Введение
Внезапный поток электрического тока между двумя электрически заряженными объектами при контакте.
Электростатический разряд (ЭСР) – это внезапный и кратковременный поток электрического тока между двумя объектами с разным электрическим зарядом при их сближении или при пробое диэлектрика между ними, часто сопровождающийся видимой искрой, связанной со статическим электричеством между объектами. ЭСР может вызывать впечатляющие электрические искры (молния с сопровождающим ее звуком грома – пример крупномасштабного ЭСР), но также и менее заметные формы, которые могут быть невидимыми и неслышимыми, но при этом достаточно сильными, чтобы повредить чувствительные электронные устройства. Для возникновения электрических искр требуется напряженность поля выше примерно 4 × 106 В/м в воздухе, что особенно характерно для ударов молнии. Другие формы ЭСР включают корональный разряд от острых электродов, щеточный разряд от тупых электродов и т.д. ЭСР может приводить к опасным последствиям, имеющим значение для промышленности, включая взрывы газа, топливных паров и угольной пыли, а также выход из строя твердотельных электронных компонентов, таких как интегральные схемы. Эти компоненты могут получить необратимые повреждения при воздействии высокого напряжения. Поэтому производители электроники создают электростатически защищенные зоны, свободные от статического электричества, используя меры для предотвращения накопления заряда, такие как избегание материалов, склонных к сильному заряжению, и меры для снятия статического заряда, такие как заземление персонала, использование антистатических устройств и контроль влажности. Для тестирования электронных устройств могут использоваться имитаторы ЭСР, например, модели человеческого тела или заряженного устройства.
Причины
Одна из причин возникновения ЭСД – статическое электричество. Статическое электричество часто генерируется посредством трибозаряда – разделения электрических зарядов, возникающего при контакте и последующем разделении двух материалов. Примеры трибозаряда включают ходьбу по ковру, трение пластиковой расчёски о сухие волосы, трение воздушного шарика о свитер, подъём с тканевого сиденья автомобиля или удаление некоторых видов пластиковой упаковки. Во всех этих случаях разрыв контакта между двумя материалами приводит к трибозаряду, создавая разность электрических потенциалов, которая может привести к событию ЭСД. Другой причиной повреждений от ЭСД является электростатическая индукция. Это происходит, когда электрически заряженный объект помещают рядом с проводящим объектом, изолированным от земли. Присутствие заряженного объекта создаёт электростатическое поле, которое вызывает перераспределение электрических зарядов на поверхности другого объекта. Даже если суммарный электростатический заряд объекта не изменился, теперь на нём имеются области с избытком положительных и отрицательных зарядов. Событие ЭСД может произойти, когда объект контактирует с проводящим путём. Например, заряженные области на поверхностях пенопластовых стаканов или пакетов могут индуцировать потенциал на расположенных поблизости компонентах, чувствительных к ЭСД, посредством электростатической индукции, и может произойти ЭСД, если до компонента дотронуться металлическим инструментом. ЭСД также может быть вызвано воздействием на объект энергичных заряженных частиц, что приводит к увеличению поверхностного и объемного заряда. Это известная опасность для большинства космических аппаратов.
Типы
Феномены электростатического разряда (ЭСР) различаются по сложности и величине, при этом электрическая искра является наиболее заметным и впечатляющим примером. Это происходит, когда сильное электрическое поле ионизирует воздух, создавая проводящий канал, способный проводить электрический ток. Люди могут ощущать это как небольшой неприятный удар, но ЭСР может нанести серьезный вред электронным компонентам, что потенциально приведет к неисправностям и отказам. В опасных средах, где присутствуют легковоспламеняющиеся газы или пыль, ЭСР может спровоцировать пожар или взрыв. Однако не все события ЭСР сопровождаются видимой искрой или шумом. Человек может нести заряд, который, будучи незаметным для органов чувств, все же может быть достаточно сильным, чтобы повредить чувствительную электронику. Некоторые компоненты могут быть повреждены даже разрядами всего в 30 В, причем такое повреждение иногда становится очевидным только после значительного использования, что влияет на срок службы и производительность устройств. События разряда кабеля (CDE) – это разряды, возникающие при подключении электрических кабелей к устройству.
Искры
Искра возникает, когда напряженность электрического поля превышает приблизительно 4–30 кВ/см — диэлектрическую прочность воздуха. Это может вызвать очень быстрое увеличение количества свободных электронов и ионов в воздухе, временно делая воздух электрическим проводником в процессе, называемом диэлектрическим пробоем. Пожалуй, наиболее известный пример естественной искры — это молния. В этом случае электрический потенциал между облаком и землей или между двумя облаками обычно составляет сотни миллионов вольт. Результирующий ток, протекающий по каналу разряда, вызывает огромный перенос энергии. В гораздо меньшем масштабе искры могут образовываться в воздухе во время электростатических разрядов от заряженных объектов, заряженных до 380 В и более (закон Пашена). Атмосфера Земли состоит из 21% кислорода (O2) и 78% азота (N2). Во время электростатического разряда, такого как молния, молекулы атмосферы, подвергшиеся воздействию, испытывают электрическое перенапряжение. Молекулы двухатомного кислорода расщепляются, а затем рекомбинируют, образуя озон (O3), который является нестабильным или реагирует с металлами и органическими веществами. При достаточно высокой электрической нагрузке могут образовываться оксиды азота (NOx). Оба продукта токсичны для животных, а оксиды азота необходимы для фиксации азота. Озон воздействует на все органические вещества посредством озонолиза и используется для очистки воды. Искры являются источником воспламенения в горючих средах, что может привести к катастрофическим взрывам в средах с концентрированным топливом. Большинство взрывов можно проследить до крошечного электростатического разряда, будь то неожиданная утечка горючего, попавшая в известное устройство, генерирующее искры, или неожиданная искра в известной топливонасыщенной среде. Результат одинаков, если присутствует кислород и выполнены три условия огненного треугольника.
Предотвращение повреждений в электронике
Многие электронные компоненты, особенно интегральные схемы и микрочипы, могут быть повреждены электростатическим разрядом (ЭСР). Чувствительные компоненты нуждаются в защите на протяжении всего процесса – во время и после производства, при транспортировке и сборке устройства, а также в готовом изделии. Заземление имеет особенно важное значение для эффективного управления ЭСР. Оно должно быть четко определено и регулярно проверяться.
Защита при производстве
В производстве предотвращение ЭСД основано на защищенной зоне от электростатических разрядов (ЗЭСР). ЗЭСР может быть небольшим рабочим местом или большой производственной площадью. Основной принцип ЗЭСР заключается в отсутствии сильно заряжающихся материалов вблизи чувствительной к ЭСД электроники, заземлении всех проводящих и диссипативных материалов, заземлении персонала и предотвращении накопления заряда на чувствительной к ЭСД электронике. Для определения типичной ЗЭСР используются международные стандарты, которые можно найти, например, в Международной электротехнической комиссии (МЭК) или Американском национальном институте стандартов (ANSI). Предотвращение ЭСД в пределах ЗЭСР может включать использование подходящих упаковочных материалов, безопасных для ЭСД, применение проводящих нитей в одежде, которую носят сборщики, использование антистатических браслетов на запястье и на ногах для предотвращения накопления высокого напряжения на теле человека, антистатических ковриков или проводящих напольных покрытий для отвода вредных электрических зарядов от рабочей зоны, а также контроль влажности. Влажная среда препятствует образованию электростатического заряда, поскольку тонкий слой влаги, образующийся на большинстве поверхностей, способствует рассеиванию электрических зарядов. Ионизаторы используются, особенно когда невозможно заземлить изолирующие материалы. Системы ионизации помогают нейтрализовать заряженные участки поверхности на изолирующих или диэлектрических материалах. Изолирующие материалы, склонные к трибоэлектрическому заряду более 2000 В, следует держать на расстоянии не менее 30 см от чувствительных устройств, чтобы предотвратить случайную зарядку устройств посредством поляризации. На самолетах статические разрядники устанавливаются на задних кромках крыльев и других поверхностях. Производители и пользователи интегральных схем должны принимать меры предосторожности для предотвращения ЭСД. Предотвращение ЭСД может быть встроено в само устройство и включать специальные методы проектирования выводов устройства. Внешние защитные компоненты также могут использоваться в схеме. Из-за диэлектрической природы электронных компонентов и сборок электростатическое заряжение невозможно полностью предотвратить при обращении с устройствами. Большинство электронных сборок и компонентов, чувствительных к ЭСД, также настолько малы, что их производство и обработка осуществляются с использованием автоматизированного оборудования. Поэтому мероприятия по предотвращению ЭСД особенно важны в тех процессах, где компоненты непосредственно контактируют с поверхностями оборудования. Кроме того, важно предотвращать ЭСД при подключении компонента, чувствительного к электростатическим разрядам, к другим проводящим частям самого продукта. Эффективный способ предотвращения ЭСД – использование материалов, которые не являются слишком проводящими, но медленно отводят статический заряд. Эти материалы называются диссипативными и имеют удельное сопротивление ниже 10¹² Ом·м. Материалы, используемые в автоматизированном производстве и контактирующие с проводящими участками чувствительной к ЭСД электроники, должны быть изготовлены из диссипативного материала, который, в свою очередь, должен быть заземлен. Эти специальные материалы способны проводить электричество, но делают это очень медленно. Любой накопленный статический заряд рассеивается без резкого разряда, который может повредить внутреннюю структуру кремниевых схем.
Защита во время транзита
Чувствительные устройства нуждаются в защите при транспортировке, обработке и хранении. Накопление и разряд статического электричества можно минимизировать, контролируя поверхностное сопротивление и объемное электрическое сопротивление упаковочных материалов. Упаковка также разрабатывается для минимизации трения или трибоэлектрического заряда упаковок, возникающего при их соприкосновении во время транспортировки, и может потребоваться включение электростатической или электромагнитной защиты в упаковочный материал. Типичным примером является то, что полупроводниковые приборы и компоненты компьютеров обычно поставляются в антистатических пакетах из частично проводящего пластика, который действует как клетка Фарадея, защищая содержимое от электростатического разряда (ЭСР).
Моделирование и испытания электронных устройств
Для проверки восприимчивости электронных устройств к электростатическому разряду (ЭСР) от контакта с человеком часто используется симулятор ЭСР со специальной выходной цепью, называемой моделью человеческого тела (HBM). Она состоит из конденсатора, включенного последовательно с резистором. Конденсатор заряжается до определенного высокого напряжения от внешнего источника, а затем внезапно разряжается через резистор в электрический вывод испытываемого устройства. Одна из наиболее широко используемых моделей определена в стандарте JEDEC 22 A114 B, который определяет конденсатор емкостью 100 пикофарад и резистор сопротивлением 1500 Ом. Другие аналогичные стандарты – MIL STD 883 Метод 3015 и ESD STM5.1, разработанный Ассоциацией по электростатическому разряду. Для соответствия стандартам Европейского Союза для оборудования информационных технологий используется спецификация испытаний IEC/EN 61000 4 2. Другая спецификация, указанная производителем оборудования Schaffner, требует C = 150 пФ и R = 330 Ом, что обеспечивает высокую достоверность результатов. Несмотря на наличие теоретической базы, лишь немногие компании измеряют реальный уровень устойчивости к ЭСР. Руководства и требования содержат информацию о геометрии испытательной ячейки, спецификациях генератора, уровнях испытаний, скорости и форме импульса разряда, типах и точках разряда на "жертвенном" изделии, а также функциональных критериях для оценки выживаемости изделия. Испытание моделью заряженного устройства (CDM) используется для определения устойчивости устройства к ЭСР, когда само устройство имеет электростатический заряд и разряжается при контакте с металлом. Этот тип разряда является наиболее распространенным типом ЭСР в электронных устройствах и вызывает большинство повреждений, связанных с ЭСР, в процессе производства. Разряд CDM в основном зависит от паразитных параметров разряда и сильно зависит от размера и типа корпуса компонента. Одной из наиболее широко используемых моделей для моделирования CDM является модель, разработанная JEDEC. Другие стандартизированные схемы испытаний ЭСР включают модель машины (MM) и импульс линии передачи (TLP).