Электростатический разряд ( ЭСР ) — это внезапный и кратковременный поток электрического тока между двумя по-разному заряженными объектами при их сближении или при разрушении диэлектрика между ними, часто создающий видимую искру, связанную со статическим электричеством между объектами.
ESD может создавать впечатляющие электрические искры ( молния , сопровождаемая громом , является примером масштабного события ESD), но также и менее драматичные формы, которые могут быть не видны и не слышны, но все же достаточно большими, чтобы вызвать повреждение чувствительных электронных устройств. Электрические искры требуют напряженности поля выше примерно 4 × 10 6 В/м в воздухе, что, в частности, происходит при ударах молнии. Другие формы ESD включают коронный разряд от острых электродов, кистевой разряд от тупых электродов и т. д.
Электростатический разряд может вызывать вредные эффекты, имеющие важное значение в промышленности, включая взрывы газа, паров топлива и угольной пыли, а также выход из строя твердотельных электронных компонентов, таких как интегральные схемы . [1] Они могут получить необратимые повреждения при воздействии высоких напряжений. Поэтому производители электроники устанавливают электростатические защитные зоны, свободные от статики, используя меры по предотвращению заряда, такие как избегание сильно заряжающихся материалов и меры по удалению статики, такие как заземление рабочих, предоставление антистатических устройств и контроль влажности.
Симуляторы ЭСР могут использоваться для тестирования электронных устройств, например, с использованием модели человеческого тела или модели заряженного устройства.
Одной из причин событий ESD является статическое электричество . Статическое электричество часто генерируется посредством трибозарядки , разделения электрических зарядов, которое происходит, когда два материала соприкасаются, а затем разъединяются. Примерами трибозарядки являются ходьба по ковру, трение пластиковой расчески о сухие волосы, трение воздушного шара о свитер, подъем с тканевого сиденья автомобиля или снятие некоторых типов пластиковой упаковки. Во всех этих случаях разрыв контакта между двумя материалами приводит к трибозарядке, тем самым создавая разницу электрического потенциала, которая может привести к событию ESD.
Другой причиной повреждения ESD является электростатическая индукция . Это происходит, когда электрически заряженный объект помещается рядом с проводящим объектом, изолированным от земли. Присутствие заряженного объекта создает электростатическое поле, которое заставляет электрические заряды на поверхности другого объекта перераспределяться. Даже если чистый электростатический заряд объекта не изменился, теперь на нем есть области избыточных положительных и отрицательных зарядов. Событие ESD 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 компонентах, чувствительных к ESD, посредством электростатической индукции, и событие ESD может произойти, если к компоненту прикоснуться металлическим инструментом.
ESD также может быть вызван энергичными заряженными частицами, сталкивающимися с объектом. Это приводит к увеличению поверхностного и глубокого заряда. Это известная опасность для большинства космических аппаратов . [2]
Явления электростатического разряда (ESD) различаются по сложности и величине, а самым наглядным и ярким примером является электрическая искра. Это происходит, когда сильное электрическое поле ионизирует воздух, создавая проводящий канал, который может передавать электрический ток. Люди могут ощущать это как небольшой толчок дискомфорта, но ESD может нанести серьезный ущерб электронным компонентам, что может привести к неисправностям и отказам. В опасных средах, где присутствуют легковоспламеняющиеся газы или частицы пыли, ESD может вызвать пожары или взрывы.
Однако не все события ESD сопровождаются видимой искрой или шумом. Человек может нести заряд, который, хотя и не обнаруживается человеческими чувствами, все еще может быть достаточно мощным, чтобы повредить чувствительную электронику. Некоторые компоненты могут быть скомпрометированы разрядами, такими слабыми, как 30 В, причем такие повреждения иногда не проявляются до тех пор, пока не произойдет значительное использование, что влияет на срок службы и производительность устройств. [ необходима цитата ]
События разряда кабеля (CDE) — это разряды, возникающие при подключении электрических кабелей к устройству.
Искра возникает, когда напряженность электрического поля превышает приблизительно 4–30 кВ/см [3] — напряженность диэлектрического поля воздуха. Это может вызвать очень быстрое увеличение числа свободных электронов и ионов в воздухе, временно заставляя воздух внезапно стать электрическим проводником в процессе, называемом диэлектрическим пробоем .
Возможно, 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, который циклически проходит через канал удара, вызывает огромную передачу энергии . В гораздо меньших масштабах искры могут образовываться в воздухе во время электростатических разрядов от заряженных объектов, которые заряжены всего лишь 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 атмосферные молекулы становятся электрически перенапряженными. Двухатомные молекулы кислорода расщепляются, а затем рекомбинируют, образуя озон (O 3 ), который нестабилен или реагирует с металлами и органическими веществами. Если электрическое напряжение достаточно высокое, могут образовываться оксиды азота ( NOx ). Оба продукта токсичны для животных, а оксиды азота необходимы для фиксации азота . Озон атакует все органические вещества путем озонолиза и используется для очистки воды .
Искры являются источником возгорания в горючих средах, что может привести к катастрофическим взрывам в концентрированных топливных средах. Большинство взрывов можно отследить до крошечного электростатического разряда, будь то неожиданная утечка горючего топлива, проникшая в известное открытое воздушное искровое устройство, или неожиданная искра в известной богатой топливом среде. Результат тот же, если присутствует кислород и три критерия треугольника огня были объединены.
Многие электронные компоненты, особенно интегральные схемы и микрочипы , могут быть повреждены электростатическим разрядом. [1] Чувствительные компоненты должны быть защищены 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. [4]
В производстве предотвращение ESD основано на Зоне, защищенной от электростатического разряда (EPA). EPA может быть небольшой рабочей станцией или большой производственной зоной. Основной принцип EPA заключается в том, что вблизи чувствительной к ESD электроники нет сильно заряжающихся материалов, все проводящие и рассеивающие материалы заземлены, рабочие заземлены, а накопление заряда на чувствительной к ESD электронике предотвращается. Для определения типичной EPA используются международные стандарты, которые можно найти, например, в Международной электротехнической комиссии (IEC) или Американском национальном институте стандартов (ANSI).
Профилактика ESD в рамках EPA может включать использование соответствующего упаковочного материала, безопасного для ESD, использование токопроводящих нитей на одежде, которую носят рабочие по сборке, токопроводящие браслеты и ножные ремни для предотвращения накопления высокого напряжения на телах рабочих, антистатические коврики или токопроводящие напольные материалы для отвода вредных электрических зарядов от рабочей зоны и контроль влажности . Влажные условия предотвращают образование электростатического заряда, поскольку тонкий слой влаги, который скапливается на большинстве поверхностей, служит для рассеивания электрических зарядов.
Ионизаторы используются, в частности, когда изоляционные материалы не могут быть заземлены. Системы ионизации помогают нейтрализовать заряженные области поверхности на изоляционных или диэлектрических материалах. Изоляционные материалы, склонные к трибоэлектрическому заряду более 2000 В, следует размещать на расстоянии не менее 12 дюймов от чувствительных устройств, чтобы предотвратить случайную зарядку устройств через индукцию поля. На самолетах статические разрядники используются на задних кромках крыльев и других поверхностях.
Производители и пользователи интегральных схем должны принимать меры предосторожности, чтобы избежать ESD. Защита от ESD может быть частью самого устройства и включать специальные методы проектирования входных и выходных контактов устройства. Внешние защитные компоненты также могут использоваться с компоновкой схемы.
Из-за диэлектрической природы электронных компонентов и узлов электростатический заряд не может быть полностью предотвращен во время работы с устройствами. Большинство чувствительных к ESD электронных узлов и компонентов также настолько малы, что производство и обработка выполняются с помощью автоматизированного оборудования. Поэтому мероприятия по предотвращению ESD важны для тех процессов, где компоненты вступают в прямой контакт с поверхностями оборудования. Кроме того, важно предотвратить ESD, когда чувствительный к электростатическому разряду компонент соединен с другими проводящими частями самого продукта. Эффективным способом предотвращения ESD является использование материалов, которые не слишком проводящие, но будут медленно отводить статические заряды. Эти материалы называются статическими рассеивающими и имеют значения удельного сопротивления ниже 10 12 Ом-метров. Материалы в автоматизированном производстве, которые будут соприкасаться с проводящими областями чувствительной к ESD электроники, должны быть изготовлены из рассеивающего материала, а 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.
Чувствительные устройства должны быть защищены во время транспортировки, обработки и хранения. Накопление и разрядку статического электричества можно свести к минимуму, контролируя поверхностное сопротивление и объемное удельное 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 электростатического или электромагнитного экранирования в упаковочный материал. [5] Распространенным примером является то, что полупроводниковые приборы и компьютерные компоненты обычно отправляются в антистатическом пакете , изготовленном из частично проводящего пластика, который действует как клетка Фарадея для защиты содержимого от электростатического разряда.
Для тестирования восприимчивости 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, соединенного последовательно с резистором . Конденсатор заряжается до определенного высокого напряжения от внешнего источника, а затем внезапно разряжается через резистор на электрический вывод тестируемого 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 похожими стандартами являются MIL-STD-883 Method 3015 и ESD STM5.1 Ассоциации по электростатическому разряду. Для соответствия стандартам Европейского союза для оборудования информационных технологий используется спецификация испытаний IEC/EN 61000-4-2. [6] Другая спецификация, на которую ссылается производитель оборудования Schaffner, требует C = 150 пФ и R = 330 Ом, что обеспечивает результаты с высокой точностью. Хотя теория в основном есть, очень немногие компании измеряют реальный уровень выживаемости ESD. Даны руководящие принципы и требования для геометрии испытательных ячеек, спецификаций генератора, уровней испытаний, скорости разряда и формы сигнала, типов и точек разряда на «жертвенном» продукте и функциональных критериев для оценки выживаемости продукта.
Тест модели заряженного устройства (CDM) используется для определения ESD, которое может выдержать устройство, когда само устройство имеет электростатический заряд и разряжается из-за металлического контакта. Этот тип разряда является наиболее распространенным типом ESD в электронных устройствах и вызывает большинство повреждений ESD при их производстве. Разряд CDM зависит в основном от паразитных параметров разряда и сильно зависит от размера и типа корпуса компонента. Одна из наиболее широко используемых моделей испытаний симуляции CDM определена JEDEC .
Другие стандартизированные схемы испытаний на электростатический разряд включают модель машины (MM) и импульс линии передачи (TLP).
Медиа, связанные с электростатическим разрядом на Wikimedia Commons