Кіріспе
Электрлік зарядталған екі объектінің арасындағы электр тогының кенеттен ағысы – екі түрлі зарядталған объектінің бір-біріне жақын келуі немесе олардың арасындағы диэлектрик бұзылуы кезінде электр тогының кенеттен және уақытша ағысы, көбінесе объектілер арасындағы статикалық электрмен байланысты көрінетін ұшқын пайда болады. Электростатикалық разряд (ЭСР) әсерлі электр ұшқындарын (найзағай мен онымен бірге келетін о қалдырышы үлкен масштабтағы ЭСР оқиғасының мысалы) тудыруы мүмкін, сонымен қатар, көрінбейтін және естілмейтін, бірақ сезімтал электрондық құрылғыларға зақым келтіру үшін жеткілікті болатын аз әсерлі түрлер де болуы мүмкін. Электр ұшқындары ауада шамамен 4 × 106 В/м-ден жоғары өріс күші қажет етеді, бұл әсіресе найзағай шабуылында байқалады. ЭСР-дың басқа түрлері: өткір электродтардан короналық разряд, дөңгелек электродтардан щеткалық разряд және т.б. ЭСР өнеркәсіпте маңызды зиянды әсерлерге әкелуі мүмкін, оның ішінде газ, жанар май буы және көмір шаңының жарылысы, сондай-ақ интегралды схемалар сияқты қатты күйдегі электрондық компоненттердің істен шығуы. Олар жоғары кернеуге ұшырағанда тұрақты зақымдануы мүмкін. Сондықтан электроника өндірушілер статикалық электрден таза аймақтарды құрып, зарядталудың алдын алу үшін шаралар қолданады, мысалы, жоғары зарядталатын материалдарды пайдаланудан аулақ тұру, ал статикалық зарядты жою үшін жұмысшыларды жерге қосу, антистатикалық құрылғылармен жабдықтау және ылғалдылықты бақылау. ЭСР симуляторлары электрондық құрылғыларды сынау үшін қолданылуы мүмкін, мысалы, адам денесінің немесе зарядталған құрылғының моделімен.
Electrostatic discharge (ESD) is a sudden and momentary flow of electric current between two differently charged objects when brought close together or when the dielectric between them breaks down, often creating a visible spark associated with the static electricity between the objects. ESD can create spectacular electric sparks (lightning, with the accompanying sound of thunder, is an example of a large scale ESD event), but also less dramatic forms which may be neither seen nor heard, yet still be large enough to cause damage to sensitive electronic devices. Electric sparks require a field strength above approximately 4 × 106 V/m in air, as notably occurs in lightning strikes. Other forms of ESD include corona discharge from sharp electrodes, brush discharge from blunt electrodes, etc. ESD can cause harmful effects of importance in industry, including explosions in gas, fuel vapor and coal dust, as well as failure of solid state electronics components such as integrated circuits. These can suffer permanent damage when subjected to high voltages. Electronics manufacturers therefore establish electrostatic protective areas free of static, using measures to prevent charging, such as avoiding highly charging materials and measures to remove static such as grounding human workers, providing antistatic devices, and controlling humidity. ESD simulators may be used to test electronic devices, for example with a human body model or a charged device model.
Себептер
ЭҚҚ оқиғаларының бір себебі – статикалық электр. Статикалық электр энергиясы көбінесе трибозарядтау арқылы туындайды, яғни екі материал жанасқанда және кейіннен ажыратылғанда электр зарядтарының бөлінуі. Трибозарядтау мысалдарына кілем үстінде жүру, құрғақ шашты пластикалық тарақпен сүрту, свитерге шашты сүрту, матадан жасалған автокөлік орындығынан тұру немесе пластикалық қаптаманың кейбір түрлерін ашу жатады. Мұндай жағдайлардың барлығында екі материалдың байланысын үзу трибозарядтауға алып келеді, соның салдарынан ЭҚҚ оқиғасына ұшыратуы мүмкін электр потенциалының айырмашылығы пайда болады. ЭҚҚ зақымдануының тағы бір себебі – электростатикалық индукция. Бұл, электр заряды бар затты жерге оқшауланған өткізгіш заттың жанына жақын орналастырғанда болады. Зарядталған заттың болуы екінші заттың бетіндегі электр зарядтарының қайта бөлінуіне себеп болатын электростатикалық өріс тудырады. Заттың жалпы электростатикалық заряды өзгермесе де, енді оның артық оң және теріс зарядтары бар аймақтары пайда болады. Егер зат өткізгіш жолмен жанасса, ЭҚҚ оқиғасы болуы мүмкін. Мысалы, пенопласт кеселердің немесе қаптардың бетіндегі зарядталған аймақтар электростатикалық индукция арқылы жақын жердегі ЭҚҚ-ға сезімтал компоненттерде потенциалды тудыруы мүмкін, ал компонент металл құралмен жанасса, ЭҚҚ оқиғасы орын алуы мүмкін. ЭҚҚ сондай-ақ, энергетикалық зарядталған бөлшектердің затқа тиюінен де туындауы мүмкін. Бұл беттік және терең зарядталудың күшеюіне әкеледі. Бұл көптеген ғарыш аппараттары үшін белгілі қауіпті құрайды.
Түрлері
Электростаттық разрядтың (ЭРТ) құбылыстары күрделілігі мен шамасы бойынша әртүрлі, ал көзге көрінетін электр ұшқыны – ең айқын және күшті мысал. Бұл, ауадағы күшті электр өрісі ауаны иондағанда, электр тогын өткізе алатын өткізгіш арна пайда болып, осы кезде орын алады. Адамдар мұны жеңіл дискомфорт сезімі ретінде қабылдауы мүмкін, бірақ ЭРТ электрондық компоненттерге елеулі зақым келтіріп, олардың жұмысын бұзуына және істен шығуына әкелуі мүмкін. Қауіпті ортада, тұтанғыш газдар немесе шаң бөлшектері болған жағдайда, ЭРТ өрт немесе жарылысқа себеп болуы мүмкін. Дегенмен, барлық ЭРТ оқиғалары көзге көрінетін ұшқынмен немесе дыбыспен бірге бола бермейді. Адам сезімдерімен байқалмайтын, бірақ нәзік электроникаға зиян келтіре алатын зарядты адам деніне алып жүруі мүмкін. Кейбір компоненттер 30 В-қа дейінгі өте әлсіз разрядтардан зақымдануы мүмкін, мұндай зақым кейде қолдану кезінде ғана байқалады, соның салдарынан құрылғылардың қызмет ету мерзімі мен өнімділігі төмендеуі мүмкін. Кабельдік разряд оқиғалары (CDE) – электр кабельдерін құрылғыға қосу кезінде болатын разрядтар.
Шабытқыштар
Шабыт электр өрісінің күші шамамен 4–30 кВ/см-ден асатын кезде пайда болады — ауаның диэлектрлік өріс күші. Бұл ауадағы бос электрондар мен иондардың санын өте жылдам арттырады, ауаның диэлектрлік ыдырауы деп аталатын процесте ауаның электр өткізгішіне айналуына себеп болады. Табиғи шабыттың ең белгілі мысалы – найзағай. Бұл жағдайда бұлт пен жер арасындағы немесе екі бұлт арасындағы электр потенциалы әдетте жүздеген миллион вольтқа жетеді. Соның салдарынан ток соққы арнасынан өтіп, зор энергияны тасымалдайды. Көп емес көлемде, 380 В-қа дейін зарядталған заттардан туындайтын электростатикалық разряд кезінде ауада шабыт пайда болуы мүмкін (Пашен заңы). Жер атмосферасы 21% оттегінен (O2) және 78% азоттан (N2) тұрады. Электростатикалық разряд кезінде, мысалы, найзағай кезінде, атмосфералық молекулалар электрлік күштен зардап шегеді. Диатомдық оттегі молекулалары бөлініп, кейін тұрақсыз озонды (O3) құрауы мүмкін немесе металдар мен органикалық заттармен әрекеттеседі. Электрлік күш жеткілікті деңгейде болса, азот оксидтері (NOx) пайда болуы мүмкін. Екі де өнім жануарлар үшін зиянды, ал азот оксидтері азотты бекіту үшін маңызды. Озон озонды озонолиз арқылы барлық органикалық заттарға шабуыл жасайды және суды тазалауда қолданылады. Шабыт – жанғыш ортадағы тұтандыру көзі, шоғырланған отын ортасындағы қатаң жарылыстарға әкелуі мүмкін. Көптеген жарылыстарды кішкентай электростатикалық разрядқа, яғни белгілі бір ашық ауадағы тұтандыру құрылғысына күтпегендей жанатын отынның енуіне немесе белгілі отынға толы ортадағы күтпеген шабытқа дейін іздеуге болады. Егер оттегі болса және өрт үшбұрышының үш шарты орындалса, нәтиже бірдей болады.
Электрондық құрылғыларда зақымданудың алдын алу
Көптеген электронды компоненттер, әсіресе интегралды схемалар мен микрочиптер, ЭЭЖ (электростатикалық разряд) салдарынан зақымдануы мүмкін. Сезімтал компоненттерді өндіріс кезінде және одан кейін, тасымалдау және құрылғыны құрастыру барысында, сондай-ақ дайын өнімде қорғау қажет. ЭЭЖ-ді тиімді басқару үшін жерге қосу ерекше маңызды. Ол анық белгіленіп, жүйелі түрде бағалануы керек.
Өндiру кезiндегi қорғау
Өндірісте ЭҚҚ-ны алдын алу ЭҚҚ қорғалған аймаққа (ЭҚА) негізделген. ЭҚА шағын жұмыс орны немесе үлкен өндірістік аймақ болуы мүмкін. ЭҚҚ-ның негізгі принципі – ЭҚҚ-ға сезімтал электрониканың жанында жоғары зарядталатын материалдардың болмауы, барлық өткізгіш және диссипативті материалдардың жерге қосылуы, жұмысшылардың жерге қосылуы және ЭҚҚ-ға сезімтал электроникада зарядтың жиналуының алдын алу. Типик ЭҚА-ны анықтау үшін халықаралық стандарттар қолданылады, мысалы, Халықаралық электротехникалық комиссиядан (IEC) немесе Америка Ұлттық Стандарттар Институтынан (ANSI) алуға болады. ЭҚҚ алдын алу шараларына ЭҚҚ-ға сәйкес қауіпсіз орам материалдарын қолдану, құрастырушы жұмыскерлер киетін киімдерге өткізгіш жіптерді пайдалану, жұмысшылардың денелерінде жоғары кернеудің жиналуын болдырмау үшін өткізгіш білезіктер мен аяқ белдіктерін, зиянды электр зарядтарын жұмыс орнынан кетіру үшін антистатикалық кілемдерді немесе өткізгіш еден материалдарын пайдалану және ылғалдылықты бақылау кіреді. Ылғалды жағдай электростатикалық зарядтың пайда болуын болдырмайды, өйткені көптеген беттерде жиналатын ылғалдың жұқа қабаты электр зарядтарын таратуға көмектеседі. Ионизаторлар әсіресе оқшаулағыш материалдарды жерге қосу мүмкін болмаған жағдайда қолданылады. Ионизациялық жүйелер оқшаулағыш немесе диэлектрлік материалдардың зарядталған бетін бейтараптандыруға көмектеседі. 2000 В-тан жоғары трибоэлектрлік зарядқа бейім оқшаулағыш материалдарды сезімтал құрылғылардан кемінде 12 дюйм қашықтықта ұстау керек, құрылғылардың өрістік индукция арқылы кездейсоқ зарядталуын болдырмау үшін. Ұшақтарда қанаттардың және басқа беттердің артқы жиектерінде статикалық зарядты сығарғыштар қолданылады. Интегралды схемаларды өндірушілер мен пайдаланушылар ЭҚҚ-ны болдырмау үшін сақтық шараларын қабылдауы тиіс. ЭҚҚ алдын алу шаралары құрылғының өзінің құрамында болуы мүмкін және құрылғының кіріс және шығыс тіректеріне арналған ерекше жобалау техникаларын қамтуы мүмкін. Схемалық орналасумен қатар сыртқы қорғаныш компоненттерін де пайдалануға болады. Электрондық компоненттер мен жиналымдардың диэлектрлік қасиеттеріне байланысты құрылғыларды қолдану кезінде электростатикалық зарядты толығымен болдырмау мүмкін емес. ЭҚҚ-ға сезімтал электрондық жиналымдар мен компоненттердің көпшілігі соншалықты кішкентай, өндіріс және қолдану автоматтандырылған жабдықтармен жүзеге асырылады. Сондықтан ЭҚҚ алдын алу шаралары жабдықтармен тікелей жанасатын процестерде маңызды. Сонымен қатар, электростатикалық разрядқа сезімтал компонент өнімнің басқа өткізгіш бөліктерімен қосылған кезде ЭҚҚ-ны болдырмау маңызды. ЭҚҚ-ны болдырмаудың тиімді тәсілі – тым өткізгіш емес, бірақ статикалық зарядты баяу өткізетін материалдарды пайдалану. Бұл материалдар статикалық диссипативті деп аталады және 1012 Ом⋅метрден төмен кедергіге ие. Автоматтандырылған өндірісте ЭҚҚ-ға сезімтал электрондық құрылғылардың өткізгіш бөліктеріне тиетін материалдар диссипативті материалдан жасалуы керек, ал диссипативті материал жерге қосылуы керек. Бұл арнайы материалдар электр тогын өткізеді, бірақ өте баяу. Кез келген жиналған статикалық заряд кремнийлі схемалардың ішкі құрылымына зиян келтіретін кенеттен разрядталмай, таралады.
Транзит кезінде қорғау
Сезімтал құрылғыларды тасымалдау, қолдану және сақтау кезінде қорғау қажет. Статикалық зарядтың жиналуын және шығарылуын қаптама материалдарының беттік кедергісі мен көлемдік кедергісін реттеу арқылы азайтуға болады. Қаптама, сондай-ақ тасымалдау кезінде бір-біріне тиюден туындайтын пакеттердің үйкелістік немесе трибоэлектрлік зарядталуын азайту үшін жасалған, және қаптама материалдарына электростатикалық немесе электромагниттік қорғаныс енгізу қажет болуы мүмкін. Мысалы, жартылай өткізгіш құрылғылар мен компьютерлік компоненттер көбінесе ішінара өткізгіш пластиктен жасалған антистатикалық қаптарда тасымалданады, ол мазмұнды ЭСҚ-дан қорғау үшін Фарадей клеткасы ретінде қызмет етеді.
Электрондық құрылғыларды симуляциялау және сынау
Электрондық құрылғылардың адаммен тікес жанасу арқылы ЭҚҚ-ға (электростатикалық разрядқа) осалдығын тексеру үшін, көбінесе арнайы шығыс тізбегі бар ЭҚҚ симуляторы қолданылады, ол адам денесі моделі (АДМ) деп аталады. Бұл модель – конденсатордың тізбектелген резистормен құрамы. Конденсатор сыртқы көзден белгілі бір жоғары кернеуге дейін зарядталады, содан кейін сыналатын құрылғының электр терминалына резистор арқылы кенеттен разряддалады. Ең көп қолданылатын модельдердің бірі JEDEC 22 A114 B стандартында сипатталған, ол 100 пикофарад конденсатор және 1500 Омдық резисторды қамтиды. Басқа да ұқсас стандарттар бар, мысалы MIL STD 883 әдісі 3015 және ESD қауымдастығының ESD STM5.1 стандарты. Ақпараттық технологиялық жабдықтарға қатысты Еуропалық Одақтың стандарттарына сәйкестікті растау үшін IEC/EN 61000 4 2 сынақ спецификациясы қолданылады. Жабдық өндірушісі Schaffner сілтеме жасайтын тағы бір спецификация C = 150 пФ және R = 330 Ом, бұл жоғары дәлдікті нәтижелерді қамтамасыз етеді. Теория көбінесе бар болғанымен, ЭҚҚ-ға төтеп беруге қабілетті құрылғылардың нақты пайызын өлшейтін компаниялар өте аз. Сынақ ортасының геометриясы, генератордың сипаттамалары, сынақ деңгейлері, разряд жылдамдығы мен толқын пішіні, «зардап шегуші» өнімдегі разряд түрлері мен нүктелері, сондай-ақ өнімнің төтеп беру қабілетін бағалау үшін функционалдық критерийлер бойынша нұсқаулар мен талаптар берілген. Зарядталған құрылғы моделі (ЗҚМ) сынағы, құрылғының өзінде электростатикалық заряд болғанда және металл бетіне тигенде төтеп бере алатын ЭҚҚ деңгейін анықтау үшін қолданылады. Бұл разряд түрі электрондық құрылғылардағы ЭҚҚ-ның ең көп кездесетін түрі болып табылады және олардың өндірісінде ЭҚҚ зардаптарының көп бөлігіне себеп болады. ЗҚМ разряды негізінен разрядтың паразиттік параметрлеріне және компоненттің қаптамасының мөлшері мен түріне байланысты. ЗҚМ-ді модельдеу үшін ең көп қолданылатын сынақ модельдерінің бірі JEDEC стандартында сипатталған. Басқа да стандартталған ЭҚҚ сынақ тізбектеріне машина моделі (ММ) және беріліс желісі импульсі (БЖИ) жатады.