Электростатический разряд - Electrostatic discharge

Электростатический разряд ( ESD ) - это внезапный поток электричества между двумя электрически заряженными объектами, вызванный контактом, коротким замыканием или пробоем диэлектрика . Накопление статического электричества может быть вызвано трибозарядом или электростатической индукцией . Электростатический разряд возникает, когда разно заряженные объекты сближаются или когда диэлектрик между ними разрушается, часто создавая видимую искру .

Электростатический разряд может создавать впечатляющие электрические искры ( молния с сопровождающим их звуком грома является крупномасштабным событием электростатического разряда), но также и менее драматические формы, которые нельзя ни увидеть, ни услышать, но все же достаточно большие, чтобы вызвать повреждение чувствительных электронных устройств. . Электрические искры требуют напряженности поля выше примерно 40 кВ / см в воздухе, что особенно характерно для ударов молнии. Другие формы электростатического разряда включают коронный разряд от острых электродов и щеточный разряд от тупых электродов.

Электростатические разряды могут вызывать вредные эффекты, 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 быть необратимо повреждены при воздействии высокого напряжения. Поэтому производители электроники устанавливают зоны защиты от статического электричества, свободные от статического электричества, используя меры по предотвращению зарядки, такие как избегание сильно заряженных материалов и меры по устранению статического электричества, такие как заземление рабочих, обеспечение антистатических устройств и контроль влажности.

Имитаторы электростатического разряда могут использоваться для тестирования электронных устройств, например, с моделью человеческого тела или заряженной моделью устройства.

Причины

Одна из причин возникновения электростатического разряда - статическое электричество . Статическое электричество часто генерируется за счет трибозарядки , разделения электрических зарядов, которое происходит, когда два материала соприкасаются, а затем разделяются. Примеры трибозарядки включают ходьбу по коврику, трение пластиковой расческой о сухие волосы, трение воздушного шара о свитер, подъем с тканевого автокресла или удаление некоторых типов пластиковой упаковки. Во всех этих случаях разрыв контакта между двумя материалами приводит к трибозаряду, создавая разность электрических потенциалов, которая может привести к возникновению электростатического разряда.

Другой причиной повреждения от электростатического разряда является электростатическая индукция . Это происходит, когда электрически заряженный объект помещается 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 чистый электростатический заряд объекта не изменился, теперь у него есть области избыточных положительных и отрицательных зарядов. Событие ESD может произойти, когда объект вступает в контакт с токопроводящей дорожкой. Например, заряженные области на поверхности чашек или пакетов из пенополистирола могут индуцировать потенциал на близлежащих компонентах, чувствительных к электростатическому разряду, посредством электростатической индукции, и событие электростатического разряда может произойти, если к компоненту прикоснуться металлическим инструментом.

Электростатический разряд также может быть вызван столкновением с объектом энергичных заряженных частиц . Это вызывает увеличивающуюся поверхность и глубокую зарядку. Это известная опасность для большинства космических аппаратов .

Типы

Самая яркая форма электростатического разряда - это искра, которая возникает, когда сильное электрическое поле создает ионизированный проводящий канал в воздухе. Это может вызвать небольшой дискомфорт для людей, серьезное повреждение электронного оборудования, а также возгорание и взрывы, если в воздухе содержатся горючие газы или частицы.

Однако многие события ESD происходят без видимой или слышимой искры. Человек, несущий относительно небольшой электрический заряд, может не почувствовать разряд, достаточный для повреждения чувствительных электронных компонентов. Некоторые устройства могут быть повреждены разрядом до 30 В. Эти невидимые формы электростатического разряда могут вызвать прямые отказы устройства или менее очевидные формы ухудшения, которые могут повлиять на долгосрочную надежность и производительность электронных устройств. Ухудшение характеристик некоторых устройств может не проявиться до истечения срока их службы.

Искры

Искра возникает, когда напряженность электрического поля превышает примерно 4–30 кВ / см - напряженность диэлектрического поля воздуха. Это может вызвать очень быстрое увеличение количества свободных электронов и ионов в воздухе, временно заставляя воздух внезапно превращаться в электрический проводник в процессе, называемом пробоем диэлектрика .

Молния над Рыманью. Северная Польша .

Возможно, самый известный пример естественной искры - молния . В этом случае электрический потенциал между облаком и землей или между двумя облаками обычно составляет сотни миллионов вольт . Результирующий ток, который циклически проходит через канал хода, вызывает огромную передачу энергии . В гораздо меньшем масштабе искры могут образовываться в воздухе во время электростатических разрядов от заряженных объектов, которые заряжены всего до 380 В ( закон Пашена ).

Атмосфера Земли состоит из 21% кислорода (O 2 ) и 78% азота (N 2 ). Во время электростатического разряда, такого как вспышка молнии, затронутые молекулы атмосферы становятся электрически перенапряженными. Эти двухатомные молекулы кислорода раскол, а затем рекомбинируют с образованием озона (O 3 ), который является неустойчивым, или вступает в реакцию с металлами и органическими веществами. Если электрическое напряжение достаточно велико, могут образовываться 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 воспламенения в горючих средах, которые могут привести к катастрофическим взрывам в средах с концентрированным топливом. Большинство взрывов можно проследить до крошечного электростатического разряда, будь то неожиданная утечка горючего топлива, вторгшаяся в известное искровое устройство на открытом воздухе, или неожиданная искра в известной среде, богатой топливом. Конечный результат будет таким же, если присутствует кислород и три критерия огненного треугольника были объединены.

Предотвращение повреждений электроники

Часть статического разрядника на самолете. Обратите внимание на два острых металлических микрочипа диаметром 3/8 дюйма и защитный желтый пластик.

Многие электронные компоненты, особенно интегральные схемы и микрочипы , могут быть повреждены электростатическим разрядом. Чувствительные компоненты необходимо защищать во время и после изготовления, во время транспортировки и сборки устройства, а также в готовом устройстве. Заземление особенно важно для эффективного контроля электростатического разряда. Он должен быть четко определен и регулярно оцениваться.

Защита при изготовлении

В производстве предотвращение электростатического разряда основано на зоне, защищенной от электростатического разряда (EPA). EPA может быть небольшой рабочей станцией или большой производственной площадью. Главный принцип EPA заключается в том, что поблизости от чувствительной к электростатическому разряду электроники нет материалов с высоким уровнем заряда, все проводящие и рассеивающие материалы заземлены, рабочие заземлены, и предотвращается накопление заряда на чувствительной к электростатическому разряду электронике. Международные стандарты используются для определения типичного EPA, и их можно найти, например, в Международной электротехнической комиссии (IEC) или Американском национальном институте стандартов (ANSI).

Предотвращение электростатических разрядов в рамках EPA может включать использование подходящего антистатического упаковочного материала, использование токопроводящих нитей на одежде, которую носят сборщики, проводящие браслеты и ремни для ног для предотвращения накопления высокого напряжения на телах рабочих, антистатические коврики и т. Д. проводящие напольные покрытия 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 когда изоляционные материалы не могут быть заземлены. Системы ионизации помогают нейтрализовать заряженные участки поверхности изоляционных или диэлектрических материалов. Изоляционные материалы, подверженные трибоэлектрическому заряду более 2000 В, следует хранить на расстоянии не менее 12 дюймов от чувствительных устройств, чтобы предотвратить случайный заряд устройств из-за индукции поля. На самолетах статические разрядники используются на задних кромках крыльев и других поверхностях.

Производители и пользователи интегральных схем должны принимать меры, чтобы избежать электростатического разряда . Предотвращение электростатического разряда может быть частью самого устройства и включать специальные методы проектирования для входных и выходных контактов устройства. Компоненты внешней защиты также могут использоваться с схемой разводки.

Из-за диэлектрической природы компонентов и узлов электроники невозможно полностью предотвратить электростатический заряд во время работы с устройствами. Большинство электронных узлов и компонентов, чувствительных к электростатическому разряду, также настолько малы, что производство и обращение с ними осуществляется с помощью автоматизированного оборудования. Поэтому меры по предотвращению электростатического разряда важны в тех процессах, где компоненты непосредственно контактируют с поверхностями оборудования. Кроме того, важно предотвратить электростатический разряд, когда компонент, чувствительный к электростатическому разряду, соединен с другими проводящими частями самого продукта. Эффективный способ предотвратить электростатический разряд - использовать не слишком проводящие материалы, которые будут медленно отводить статические заряды. Эти материалы называются рассеивающими статическое электричество и имеют значения удельного сопротивления ниже 10 12 Ом-метров. Материалы в автоматизированном производстве, которые будут касаться проводящих областей чувствительной к электростатическому разряду электроники, должны быть изготовлены из рассеивающего материала, а рассеивающий материал должен быть заземлен. Эти специальные материалы могут проводить электричество, но очень медленно. Любые накопленные статические заряды рассеиваются без внезапного разряда, который может повредить внутреннюю структуру кремниевых схем.

Защита при транспортировке

Сетевая карта внутри антистатический пакет , мешок изготовлен из частично проводящего пластика , который действует как клетки Фарадея , экранирование карты от статического электричества.

Чувствительные устройства необходимо защищать при транспортировке, транспортировке и хранении. Накопление и разряд статического электричества можно свести к минимуму, контролируя поверхностное сопротивление и объемное сопротивление упаковочных материалов. Упаковка также предназначена для минимизации фрикционного или трибоэлектрического заряда упаковок из-за трения друг о друга во время транспортировки, и может потребоваться включение электростатической или электромагнитной защиты в упаковочный материал. Типичным примером является то, что полупроводниковые устройства и компьютерные компоненты обычно отправляются в антистатическом пакете из частично проводящего пластика, который действует как клетка Фарадея для защиты содержимого от электростатического разряда.

Моделирование и тестирование электронных устройств

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

Для проверки чувствительности электронных устройств к электростатическому разряду от контакта с человеком часто используется имитатор электростатического разряда со специальной выходной схемой, называемой моделью человеческого тела (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 тестируемого устройства . Одна из наиболее широко используемых моделей определена в стандарте JEDEC 22-A114-B, который определяет конденсатор 100 пикофарад и резистор 1500 Ом . Другие аналогичные стандарты - это MIL-STD-883 Method 3015 и ESD STM5.1 Ассоциации ESD. Для соответствия стандартам Европейского Союза для оборудования информационных технологий используется спецификация испытаний IEC / EN 61000-4-2 . Другая спецификация (Schaffner) C = 150 пФ R = 330 Ом, что дает результаты с высокой точностью. По большей части теория существует, минимум компаний измеряют реальную выживаемость ESD. Даны рекомендации и требования к геометрии испытательной ячейки, характеристикам генератора, уровням испытаний, скорости разряда и форме волны, типам и точкам разряда на «пострадавшем» продукте, а также функциональным критериям для измерения живучести продукта.

Тест 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 от электростатического разряда при их производстве. Разряд CDM зависит в основном от паразитных параметров разряда и сильно зависит от размера и типа упаковки компонентов. Одна из наиболее широко используемых имитационных тестовых моделей CDM определена JEDEC .

Другие стандартизированные схемы тестирования ESD включают модель машины (MM) и импульсную линию передачи (TLP).

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки