Электростатический разряд

Добавлено 27 января 2018 в 14:08

Глава 9 – Практические аналоговые полупроводниковые схемы

В главе 1.1 тома 1 обсуждается статическое электричество, и как оно создается. Это имеет гораздо большее значение, чем можно было бы предположить, поскольку управление статическим электричеством играет большую роль в современной электронике и других профессиях. Событие электростатического разряда – это когда статический заряд сбрасывается неконтролируемым образом, и в дальнейшем будет упоминаться как электростатический разряд или ESD.

Электростатический разряд

Электростатический разряд проявляется во многих формах, он может составлять от 50 вольт до десятков тысяч вольт. Его реальная мощность чрезвычайно мала, настолько мала, что вообще не существует опасности для того, кто находится на пути электростатического разряда. Обычно человеку требуется несколько тысяч вольт, чтобы просто заметить ESD в виде искры и щелчка, который ее сопровождает. Проблема электростатического разряда – это даже небольшой разряд, который может остаться незамеченным, но может разрушить полупроводниковое устройство. Статический заряд в тысячи вольт является обычным явлением, однако причина, по которой он не является угрозой, – это отсутствие какой-либо существенной продолжительности. Эти экстремальные напряжения позволяют ионизировать воздух и позволяют разрушать другие материалы, что является причиной повреждений.

ESD – это не новая проблема. Производство черного пороха и другие пиротехнические отрасли всегда были опасны тем, что электростатический разряд может произойти в неподходящих окружающих условиях. В эпоху электронных ламп ESD для электроники был несущественной проблемой, но с появлением полупроводников и увеличением миниатюризации эта проблема стала гораздо более серьезной.

Повреждение компонентов может и, как правило, происходит, когда компонент находится на пути ESD. Многие компоненты, такие как силовые диоды, очень надежны и могут работать с разрядом, но если компонент имеет небольшие или тонкие части в своей физической структуре, то напряжение может разрушить эту часть полупроводникового устройства. Токи во время этих событий становятся довольно высокими, но находятся во временном интервале от наносекунд до микросекунд. Часть компонента остается поврежденной навсегда, что может привести к двум типам отказов. Катастрофический – легкий, оставляющий компонент полностью нефункционирующим. Другой тип может быть гораздо более серьезным. Скрытое повреждение может позволить проблемному компоненту работать в течение нескольких часов, дней или даже месяцев после первоначального повреждения до полного отказа. Часто эти компоненты упоминаются как "ходячие раненые", так как они работают, но плохо. На рисунке ниже показан пример скрытого ("раненого") повреждения от электростатического разряда. Если эти компоненты появляются в системах жизнеобеспечения, например, в медицинском или военном использовании, последствия могут быть мрачными. Для большинства любителей это просто неудобство, хотя оно может быть и дорогостоящим.

Даже компоненты, которые считаются достаточно прочными, могут быть повреждены с помощью электростатического разряда. Биполярные транзисторы, самые первые из твердотельных усилителей, также не обладают иммунитетом перед ESD, хотя и менее восприимчивы к нему. Некоторые из новых высокоскоростных компонентов могут быть разрушены всего лишь тремя вольтами. Есть компоненты, которые могут считаться неподверженными риску, такие как некоторые специализированные резисторы и конденсаторы, изготовленные с использованием технологии МОП (металл-оксид-полупроводник, MOS – metal oxide semiconductor), устройства на базе которой могут быть повреждены при помощи ESD.

Повреждение от электростатического разряда
Повреждение от электростатического разряда. Пример скрытого повреждения от ESD, также известный как "ходячий раненый". Эта трехвыводная микросхема стабилизатора работала около часа после первоначального повреждения от разряда.

Предотвращение повреждений от электростатического разряда

Прежде чем пытаться предотвратить электростатический разряд, важно понять, что его вызывает. Как правило, материалы вокруг рабочего места могут быть разбиты на 3 категории. Это материалы, генерирующие электростатический заряд, нейтральные к электростатическому заряду и рассеивающие электростатическому заряду (или проводящие электростатический заряд). Материалы, генерирующие электростатический заряд, представляют собой активные статические генераторы, такие как большинство пластмасс, шерсть кошек и одежда из полиэстера. Материалы, нейтральные к электростатическому заряду, как правило, являются изолирующими, но не имеют склонностей к созданию и очень хорошему хранению статических зарядов. Примерами таких материалов могут служить древесина, бумага, хлопок. Это не означает, что они не могут быть статическими генераторами или опасными в плане ESD, но риск несколько сведен к минимуму другими факторами. Например, древесина и изделия из дерева, как правило, удерживают влагу, что может сделать их слегка проводящими. Это касается многих органических материалов. Хорошо отполированный стол не подпадает под эту категорию потому, что глянец обычно представляет собой пластик или лак, которые являются высокоэффективными изоляторами. Материалы, проводящие электростатический заряд, довольно очевидны, они представляют собой металлические инструменты. Пластиковые ручки инструментов могут быть проблемой, но металл будет сбрасывать электростатический заряд настолько быстро, насколько он генерируется, если он находится на заземленной поверхности. Существует много других материалов, таких как некоторые пластмассы, которые разработаны так, чтобы проводит заряд. Они подпадают под категорию материалов, проводящих электростатический заряд. Грязь и бетон также являются проводящими и подпадают под категорию материалов, проводящих электростатический заряд.

Существует множество других действий, которые генерируют электростатический заряд, о которых вам нужно знать для управления электростатическим разрядом. Простое действие вытягивания ленты кассового аппарата может привести к генерации экстремального напряжения. Верчение на кресле – еще один электростатический генератор, как и почесывания. Фактически любая активность, которая позволяет двум и более поверхностям тереться друг об друга, вполне может создать некоторый электростатический заряд. Это было упомянуто в начале данной книги, но примеры из реального мира могут быть неочевидны. Вот почему необходим метод непрерывного отвода этого напряжения. Во время работы с компонентами следует избегать вещей, которые генерирую огромное количество статического электричества.

С генерацией статического электричества обычно ассоциируется пластик. Но были получены проводящие пластмассы. Обычный способ изготовления проводящего пластика – это добавка, которая изменяет электрические характеристики пластика из изолятора на проводник; хотя он, вероятно, будет иметь сопротивление в миллионы ом на квадратный дюйм. Были разработаны пластмассы, которые могут использоваться в качестве проводников в приложениях, где важен малый вес, например, в авиационной отрасли. Это специализированные применения, обычно связанные с управлением электростатическим разрядом.

Это не все плохие новости для защиты от ESD. Человеческое тело – довольно приличный проводник. Высокая влажность воздуха также позволит избежать статического заряда, также сделать материалы, нейтральные к электростатическому заряду, более проводящими. Вот почему холодные зимние дни, когда влажность внутри помещений может быть довольно низкой, могут увеличить количество искр на дверной ручке. Летом или дождливыми днями вам придется сильно потрудиться, чтобы создать значительное количество статического заряда. По этой причине в промышленных чистых помещениях прикладываются усилия для регулирования температуры и влажности. Бетонные полы также являются проводящими, поэтому некоторые составляющие зданий могут помочь в создании защиты.

Чтобы установить ESD защиту, необходимо определить стандартный уровень напряжения, относительно которого измеряются остальные уровни. Такой уровень существует, это электрический потенциал земли. По соображениям безопасности во всех розетках в зданиях используются проводники защитного зануления, которые на вводе в здание соединены в заземляющим проводником. В некотором смысле это относится к статике, но не напрямую. Если мы прикоснемся к проводу заземления, это даст нам возможность сбросить наши лишние электроны или, наоборот, приобрести, чтобы нейтрализовать любые заряды, которые могут быть на наших телах или инструментах. Если всё, что находится на рабочем столе, прямо или косвенно соединено через проводник с землей, то рассеивание статического заряда будет происходить задолго до того, как произойдет событие электростатического разряда.

Хорошая точка для заземления может быть выполнена несколькими способами. В домах с современной проводкой может использоваться проводник защитного зануления или винт, который удерживает крышку розетки. Это связано с тем, что проводники защитного зануления в проводке электрически связаны на вводе в здание с заземляющим устройством. Для людей, у кого проводка в доме не совсем правильная, можно использовать шип, вбитый в землю не менее, чем на 3 фута (1 метр), или простое электрическое соединение с металлической сантехникой (наихудший вариант). Главное создать электрический путь к земле вне дома.

Десять мегаом считаются проводником в мире управления электростатическим разрядом. Статическое электричество – это напряжение без реального тока, и если заряд сбрасывается через несколько секунд после генерирования, он аннулируется. Поэтому обычно для подключения любой защиты от электростатического разряда используется резистор от 1 до 10 МОм. Это обладает преимуществом замедления скорости разряда во время события ESD, что увеличивает вероятность того, что компонент останется неповрежденным. Чем быстрее происходит разряд, тем выше всплеск тока, проходящего через компонент. Другая причина, по которой такое сопротивление считается подходящим, заключается в том, что если пользователь случайно прикоснулся к чему-либо под высоким напряжением, например, электросеть в доме, то эта защита от ESD не убьет его.

В электронной промышленности вокруг управления электростатическим разрядом выросла крупная индустрия. Основа любого производства электроники – это рабочее место со статической проводящей или рассеивающей поверхностью. Эта поверхность может быть куплена или сделана дома из листа металла или фольки. В случае металлической поверхности хорошей идеей может оказаться накладывание сверху тонкой бумаги, хотя это не обязательно, если на этой поверхности вы не проводите никаких испытаний. Промышленная версия обычно представляет собой некоторую форму проводящего пластика, сопротивление которого достаточно высоко, чтобы не вызывать проблемы, что является лучшим решением. Если вы создаете свою собственную поверхность для рабочего места, обязательно добавьте резистор 10 МОм на землю, иначе у вас не будет никакой защиты вовсе.

Другим важным элементом, который необходим для ESD защиты, является то, что вы тоже должны быть заземлены. Люди – это ходячие электростатические генераторы. Ваше тело является проводящим, его относительно легко заземлить, хотя обычно это делается с помощью браслета. Коммерческие версии уже имеют встроенный резистор и довольно широкий ремешок для обеспечения хорошей контактной поверхности с вашей кожей. Подобные браслеты можно купить за несколько долларов. Металлический браслет часов также является хорошей точкой для подключения защиты от электростатического разряда. Просто добавьте провод (с резистором) к точке заземления. Большинство отраслей промышленности серьезно относятся к этой проблеме, настолько, что в них используются контроль в режиме реального времени, который подаст звуковой сигнал, если оператор заземлен неправильно.

Защита от электростатического разряда на рабочем месте
Защита от электростатического разряда на рабочем месте

Другой способ заземления себя – это каблук. Проводящая пластиковая часть оборачивается вокруг пятки вашей обуви, при этом проводящий пластиковый ремешок поднимается вверх под носок для хорошего контакта с вашей кожей. Это работает только на полах с проводящим лаком или бетоном. Этот метод сохранит человека от генерирования больших зарядов, которые могут преодолеть другие ESD защиты, и сам по себе не считается достаточным. Вы можете получить тот же эффект, ходя босиком по бетонному полу.

Еще одна защита от электростатического разряда – ношение проводящей спецодежды. Как и каблук, это второстепенная защита, не предназначенная для замены браслета. Она предназначены для короткого замыкания любых зарядов, которые может создать ваша одежда.

Движущийся воздух также может генерировать значительные статические заряды. Когда вы удаляете пыль с вашей электроники, будет генерироваться статический заряд. Промышленное решение этой проблемы имеет два подхода. Во-первых, использование в воздушных пушках небольшого, хорошо экранированного радиоактивного материала, который вставленный внутрь воздушной пушки для ионизации воздуха. Ионизированный воздух является проводником, и он будет достаточно быстро разряжать статические заряды. Во-вторых, использование высоковольтного электричества для ионизации воздуха, выходящего из вентилятора, который имеет тот же эффект, что и воздушная пушка. Этот эффективно помогает на рабочем месте снизить вероятность сильного электростатического разряда.

Другая защита от электростатического разряда – самое простое, расстояние. Во многих отраслях есть правила, согласно которым все нейтральные и генерирующие материалы должны находится не менее, чем в 12 дюймах (30 сантиметрах), от любой выполняемой работы.

Пользователь также может уменьшить вероятность повреждения от ESD, просто не вынимая компонент из его защитной упаковки, пока не наступит время установить этот компонент в схему. Это уменьшит вероятность воздействия ESD, и пока схема будет оставаться уязвимой, компонент будет иметь небольшую защиту от остальных компонентов, так как они будут предоставлять различные пути для электростатического разряда.

Хранение и транспортировка компонентов и плат, чувствительных к ESD

Недостаточно следить за защитой от ESD на рабочем месте, если компоненты могут быть повреждены при хранении или транспортировке. Наиболее распространенным методом является использование вариации клетки Фарадея, сумки ESD (антистатического пакета). ESD сумка окружает компонент проводящим экраном и обычно содержит внутри антистатический изолирующий слой. В стационарных клетках Фарадея этот экран заземлен, но с переносными контейнерами это нецелесообразно. Если положить ESD пакет на заземленную поверхность, эффект будет тот же. Клетки Фарадея работают проведения электрического заряда в обход содержимого и немедленного заземления. Автомобиль, пораженный молнией, является частным случаем клетки Фарадея.

Антистатические пакеты на сегодняшний день являются наиболее распространенным способом хранения компонентов и плат. Они изготавливаются из чрезвычайно тонких слоев металла, настолько тонких, чтобы быть почти прозрачными. Пакет с отверстием, даже маленьким, или мешок, который не складывается сверху, чтобы запечатать содержимое от наружных зарядов, неэффективен.

Другим способом защиты компонентов при хранении являются контейнеры или трубки. В этих случаях, компоненты помещаются в проводящие коробки с крышкой из того же материала. Это эффективно образует клетку Фарадея. Трубки предназначены для микросхем и других устройств с большим количеством выводов, компоненты хранятся в формованной проводящей пластиковой трубке, которая обеспечивает безопасность компонентов как механически, так и технически.

Это некоторые из наиболее распространенных логотипов, обозначающих антистатические метки. Они используются для информирования пользователя о том, что содержимое чувствительно к статическому электричеству.
Это некоторые из наиболее распространенных логотипов, обозначающих антистатические метки. Они используются для информирования пользователя о том, что содержимое чувствительно к статическому электричеству.

Заключение

Электростатический разряд (ESD) может быть незначительным в несколько вольт или мощным, представляющим опасность для операторов. Все ESD защиты могут быть преодолены окружающей средой, но это можно обойти, поняв, что это такое, и как это предотвратить. Многие проекты, построенные без ESD защиты, хорошо работают. Но, учитывая, что добавление защиты в эти проекты доставляет лишь незначительное неудобство, то лучше приложить усилия и добавить ее.

Промышленность серьезно относится к этой проблеме, как к потенциально угрожающей жизни, так и как проблеме качества. Тот, кто покупает дорогую электронику или высокотехнологичное оборудование, не будет рад, если ему придется отдать ее в сервисный центр через 6 месяцев. Когда дело касается репутации, легче поступить правильно и добавить защиту.


На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.


Сообщить об ошибке