Introduzione

Il Comitato Tecnico CEI CT 101 nasce nel 1995 in concomitanza con la costituzione del suo Comitato internazionale di riferimento IEC TC 101 “Electrostatics”; fino ad allora le attività normative in questo campo erano gestite dal Comitato CEI CT 15 “Materiali isolanti – Sistemi di Isolamento”.

Buona parte dei materiali utilizzati per la protezione ESD (Electro Static Discharge), sebbene attraverso la loro resistenza elettrica siano definiti conduttivi e dissipativi, risultano isolanti per la dinamica. Ad esempio, uno dei criteri con cui viene definita la classe dei materiali ESD (imballaggi) è la resistenza oppure resistività superficiale; un materiale che evidenzia una resistenza di 50 kΩ potrebbe essere considerato dissipativo per la statica mentre per la dinamica è a tutti gli effetti un isolante.

All’inizio degli anni ‘90, la diffusione di componenti e prodotti elettronici ebbe una evidente accelerazione e conseguentemente la loro esposizione ad eventi ESD determinò molta attenzione da parte degli addetti ai lavori, sia nell’ambito della progettazione che in quello della  manipolazione.

Grazie alla spinta tecnologica, anche la cultura ESD in Italia si sviluppò nei primi anni Novanta e questo fu possibile anche e grazie all’infaticabile lavoro svolto dal Prof. Luigi Centurioni e dal Prof. Gianfranco Coletti della Università di Genova (DIE).

In  quegli  anni  le  normative  ESD erano in una fase embrionale e notevoli risultavano le attività di ricerca e sperimentazione orientate anche alla realizzazione di metodi di prova.

Un aspetto importante fu pure quello di indirizzare gli sforzi verso normative di sistema che potessero indicare i criteri da adottare nel- la manipolazione e nella movimentazione di ESDs (Electrostatic Discharge Sensitive Devices -– Figura 1) e così pure i criteri di base per la gestione di un programma ESD.

In questa fase la spinta nazionale fu notevole in quanto la nostra delegazione partecipò a diverse attività di prova inter-laboratorio (Round Robin Test) proponendo e sviluppando nuovi metodi di prova che vennero poi inseriti nella prima edizione della pubblicazione IEC 61340-5-1 (Norma CEI EN 61340-5-1) del 2001.

Scenari

Le aree EPA (ESD Protected Area) e i sistemi di protezione ESD devono essere necessariamente progettati in accordo alle normative di sistema  vigenti;  a tal proposito la Norma  CEI  EN 61340-5-1 “Protezione dei componenti elettronici da fenomeni elettrostatici – requisiti generali” indica prescrizioni per la protezione ESD in processi elettronici nei quali eventi ESD, meno rilevanti in altri casi, diventano estremamente critici; la massiva presenza di isolanti di processo richiede ulteriore attenzione e tutte le postazioni ESD di carico/scarico devono essere valutate  e spesso  prevedere l’impiego di sistemi attivi.

L’avvento dei polimeri in buona parte dei processi elettronici ha fatto sì che la terza edizione (2016) della Norma IEC 61340-5-1, oltre a porsi l’obbiettivo di fornire indicazioni e prescrizioni maggiormente restrittive per garantire il massimo potenziale di 100 Volt (HBV – Human Body Voltage – potenziale sul corpo umano) all’interno di aree protette, indi- ca pure il livello massimo di CDM (Charged Device Model) di 200 Volt e stabilisce un potenziale mas- simo di 35 Volt per conduttori non connessi a terra che può essere interpretato come il precedente livello MM (Machine Model).

Quanto sopra richiede una valutazione accurata dei materiali e dei prodotti utilizzati in EPA (Figura 2) ma soprattutto un’analisi dettagliata di tutte le postazioni manuali ed automatiche allo scopo di garantire la gestione consona degli isolanti di processo (Figura 3).

La progettazione di aree EPA e di adeguati sistemi per la movimentazione rappresentano una delle fasi più importanti per poter assicurare la protezione da eventi ESD anche in funzione del trend della tecnologia.
Pertanto l’utilizzo di materiali idonei deve necessariamente garantire l’efficienza dei sistemi di protezione utilizzati.

A tal proposito, la Norma CEI-EN 61340-5-1 richiede prescrizioni sia per la qualifica dei sistemi di protezione, la quale deve tassativamente essere condotta nelle con- dizioni maggiormente critiche (12% di umidità relativa), ma anche per la verifica che deve tradursi in attività di monitoraggio periodiche atte a garantire l’efficienza dei sistemi impiegati nel tempo; in questo caso il robust design suggerisce l’impiego di prodotti che mantengano le loro caratteristiche per tutta la loro vita e sistemi di monitoraggio continuo che possano comunicare costantemente con l’utenza a garanzia della sicurezza dei processi

La Norma CEI EN 61340-5-1 prescrive e indica requisiti sia per elementi tecnici che amministrativi; nello specifico:

• Elementi tecnici – gli elementi tecnici contemplano requisiti per le aree protette (EPA) e per la movimentazione indicando i massimi livelli di potenziale e campo elettrostatico ESD;
• Elementi amministrativi – stabiliscono i criteri minimi di un programma di base il quale deve contemplare aspetti quali: ruoli, attività di maintenance, monitoraggio e formazione.

Gli elementi amministrativi possono essere considerati  più flessibili e sono necessariamente legati al tipo di “organizzazione”, alla complessità del processo, ma anche alle dimensioni dell’azienda; i requisiti tecnici invece sono mandatori ed il programma ESD in conformità alla Norma CEI EN 61340-5-1 deve basarsi di fatto su 4 elementi prestabiliti:

1. Personale (prescrizioni per la messa a terra del personale);
2. Area Protetta (prescrizioni per i sistemi da adottare per poter garantire il collegamento equipotenziale dei sistemi passivi);
3. Isolanti (gestione di isolanti di processo e prescrizioni per quelli non necessari al processo);
4. Imballaggi (prescrizioni per la movimentazione di parti sensibili a ESD).

Si rammenta che in merito agli imballaggi la nuova edizio-ne della IEC 61340-5-1 delega completamente le prescrizioni alla Norma IEC 61340-5-3 “Protezione dei dispositivi elettronici dai fenomeni elettrostatici – Classificazione delle proprietà e dei requisiti per gli imballi dei dispositivi sensibili alle scariche elettrostatiche”.

Tale normativa è giunta nel 2015 alla seconda edizione nonostante venga poi citata in modo formale nella edizione 2016 della IEC 61340-5-1.

Quanto sopra è determinato dai tempi tecnici necessari all’emissione delle norme internazionali IEC che in taluni casi richiedono tempi lunghi in funzione della complessità tecnica del documento.

L’iter infatti è complesso anche in relazione all’elevato numero di Paesi che contribuiscono alla realizzazione delle documentazioni e che ragionevolmente debbono spesso sostenere le posizioni nazionali.

Attività del Comitato CT 101

Il Comitato IEC TC 101 è decisamente attivo in quanto le normative ESD non possono prescindere dalla costante evoluzione tecnologica che ha contribuito alla diffusione dei componenti e degli apparati elettronici in settori che precedentemente non ne facevano uso quali la domotica, l’elettromedicale, l’illuminotecnica, l’automotive e le apparecchiature ad uso domestico.

Allo scopo di diffondere le normative ESD, alcuni operatori di settore e così pure il CEI in qualità di Comitato Nazionale, sin dagli anni Novanta hanno sostenuto la realizzazione del Convegno Nazionale ESD che quest’anno (2019) ha raggiunto la XXI edizione organizzata presso STMicroelectronics in Castelletto.

A complemento della Norma CEI EN 61340-5-1 sono stati realizzati diversi metodi di prova atti a caratterizzare i sistemi di protezione impiegati per la protezione ESDs sia in sede di qualifica che di verifica.

Conclusioni

La progettazione di aree protette e di sistemi di protezione ESD trovano nelle normative di sistema vigenti un valido apporto.

Tra gli aspetti da migliorare vi è sicuramente la diffusione in quanto molte realtà coinvolte non sempre sono consapevoli del valido apporto che esse possono fornire.

A garanzia della affidabilità dei processi ESD, la Norma CEI-EN 61340-5-1 indica la figura del coordinatore ESD quale indispensabile. Non sempre gli incaricati dispongono di opportuna formazione e di strumentazioni adatte a valutare le esigenze e i livelli di rischio ESD.

Le precauzioni adottate per il modello umano risultano spesso sufficienti mentre le precauzioni in merito ai modelli CDM, MM e relativi ri- schi in EPA spesso non sono applicate adeguatamente e quindi esponendo i processi sensibili a ESD a rischi elevati.