Электростатический разряд

Электростатический разряд ( ESD ) — это внезапный и мгновенный поток электрического тока между двумя объектами с разным зарядом, когда они приближаются друг к другу или когда диэлектрик между ними разрушается, часто создавая видимую искру, связанную со статическим электричеством между объектами.

ЭСР может создавать эффектные электрические искры ( молния с сопровождающим ее звуком грома является примером крупномасштабного ЭСР), но также и менее драматичные формы, которые нельзя ни увидеть, ни услышать, но они все же достаточно велики, чтобы нанести ущерб чувствительные электронные устройства. Электрические искры требуют напряженности поля примерно выше 4 × 10. ⁶ В/м в воздухе, что особенно часто происходит при ударах молний. Другие формы электростатического разряда включают коронный разряд от острых электродов, кистевой разряд от тупых электродов и т. д.

ЭСР может вызвать вредные последствия, важные для промышленности, включая взрывы газа, паров топлива и угольной пыли, а также выход из строя компонентов твердотельной электроники, таких как интегральные схемы . Они могут получить необратимые повреждения при воздействии высокого напряжения. Поэтому производители электроники создают электростатические защитные зоны, свободные от статического электричества, используя меры по предотвращению заряда, такие как отказ от сильно заряжающихся материалов, и меры по удалению статического электричества, такие как заземление рабочих, установка антистатических устройств и контроль влажности.

Симуляторы электростатического разряда могут использоваться для тестирования электронных устройств, например, с использованием модели человеческого тела или модели заряженного устройства.

Причины

Одной из причин электростатического разряда является статическое электричество . Статическое электричество часто генерируется посредством трибозарядки — разделения электрических зарядов, которое происходит, когда два материала соприкасаются, а затем разделяются. Примеры трибозаряда включают ходьбу по коврику, трение пластиковой расчески о сухие волосы, трение воздушного шара о свитер, подъем с тканевого автокресла или снятие некоторых видов пластиковой упаковки. Во всех этих случаях нарушение контакта между двумя материалами приводит к трибозаряду, создавая таким образом разницу электрических потенциалов, которая может привести к электростатическому разряду.

Другой причиной повреждения электростатическим разрядом является электростатическая индукция . Это происходит, когда электрически заряженный объект находится рядом с проводящим объектом, изолированным от земли. Присутствие заряженного объекта создает электростатическое поле, которое вызывает перераспределение электрических зарядов на поверхности другого объекта. Несмотря на то, что суммарный электростатический заряд объекта не изменился, теперь у него есть области избыточных положительных и отрицательных зарядов. Событие электростатического разряда может произойти, когда объект вступает в контакт с проводящим путем. Например, заряженные области на поверхности чашек или пакетов из пенополистирола могут индуцировать потенциал на близлежащих чувствительных к электростатическому разряду компонентах посредством электростатической индукции, и событие электростатического разряда может произойти, если к компоненту прикоснуться металлическим инструментом.

ЭСР также может быть вызвано энергичных заряженных частиц столкновением с объектом . Это вызывает увеличение поверхностной и глубокой зарядки. Это известная опасность для большинства космических кораблей . ^{[ 1 ]}

Типы

Явления электростатического разряда (ESD) различаются по сложности и величине, наиболее ярким и ярким примером является электрическая искра. Это происходит, когда сильное электрическое поле ионизирует воздух, создавая проводящий канал, по которому может передаваться электрический ток. Люди могут ощутить это как небольшой дискомфорт, но электростатический разряд может нанести серьезный ущерб электронным компонентам, что потенциально может привести к неисправностям и сбоям. В опасных средах, где присутствуют горючие газы или частицы пыли, электростатический разряд может вызвать пожар или взрыв.

Однако не все события ЭСР сопровождаются видимой искрой или шумом. Человек может нести заряд, который, хотя и не обнаруживается человеческими органами чувств, все же может быть достаточно мощным, чтобы нанести вред хрупкой электронике. Некоторые компоненты могут выйти из строя из-за слабых разрядов напряжением до 30 В, причем такие повреждения иногда не становятся очевидными до тех пор, пока не произойдет интенсивное использование, что влияет на срок службы и производительность устройств. ^{[ нужна ссылка ]}

События разряда кабеля (CDE) — это разряды, возникающие при подключении электрических кабелей к устройству.

Искры

Искра возникает, когда напряженность электрического поля превышает примерно 4–30 кВ/см. ^{[ 2 ]} — напряженность диэлектрического поля воздуха. Это может привести к очень быстрому увеличению количества свободных электронов и ионов в воздухе, что временно заставит воздух внезапно стать электрическим проводником в процессе, называемом пробой диэлектрика .

Пожалуй, самым известным примером естественной искры является молния . В этом случае электрический потенциал между облаком и землей или между двумя облаками обычно составляет сотни миллионов вольт . Результирующий ток, проходящий через ходовой канал, вызывает огромную передачу энергии . В гораздо меньших масштабах искры могут образовываться в воздухе во время электростатических разрядов от заряженных объектов, напряжение которых составляет всего 380 В ( закон Пашена ).

Атмосфера Земли состоит из 21% кислорода (O2 ₎ и 78% азота (N2 ₎ . Во время электростатического разряда, такого как вспышка молнии, затронутые молекулы атмосферы подвергаются электрическому перенапряжению. Двухатомные 3 молекулы кислорода расщепляются, а затем рекомбинируются с образованием озона (O ₎ , который нестабилен или реагирует с металлами и органическими веществами. Если электрическое напряжение достаточно велико, могут образоваться оксиды азота ( NOx ). Оба продукта токсичны для животных, а оксиды азота необходимы для фиксации азота . Озон разрушает все органические вещества путем озонолиза и используется для очистки воды .

Искры являются источником возгорания в горючих средах, что может привести к катастрофическим взрывам в средах с концентрированным топливом. Большинство взрывов можно связать с крошечным электростатическим разрядом, будь то неожиданная утечка горючего топлива, проникшая в известное искровое устройство на открытом воздухе, или неожиданная искра в известной среде, богатой топливом. Результат тот же, если присутствует кислород и три критерия пожарного треугольника объединены .

Предотвращение повреждений в электронике

Многие электронные компоненты, особенно интегральные схемы и микросхемы , могут быть повреждены электростатическим разрядом. Чувствительные компоненты необходимо защищать во время и после производства, во время транспортировки и сборки устройства, а также в готовом устройстве. Заземление особенно важно для эффективного контроля электростатического разряда. Оно должно быть четко определено и регулярно оцениваться. ^{[ 3 ]}

Защита во время производства

В производстве предотвращение электростатического разряда основано на создании зоны защиты от электростатических разрядов (EPA). Агентство по охране окружающей среды может представлять собой небольшую рабочую станцию или большую производственную площадку. Основной принцип EPA заключается в том, что вблизи чувствительной к электростатическому разряду электроники нет материалов с высоким зарядом, все проводящие и рассеивающие материалы заземлены, рабочие заземлены, а накопление заряда на чувствительной к электростатическому разряду электронике предотвращается. Международные стандарты используются для определения типичного EPA, их можно найти, например, в Международной электротехнической комиссии (IEC) или Американском национальном институте стандартов (ANSI).

Предотвращение электростатического разряда в рамках EPA может включать использование соответствующего упаковочного материала, устойчивого к электростатическому разряду, использование проводящих нитей на одежде монтажников, использование браслетов и ремешков для ног для предотвращения накопления высокого напряжения на телах работников, антистатические коврики или проводящие материалы для пола для отвода вредных электрических зарядов от рабочей зоны и контроля влажности . Влажные условия предотвращают образование электростатического заряда, поскольку тонкий слой влаги, который накапливается на большинстве поверхностей, служит для рассеивания электрических зарядов.

Ионизаторы используются особенно тогда, когда изоляционные материалы не могут быть заземлены. Системы ионизации помогают нейтрализовать заряженные участки поверхности изоляционных или диэлектрических материалов. Изоляционные материалы, склонные к трибоэлектрическому заряду напряжением более 2000 В, следует хранить на расстоянии не менее 12 дюймов от чувствительных устройств, чтобы предотвратить случайную зарядку устройств из-за индукции поля. На самолетах статические разрядники используются на задних кромках крыльев и других поверхностях.

Производители и пользователи интегральных схем должны принять меры предосторожности, чтобы избежать электростатического разряда . Защита от электростатического разряда может быть частью самого устройства и включать специальные методы проектирования входных и выходных контактов устройства. Компоненты внешней защиты также можно использовать при схеме схемы.

Из-за диэлектрической природы электронных компонентов и узлов невозможно полностью предотвратить электростатический заряд при обращении с устройствами. Большинство чувствительных к электростатическому разряду электронных узлов и компонентов настолько малы, что их производство и обработка выполняются с помощью автоматизированного оборудования. Поэтому мероприятия по предотвращению электростатического разряда важны для тех процессов, в которых компоненты вступают в прямой контакт с поверхностями оборудования. Кроме того, важно предотвратить электростатический разряд, когда компонент, чувствительный к электростатическому разряду, соединен с другими проводящими частями самого продукта. Эффективным способом предотвращения электростатического разряда является использование материалов, которые не являются слишком проводящими, но будут медленно отводить статические заряды. Эти материалы называются рассеивающими статическое электричество и имеют значения удельного сопротивления ниже 10. ¹² ом-метры. Материалы в автоматизированном производстве, которые будут касаться проводящих участков чувствительной к электростатическому разряду электроники, должны быть изготовлены из рассеивающего материала, и этот рассеивающий материал должен быть заземлен. Эти специальные материалы способны проводить электричество, но делают это очень медленно. Любые накопленные статические заряды рассеиваются без внезапного разряда, который может повредить внутреннюю структуру кремниевых схем.

Защита во время транспортировки

Чувствительные устройства необходимо защищать во время транспортировки, обращения и хранения. Накопление и сброс статического заряда можно свести к минимуму путем контроля поверхностного и объемного сопротивления упаковочных материалов. Упаковка также спроектирована так, чтобы свести к минимуму фрикционный или трибоэлектрический заряд упаковок из-за трения друг о друга во время транспортировки, и может потребоваться включение в упаковочный материал электростатической или электромагнитной защиты. ^{[ 4 ]} Типичным примером является то, что полупроводниковые устройства и компьютерные компоненты обычно поставляются в антистатическом пакете , изготовленном из частично проводящего пластика, который действует как клетка Фарадея и защищает содержимое от электростатического разряда.

Моделирование и тестирование электронных устройств

Электрический разряд, показывающий ленточные плазменные нити от нескольких разрядов катушки Теслы .

Для проверки восприимчивости электронных устройств к электростатическому разряду от контакта с человеком симулятор электростатического разряда со специальной выходной схемой, называемый моделью человеческого тела часто используется (HBM). Он состоит из конденсатора, включенного последовательно с резистором . Конденсатор заряжается до заданного высокого напряжения от внешнего источника, а затем внезапно разряжается через резистор на электрическую клемму испытуемого 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 . Другими аналогичными стандартами являются MIL-STD-883 , метод 3015 и ESD STM5.1 Ассоциации ESD. Для соответствия стандартам Европейского Союза для оборудования информационных технологий используется спецификация испытаний IEC/EN 61000-4-2 . ^{[ 5 ]} Другая спецификация, на которую ссылается производитель оборудования Schaffner, требует C = 150 пФ и R = 330 Ом, что обеспечивает высокую точность результатов. Хотя в основном существует теория, очень немногие компании измеряют реальную выживаемость после ЭСР. Приводятся рекомендации и требования к геометрии испытательных ячеек, характеристикам генератора, уровням испытаний, скорости разряда и форме волны, типам и точкам разряда на «жертвенном» продукте, а также функциональным критериям для оценки живучести продукта.

Испытание модели заряженного устройства (CDM) используется для определения электростатического разряда, который устройство может выдержать, когда само устройство имеет электростатический заряд и разряжается из-за контакта с металлом. Этот тип разряда является наиболее распространенным типом электростатического разряда в электронных устройствах и вызывает большую часть повреждений, вызванных электростатическим разрядом при их производстве. Разряд МДМ зависит главным образом от паразитных параметров разряда и сильно зависит от размера и типа комплекта компонентов. Одна из наиболее широко используемых моделей симуляционных испытаний CDM определена JEDEC .

Другие стандартизированные схемы проверки электростатического разряда включают модель машины (MM) и импульс линии передачи (TLP).

См. также

Совет по автомобильной электронике , который в некоторых своих стандартах определяет квалификационные требования к испытаниям ESD для электронных компонентов, используемых в транспортных средствах.
Диэлектрический беспроводной приемник
Электрическая дуга
Электромагнитный импульс
Электростатический вольтметр
Ассоциация ESD , лидер отрасли в области образования и стандартов в области электростатических разрядов.
ЭСР турникет
ggNMOS
Latchup , для квалификационных испытаний полупроводниковых приборов, ESD и Latchup обычно рассматриваются вместе.
Искровой разрядник
Статическое электричество
Машина Уимшерста

Ссылки

^ Генри Б. Гарретт и Альберт К. Уиттлси: Зарядка космического корабля, обновление; IEEE Транс. Наука о плазме, 28 (6), 2000.
^ Справочник CRC по химии и физике ( PDF )
^ «Основы электростатического разряда» . В журнале «Согласие». 1 мая 2015 года . Проверено 25 июня 2015 г.
^ GR-1421, Общие требования к контейнерам с электростатической защитой , Telcordia.
^ «Baytems ESDzap — Обзор продукта облегченного симулятора электростатического разряда» (PDF) . Байтемс. 25 августа 2012 г. Проверено 25 августа 2012 г.

Внешние ссылки

Ассоциация ОУР
СМИ, связанные с электростатическим разрядом, на Викискладе?

[1] Генри Б. Гарретт и Альберт К. Уиттлси: Зарядка космического корабля, обновление; IEEE Транс. Наука о плазме, 28 (6), 2000.

[CRC-2] Справочник CRC по химии и физике ( PDF )

[In_Compliance_Magazine-3] «Основы электростатического разряда» . В журнале «Согласие». 1 мая 2015 года . Проверено 25 июня 2015 г.

[4] GR-1421, Общие требования к контейнерам с электростатической защитой , Telcordia.

[iec-5] «Baytems ESDzap — Обзор продукта облегченного симулятора электростатического разряда» (PDF) . Байтемс. 25 августа 2012 г. Проверено 25 августа 2012 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]