melting
Dielectric breakdown: failure of a
dielectric material due to excessive
voltage
Gaseous arc discharge: vaporization
and metal movement, generally far
from the electrodes
Surface breakdown: high leakage
path around the junction
Bulk breakdown: metallization
alloying or impurity diffusion due to
localized high temperature
Fonte: MIL-HDBK-263B, Annex A
11. Normative di riferimento
IEC 61000-4-2:2008 – ESD immunity test
IEC 61000-6-1:2005 – Residential, commercial and light industry
IEC 61000-6-2:2005 – Industrial
ISO 10605:2008 – Test methods for electrical disturbances from ESD
ECE-R10 Rev.5 - Uniform provisions concerning the approval of vehicles
with regard to electromagnetic compatibility
Automotive specs
MIL-STD-461G – Draft – Electromagnetic interference characteristics of
subsystem and equipment
MIL-HDBK-263B – ESD control handbook for protection of electrical
and electronic parts
NATO AECTP 500 Ed.4
NATO AECTP 250 CV1
RTCA DO160G – Section 25
12. Cronistoria delle normative
Anno Civile Militare Automotive
1980 DOD-HDBK-263
1984 IEC 801-2 Ed.1
1985 MIL-STD-1686
1991 IEC 801-2 Ed.2 MIL-HDBK-263 A
1992 MIL-STD-1686B
1994 MIL-HDBK-263 B
1995 IEC 61000-4-2 Ed.1 MIL-STD-1686C
1998 IEC 61000-4-2 AMD1
2000 IEC 61000-4-2 AMD2
2001 IEC 61000-4-2 Ed.1.2 ISO 10605:2001
2004 RTCA DO160 E
2005 AECTP 500 Ed.2
2007 RTCA DO160 F
2008 IEC 61000-4-2 Ed.2 ISO 10605:2008
2009 AECTP 500 Ed.3
2010 RTCA DO160 G
2011 AECTP 500 Ed.4
2012 ECE R10 Rev.4
2014 ECE R10 Rev.5
2015
MIL-STD-461G
(draft)
13. ECE-R10 Rev.5
• 6.10.4
• Electrostatic discharge
– For vehicles fitted with tyres, the vehicle body/chassis can be considered
to be an electrically isolated structure. Significant electrostatic forces in
relation to the vehicle's external environment only occur at the moment of
occupant entry into or exit from the vehicle. As the vehicle is stationary at
these moments, no type approval test for electrostatic discharge is
deemed necessary.
Fonte: E/ECE/324/Add.9/Rev.5−E/ECE/TRANS/505/Add.9/Rev.5
15. Specifiche del generatore
Standard Ref. CD voltage
AD
voltage
Accuracy Polarity Rise time Holding time
IEC 61000-4-2 Tab.2 <1..8kV <2..15kV ±5% +/- 0.6..1.0ns ≥5s
IEC 61000-4-2
Ed.1
Tab.2 <1..8kV <2..15kV ±5% +/- 0.7..1.0ns ≥5s
ISO 10605 Tab.1 2..15kV 2..25kV 5% +/- 0.7..1.0ns ≥5s
MIL-STD-461G 5.16.3.2 <2..8kV 2..15kV ±5% +/- 0.6..1.0ns ≥5s
AECTP-500 26.3.2 <2..15kV ±5% +/- 0.7..1.0ns ≥5s
AECTP-250 fino a 25kV ±5% +/-
RTCA DO160G 25.5.2 15kV [-0%, +10%] +/-
16. Reti di scarica
• La capacità dell’essere umano varia da 50pF a 250pF.
• La resistenza varia da 100 a 100k.
• IEC 61000-4-2 definisce come rappresentativo 150pF 330.
• ISO 10605 chiarisce che 330 è la scarica da un corpo con in mano una
chiave o un attrezzo e 2000 dalla pelle umana.
• ISO 10605 chiede 150pF per punti esterni veicolo e 330pF per interni.
• Per prove su non-munizioni AECTP-250 vuole 150pF 330; per munizioni si
passa a 500pF e 500 o 5k.
Standard
150pF
330
330pF
330
150pF
2000
330pF
2000
500pF
500
500pF
5000
IEC 61000-4-2
ISO 10605
MIL-STD-461G
AECTP-500
AECTP-250
RTCA DO160G
19. Livelli di prova: linee guida
Class
RH as low
as:
Antistatic
material
Synthetic
material
Maximum
voltage
MIL-HDBK-263B
Class
1 35% 2kV Class 1
2 10% 4kV Class 2
3 50% 8kV
4 10% 15kV Class3
Fonte: IEC 61000-4-2 Table A1 e MIL-HDBK-263B 3.10
22. Numero di scariche
Standard Ref. Numero di scariche
IEC 61000-4-2 8.3.2 e 8.3.3.2
Almeno 10 scariche nella polarità più
sensibile a intervalli maggiori di 1s
ISO 10605 8.3.5, 9.3.5 e 10.3.5
Almeno 3 scariche dirette per tensione e
polarità a intervalli maggiori di 1s
ISO 10605 8.4.3
Almeno 50 scariche indirette per tensione e
polarità a intervalli maggiori di 50ms
ISO 10605 F.4.2 e F.4.3
Almeno 10 scariche per ogni tensione e
polarità a intervalli maggiori di 2s
MIL-STD-461G 5.16.3.4 Applicare 5 scariche positive e 5 negative
RTCA DO160G 25.3 Applicare 10 scariche positive e 10 negative
23. Punti di prova
Standard Ref. Punti di prova
IEC 61000-4-2 8.3.2
Tutti i punti e le superficie accessibili da una persona
durante il funzionamento normale.
Esclusi i punti accessibili durante la manutenzione, punti
accessibili da service dell’utente (e.g. cambio batteria),
punti non accessibili dopo l’installazione, contatti
coassiali e pin su eventuale connettore metallico (Tab.4).
ISO 10605 Varie
Tutte le aree accessibili da chi usa il veicolo (manopole,
comandi, display, controlli, antenne...) sia dall’interno,
sia dall’esterno e oggetti conduttivi nei dintorni del
provino.
MIL-STD-461G 5.16.3.3
Tutti i punti e le superficie accessibili dall’operatore o
dall’installatore durante il funzionamento normale. Sono
da considerare anche tutti i punti conduttivi e non
conduttivi in aree di controllo o tastiere, manopole, leve,
pulsanti, indicatori LED e tutte le aree accessibili in
generale per ogni lato del provino. Prova diretta sui pin
singoli solo su necessità.
24. Scariche sui connettori
Fonte: IEC 61000-4-2 Table 4
Case
Connector
shell
Cover material Air discharge Contact discharge
1 Metallic None - Shell
2 Metallic Insulated Cover Shell when accessible
3 Metallic Metallic - Shell and cover
4 Insulated None [Pin] -
5 Insulated Insulated Cover -
6 Insulated Metallic - Cover
25. Scarica del provino
• In ISO 10605 8.3.5, 9.3.5 e 10.3.5 si chiede che il provino venga
scaricato con un bleeder wire ad alta resistenza, aumentando il
tempo tra scariche o con uno ionizzatore di aria, così come previsto
anche da MIL-STD-461G 5.16.3.2 e seguenti
• In IEC 61000-4-2 7.2.4 si parla di prove su provini isolati da terra e
su come occorra scaricare il provino dopo ogni scarica ESD di prova.
Per questo motivo, è già previsto 1s di distanza tra scariche ma è
consigliata un’eventuale scarica manuale. Il provino è considerato
scarico quando ha raggiunto una tensione pari al 10% del valore di
scarica iniziale. Lo ionizzatore previsto in 7.1.3 della norma
precedente è stato eliminato nell’aggiornamento della norma.
• Uno strumento che permetta di scaricare automaticamente è
decisamente un’opzione che permette di essere sicuri della
correttezza delle proprie prove.
26. Valutazione esiti
a) Performance invariata nei limiti di funzionamento specificati dal
costruttore
b) Perdita temporanea di funzione o degrado di performance che
cessa dopo il disturbo senza intervento dell’operatore
c) Perdita temporanea di funzione o degrado di performance che
necessita dell’intervento dell’operatore
d) Perdita di funzione non recuperabile
27. VOLTA S.p.A.
I-39100 Bolzano BZ • Via del Vigneto, 23
Tel. +39 0471 561.000 • Fax +39 0471 561.100
info@volta.it • www.volta.it
Misure e prove M.T./ A.T.
Localizzazione guasti nei cavi
Cavi e pressacavi
Tavoli da laboratorio e postazioni
di lavoro
Controllo della produzione
Bilance di precisione
Compatibilità elettromagnetica EMC
Sicurezza elettrica e meccanica
Ricerca perdite idriche e fughe gas
Ispezione di condotte
Alessandro Corniani
aco@volta.it
340 489 15 79
Fabio Tornaghi
fto@volta.it
335 540 11 00
Georg Baumgartner
gba@volta.it
335 565 00 65
Giancarlo Cenni
gce@volta.it
335 563 8545
Ivan Bertoldi
ibe@volta.it
335 840 8534
