03 מרץ תוכנית לבקרת ESD- מניעת נזקי חשמל סטטי- החזר על ההשקעה (ROI)

תוכנית לבקרת מפגעי חשמל סטטי (ESD (Electro Static Discharge) Control program), או בשמה הרווח "תוכנית לבקרת ESD", מהווה חלק מהותי מתהליכי אבטחת האיכות בסביבת ייצור אלקטרוניקה כאשר מדובר בטיפול ברכיבים ומעגלים אלקטרוניים. הצורך בתוכנית לבקרת ESD נקבע על ידי רגישות הרכיבים והמכלולים לפריקה חיצונית בלתי מבוקרת של מטען אלקטרוסטטי.

הסיבה העיקרית לפיתוח תוכנית בקרת ESD  הינה רצון החברות לחסוך בכסף. הגברת היקף הייצור והקטנת היקף הפסילות עשויות ליצור "החזר על השקעה" (ROI) עד 1000% לשנה2. הסיבה השנייה לפיתוח תוכנית בקרת ESD היא הדרישות הנובעות מיישום נהלי אבטחת איכות, ודרישה ליישום של נהלי ESD מצד לקוחות החברה, נהלים כגון תקן IEC61340-5-1, שאומץ גם ע"י מכון התקנים הישראלי, ANSI/ESD S20.20-2014, וכן על פי הוראות תקני אבטחת האיכות אחרים הרלוונטיים לאתר היצור, כגון ISO 13485, FDA, וכד'.

ללא קשר לסיבה, אין כמעט עוררין על העובדה כי פיתוח ויישום תוכניתESD  מוליכה באופן ישיר לתוצאות כלכליות מיטביות.

הפחתת עלויות באמצעות תוכנית בקרת ESD (בקרת מפגעי חשמל סטטי)

קיום מודעות ארגונית ואישית לנזקי ESD ויישום בלתי מתפשר של תוכנית לבקרת ESD חיוניים להפחתת פסילות המוצרים על רקע ESD. דווקא בגלל שקשה להעריך את סדר הגודל הכלכלי של נזקי ESD במהלך היצור, הנזק הגדול ביותר ממטען אלקטרוסטטי מתגלה ברמת המוצר הסופי, כאשר זה יוצא מהמפעל במצב של תפקוד לקוי כתוצאה מנזק מלא או חלקי לרכיבים אלקטרוניים רגישים. מפגעי ESD פוגעים באמינות המוצר באופן ברור וחמור יותר ככל ששלב התבטאות הפגיעה מרוחק יותר משלב הייצור. תקלות המתרחשות אצל המשתמש הסופי או לאחר שהמוצר עבר תהליך של בדיקות סופיות (Latent failure, "Walking Wounded"), פוגעות ביצרן או במשווק באופן יקר ומורכב ביותר, בייחוד בגלל הצורך בבדיקות כוללות לדגם, בטיפול במוצר עצמו בשטח, בהחזרה לאתר הייצור, בפיצוי הלקוח, בהקצאת משאבים חלופיים ובעיקר, פגיעה במוניטין המוצר. תוכנית בקרת ESD יעילה המותאמת לאתר היצור תשפר את התפוקה, תגביר את אמינות המוצר, תתרום לשביעות הרצון מהמוצר ומהיצרן, וכתוצאה מכך תשפיע לטובה על הגדלת ההכנסות.

ESDS – רגישות רכיבים לפריקה בלתי מבוקרת של מטען אלקטרוסטטי

כיום מעטים הרכיבים היוצאים לשוק לאחר שנבדקו וקיבלו ציון ESDS (Electrostatic Discharge Susceptibility). מגוון אתרי היצור, כמות עצומה של רכיבים מזויפים והדרישה המתמדת להפחתת עלויות מקשים מאד על תהליכי סטנדרטיזציה של ציון ESDS. סיווג יסודי של רכיבים אלו חייב לכלול הפעלת פרוטוקול בדיקה בהתאם להליכי הבדיקה הבין-לאומיים (HBM, MM, CDM), כך שרגישותם לפריקה אלקטרוסטטית תיקבע בהתאם למיקום בתהליך הייצור6.

נכון שהיכרות עם רמת רגישות הרכיב והמעגל האלקטרוני ל-ESD תביא לפיתוח תוכנית בקרת ESD היעילה והחסכונית ביותר, אבל חשוב לזכור שיצור אלקטרוניקה אינו מערב רכיבים בלבד, אלא גם מעגלים ומכלולים רבים ומגוונים, וחשוב יותר להכיר בעובדה כי ההשקעה הכלכלית בבקרת ESD קטנה לעין ערוך מן הנזקים הפוטנציאליים. המסקנה המתבקשת היא שכדאי להשקיע בתוכנית לבקרת ESD בכל מקרה.

תוכנית לבקרת ESD

התוכנית לבקרת ESD חייבת להיות ערוכה ומוטמעת באופן מלא ודקדקני בהתאם לדרישות התקנים הבין-לאומיים, IEC61340-5-1 או ANSI/ESDA S 20.20. הנזקים הכלכליים כתוצאה מנזק המיוחס ל-ESD מתבטאים באחת או יותר מן התופעות הבאות: אובדן זמן, אובדן קשר, אובדן מידע, "מכת חשמל" עד לגרימת כאב לעובדים, הפרעה למערכות ממוחשבות עד כדי " Re-Boot", נזק לציוד וכשל בחומרה. על מנת לברר ולהגדיר מהו גובה ההחזר על ההשקעה בתוכנית בקרת ESD, יש לאסוף מידע על עלויות החזרות, תיקון ופסילה של ציוד לפני ואחרי יישום התוכנית.

טרי אומאלי, לשעבר מנהל איכות ואחראי ESD בחברת AT&T, אסף מידע כזה לפני ואחרי יישום תוכנית לבקרת ESD. המידע שנאסף מראה בבירור חיסכון בהיקף של כ-50% בעלויות ההחזרות והתיקון, בשני האתרים שנסקרו (ראה תרשים 1)2.

הפחתת עלויות

ניתוח עלויות

תרשים 2 מייצג באופן מופשט את הרווחים מהתוכנית לבקרת ESD של Lucent Technologies ביחס לרמת ההיענות לדרישות התוכנית. גובה ההחזר על השקעה (ROI) האופייני לתוכנית בקרת ESD הוא 1000%. אמנם מחד התוכנית צריכה להיבנות כך שתמזער באופן יעיל את ההוצאות על יישומה, אולם מאידך אסור לשכוח כי פגיעה באמינות המוצר ובמוניטין החברה עשויים לעלות לחברה בהפסד של עשרה מליון דולר ואף יותר.

מחויבות כל הגורמים ליישום יעיל

הגנה על רכיב רגיש לחשמל סטטי (ESDS DEVICE) בכל תחנות קו הייצור, למעט אחת, אינו קביל. יעילותה של תוכנית לבקרת ESD  מושתת על שני עקרונות פעולה חיוניים: יסודיות בתכנון ודקדקנות ביישום. נזקי ESD אינם פשוטים לזיהוי או לתיקון, ולכן הנהלת החברה, המנהל המתכנן והעובד המיישם חייבים כולם בהקפדה על משמעת ESD לאורך כל ה-EPA  (Electro Static Protected Area)-  החל ממחסן קליטת חומרי הגלם, דרך השינוע, הייצור, אחסנת התוצרת הגמורה, וכלה בניפוק ללקוח.

מעל 21% מבדיקות הכשל בתעשיית האלקטרוניקה מראים שמעל 30% מכלל כשלי הרכיבים האלקטרוניים ניתנים לייחוס לפריקה בלתי מבוקרת של חשמל סטטי. חברות מצליחות כגון AT&T, מוטורולה, HP ו-IBM הצליחו לאתר את נקודת כשל ה-ESD, להעריך את עלות הנזק ולשקלל את גובה ההחזר על ההשקעה בתוכנית בקרת ESD שלהן. חברות אלו החליטו כי ההחזר על השקעותיהן בתוכנית לבקרת מפגעי חשמל סטטי הינו חלק בלתי נפרד מרווחיהן וממקור הצלחתן (ראה תרשים 1).

אפילו לאחר יישום מוצלח של תוכנית בקרת ESD, עדיין עשויות יצרניות אלקטרוניקה לאבד כ- 5% מתוצרתן עקב פסילות מוצרים. מניעת בזבוז והשקעת-יתר בתוכנית לבקרת ESD חשובים ביותר להצלחת התוכנית. מקור בתעשיית האלקטרוניקה5 מצהיר כי החזר אופייני להשקעה בתוכנית בקרת ESD עומד על 1:95, קרי החזר של 95$ במניעת נזקי ESD על כל 1$ המושקע בתוכנית5.

התגברות ברמת רגישות הרכיבים לנזקי ESD

ההבדל ברמת הרגישות של רכיבים שונים נעוץ בשוני בארכיטקטורה של הרכיב ובאופי האריזה (Packaging) שלו. מטבע הדברים, רכיבי SMT יהיו רגישים יותר מרכיבים אחרים. רוחב המוליכים עשוי להגיע ל- 0.1 מיקרומטר ואף פחות מכך. כדי לארוז יותר ויותר מוליכים באריזת הרכיב וכדי למצות עד כמה שניתן את יתרונות המזעור, השכבות המבודדות הולכות ונעשות דקות יותר ויותר, ומגיעות לכדי 300 מיקרומטר ואף פחות. הגוף האנושי אינו חש בחשמל סטטי לפני הגיעו לרמת 3000 וולט. פריקה בלתי מבוקרת של חשמל סטטי היא כמו מכת ברק זעירה המייצרת חום מקומי גבוה עד כדי התכת המוליכים הדקים ולהעברת החום דרך השכבות המבודדות. כיום ישנם כבר רכיבים שאינם עומדים בפריקה של כמה עשרות בודדות של וולטים.

 

טבלה 1 – מגמות במידות מוליכים ומתח הפעלה. מקור: Terry Welsher, Bell Labs, Lucent Technologies, 12/2/97 [5]

Technology Trends
Year 1995 1998 2001 2004 2007
Feature size (mm) 0.35 0.25 0.18 0.12 0.10
Voltage (V) 3.5 2 – 3.5 1.50 – 1.9 1.0 – 1.5 1.0

במעגלים משולבים, מניין היציאות-כניסות (Input/Output (I/O)) טיפס מ-600 ל-1000 ואף יותר מכך, וכתוצאה מכך המרווח בין I/Os קטן והולך באופן דרמטי. במקומות בהם יש שימוש ב- wire bonding, מרווח האוויר בין ה- I/Os קטן עד כדי כך שקיימת סכנת התכה גם ל- I/Osשכנים. התחכום ההולך ומתגבר של המוצרים האלקטרוניים גורם להתגברות דומה של הרגישות לפריקה בלתי מבוקרת של מטען אלקטרוסטטי. זוהי מגמה שתלך ותתעצם בעתיד הקרוב.

אזורים מסוכנים באתר הייצור

מעבר הרכיבים באזור שאינו EPA מגביר פי כמה את הסכנה לפגיעה. הטבלה דלהלן מראה פעילות אופיינית לאזור ייצור ביחס לרמת הלחות היחסית (RH) וגובה המטען האלקטרוסטטי הנוצר (בוולטים), כפי שנמדד על גבי עובדים וחפצים. ניתן לזהות עלייה עד פי 5 ברמת ייצור המטען האלקטרוסטטי כשהלחות היחסית יורדת ל- RH10%:

RH 10% RH 40% RH 55% האירוע
35,000 15,000 7,500 הליכה על שטיח "מקיר לקיר"
12,000 5,000 3,000 הליכה על רצפת PVC שאינה אנטיסטטית.
6,000 800 400 תזוזה על כסא שאינו אנטיסטטי וניתן להארקה
2,000 700 400 הוצאת רכיבים מסרגל שאינו אנטיסטטי
11,500 4,000 2,000 הוצאת רכיבים מקופסת פלסטיק שאינה אנטיסטטית
14,500 5,000 3,500 הוצאת רכיבים ממארז "בוטני קלקר" שאינם אנטיסטטיים
26,000 20,000 7,000 הוצאת מעגלים ורכיבים משקית ניילון- בועות שאינו אנטיסטטי
21,000 11,000 5,500 הוצאת כרטיסים ממארז ספוג או "קלקר" שאינם אנטיסטטיים

בנוסף, קיימים מספר נושאים חשובים בהם תוכנית יעילה של בקרת ESD באזור הייצור צריכה לגעת, כגון: הדרכת עובדים בנושא ESD, מינוי אחראי ESD, פיקוח על קיום נהלי ה- ESD, ביצוע סיקור ESD, הצטיידות בציוד אנטיסטטי וחומרים לבקרת ESD, שימוש בחומרי ניקוי אנטיסטטיים, מערכות יוניזציה ועוד.

סיכום

תוכנית בקרת ESD מקיפה ומיושמת כהלכה היא אמצעי מוכח לחיסכון, עם החזר על ההשקעה המגיע עד ל- 1000% בשנה, או 95$ החזר בחיסכון על כל 1$ דולר המושקע בתוכנית.

מקורות

  1. ESD Control, (Return on Investment), ESD Control & (Huge) Cost Savings, By Ryne C. Allen, Desco Industries Inc. (DII), Employee Owned, November 1999, Reproduced with Permission, EE-Evaluation Engineering, November 1999.
  2. "How to Set UP and ESD Control Program", Allen, Ryne, EE, February 1999
  3. ESD Program Management, 2nd Edition, Dangelmayer, G. Theodore, Kluwer Academic Publishers, Boston, MA, 1999
  4. Electrostatic Discharge Control, McAteer, Owen J., McGraw Hill Publishing, New York, 1990 http://www.netlabs.net/, Chase, Gene, Gene Chase's Shocking Home Page, 6/99
  5. ESD Association, NE Chapter General Meeting, Speaker: Terry Welsher, Bell Labs, Lucent Technologies, 12/2/97
  6. The ESD Association, 7900 Turin Road, Bldg. 3, Suite 2, Rome, NY 13440-2069, http://esda.org

 

משה גרופר מוסמך בישראל לביצוע מדידות וסיקורים של חומרים אנטיסטטיים ואזורים מוגנים בפני פריקה אנטיסטטית, חבר מן המניין באיגוד ESDA ארה"ב, חבר (על פי זימון) בועדות תקינה רלוונטית של מכון התקנים. מתמחה מאז 2002 בכל הקשור לבקרת מפגעי חשמל סטטי בתעשיית האלקטרוניקה בפרט ובתעשייה בכלל. הפעילות כוללת יעוץ לארגונים בהצטיידות הרלוונטית, ביצוע הדרכות והכשרות לקבוצות ויחידים, עזרה בבניית תוכנית בקרת ESD ארגונית, עריכת סקרי ESD (Audits), ביצוע מדידות ובדיקות חשמליות לציוד ותשתיות שנועדו לבקרת חשמל סטטי, איתור ומניעת מפגעים אפשריים ופתרון בעיות איכות בייצור הנובעות מהצטברות ופריקה בלתי מבוקרת של מטענים אלקטרוסטטיים.

No Comments

Sorry, the comment form is closed at this time.