La décharge électrostatique (ESD) est la libération soudaine d'énergie électrique statique d'un objet vers la terre, entre deux objets, ou entre un objet et une personne. Tant qu'il existe un potentiel électrostatique différent entre deux corps conducteurs, une décharge peut se produire. Avant d'aller plus loin, voyons rapidement quelques notions fondamentales sur l'électricité statique.

Qu'est-ce que l'électricité statique

Les manuels de base indiquent généralement que l'électricité statique résulte d'un déséquilibre entre charges positives et négatives dans des objets ou des matériaux. Cela est généralement causé par le contact et la séparation (ou le mouvement) d'un matériau contre un autre, entraînant le transfert de charges négatives, ou électrons, entre les matériaux. Le matériau qui perd des électrons devient chargé positivement, et celui qui en gagne devient chargé négativement. Ce déséquilibre produit un champ électrique mesurable capable d'influencer d'autres objets. 

Bien que les électrons déplacés puissent s'accumuler à la surface de l'objet récepteur, ils ont tendance à rester immobiles jusqu'à ce qu'ils soient libérés, c'est-à-dire déchargés. Nous avons donc une charge électrique au repos, autrement dit, une électricité « statique ».

Cette formation de charge électrostatique est appelée charge triboélectrique. La charge électrostatique se mesure en coulombs. Le coulomb (C) est une unité de charge électrique du Système international d'unités (SI), équivalente à la quantité d'électricité délivrée par un courant d'un ampère en une seconde. Plus couramment, cependant, la charge statique est exprimée en termes d'intensité du champ électrique, ou de tension de surface, du matériau mesuré.

La charge triboélectrique peut affecter, dans une certaine mesure, presque tous les matériaux, y compris les particules d'eau et de suie dans l'atmosphère ainsi que le corps humain. Vous et votre chien ou chat de compagnie pouvez tous deux en faire l'expérience simplement en vous touchant après avoir marché sur un tapis par une journée d'hiver sèche.

Le problème posé par l'ESD

Comme nous l'avons vu, les charges d'électricité statique peuvent s'accumuler à la surface d'un objet jusqu'à ce que les conditions soient réunies pour qu'elles soient libérées, ou soudainement déchargées. L'ESD est le transfert rapide de charge électrostatique d'un objet à un autre. Fondamentalement, l'ESD se produit lorsqu'un corps chargé devient soudainement électriquement neutre. La quantité de charge transférée est influencée par les propriétés des matériaux qui composent les objets, la surface de contact entre eux, l'humidité relative de l'air, ainsi que la vitesse de séparation des objets, entre autres facteurs.

La charge transférée circule généralement sous forme d'étincelle entre les deux objets conducteurs lorsqu'ils se rapprochent l'un de l'autre. Cet effet est connu depuis des centaines d'années et peut entraîner de graves problèmes s'il n'est pas maîtrisé. Par exemple, depuis des siècles, les armées utilisent des dispositifs et des matériaux, comme les poires à poudre en laiton, pour empêcher l'ESD d'enflammer accidentellement la poudre à canon sur le terrain. 

Outre la fabrication de munitions et d'explosifs, la charge statique et l'ESD peuvent également affecter les opérations dans les secteurs pharmaceutique, pétrochimique, textile, de la peinture, des plastiques, de l'impression et bien d'autres domaines. Le développement et la miniaturisation continue des appareils électroniques modernes ont également accentué les effets négatifs de l'ESD à tous les niveaux de la chaîne d'approvisionnement électronique. Cela peut avoir un impact négatif sur le rendement des produits, les coûts, la qualité, la fiabilité et, en fin de compte, la rentabilité. 

Effet de l'ESD sur l'électronique

L'ESD peut endommager de nombreux composants électroniques différents, les empêchant de répondre aux spécifications publiées, voire provoquant une défaillance complète du dispositif. Les composants sensibles peuvent aller de simples diodes à de coûteux circuits intégrés (CI). Les tensions ESD peuvent varier de quelques volts à des kilovolts, mais même des décharges de 100V ou moins peuvent causer des problèmes. Sachant qu'il suffit de ramasser un sac plastique sur un établi pour générer entre 1 200 et 20 000 volts, on mesure l'ampleur du problème.

Dans les dispositifs CI, le flux de courant ESD peut percer des trous dans les puces et provoquer des dommages aux contacts et aux interfaces, ainsi que des grillages. Les dommages causés par l'ESD peuvent également augmenter la production de chaleur dans les CI et endommager thermiquement les composants voisins sur la carte.

L'accumulation d'une charge statique sur un dispositif signifie également qu'un champ électrostatique et des lignes de force se forment autour de lui. D'autres dispositifs conducteurs qui s'approchent de ce champ peuvent être polarisés par induction. Si un autre dispositif sensible à l'ESD pénètre dans le champ alors qu'il est mis à la terre, un transfert de charge peut se produire.

Les dommages causés par l'ESD aux composants sensibles sont généralement provoqués par une décharge d'un matériau ou d'une personne vers un dispositif sensible, par une décharge provenant d'un dispositif sensible, ou par des charges induites par le champ. La survenue ou non d'un dommage dépend de la capacité du dispositif sensible à supporter la tension en cause ou de sa capacité à dissiper l'énergie de la décharge. Nous abordons certaines des solutions actuelles de prévention et d'atténuation de l'ESD dans un article distinct.

Types de dommages aux composants induits par l'ESD

Les types de dommages aux composants pouvant être causés par un événement ESD incluent :

• Défaillances paramétriques – lorsqu'un événement ESD modifie un ou plusieurs des paramètres de performance déclarés du composant affecté, sans toutefois le rendre non fonctionnel.
• Défaillance catastrophique – se produit lorsqu'un événement ESD endommage complètement le composant sensible et le rend non fonctionnel.
• Dommage latent – dommage causé par l'ESD à un composant, non détecté par mesure ou inspection visuelle, mais pouvant éventuellement entraîner une dégradation et une défaillance du dispositif en raison du stress opérationnel subi par le composant et de la réduction de sa durée de vie utile.

Plus d'informations

Nos amis de CircuitBread proposent de nombreuses informations utiles sur la manipulation des composants électroniques, notamment la mise à la terre et la protection des circuits. Vous pouvez consulter leur contenu à l'adresse www.circuitbread.com. Nous vous recommandons également de consulter ce que CircuitBread a à dire à ce sujet : What is Electrostatic Discharge?

Vous pouvez également approfondir vos connaissances sur l'ESD grâce à notre article « How to Prevent Electrostatic Discharge », disponible sur ce site web. 

Résumé

Pratiquement tous les matériaux, ainsi que les êtres humains, peuvent accumuler une charge statique susceptible d'endommager des objets lorsqu'elle est soudainement libérée. L'ampleur de cette charge est déterminée par la composition des matériaux, la vitesse de leur contact et de leur séparation, l'humidité de l'air, ainsi que d'autres facteurs. 

L'ESD peut endommager des dispositifs, y compris des composants électroniques. Ce dommage peut survenir à n'importe quel stade de la chaîne d'approvisionnement, de la fabrication aux tests, à la manutention, à l'expédition, jusqu'à l'insertion dans un autre système ou service sur le terrain. Ce dommage peut être coûteux, non seulement en ce qui concerne les composants endommagés eux-mêmes, mais aussi pour la réparation et la reprise de la carte dont ils font partie. La sensibilité à l'ESD peut varier considérablement selon le type de composant. Les procédures et systèmes de prévention et d'atténuation de l'ESD sont utiles et sont abordés dans un autre article sur ce site web.