Электростатический разряд (ESD): причины, последствия и методы защиты в электронной промышленности

Что такое электростатический разряд. Как образуется статическое электричество. Какой ущерб может нанести ESD электронным компонентам. Какие существуют способы защиты от электростатического разряда. На что нужно обращать внимание при организации ESD-защиты на производстве.

Что такое электростатический разряд и как он возникает

Электростатический разряд (ESD) — это быстрый перенос электростатического заряда между двумя объектами с разными электрическими потенциалами. Он возникает, когда накопленный статический заряд внезапно высвобождается.

Основные причины возникновения статического электричества:

• Трибоэлектрический эффект — заряд образуется при контакте и последующем разделении двух материалов
• Индукция — перераспределение зарядов под действием внешнего электрического поля
• Ионизация — образование заряженных частиц под действием излучения

Наиболее распространенный механизм — трибоэлектрический. Когда два материала соприкасаются и разделяются, происходит перенос электронов между их поверхностями. Один материал приобретает избыточные электроны и заряжается отрицательно, другой теряет электроны и заряжается положительно.

Опасность ESD для электронных компонентов

Электростатический разряд представляет серьезную угрозу для электронных устройств и компонентов. Даже небольшой разряд может вызвать:

• Полное разрушение компонента
• Частичное повреждение, приводящее к сокращению срока службы
• Скрытые дефекты, проявляющиеся со временем
• Сбои в работе оборудования

Чувствительность электронных компонентов к ESD постоянно растет по мере уменьшения их размеров и повышения быстродействия. Современные интегральные схемы могут выйти из строя при воздействии разряда всего в несколько десятков вольт.

Экономический ущерб от ESD в электронной промышленности

Электростатические разряды наносят огромный экономический ущерб электронной промышленности. По оценкам экспертов, ежегодные потери составляют миллиарды долларов. Это связано со следующими факторами:

• Снижение выхода годной продукции из-за отбраковки поврежденных компонентов
• Затраты на диагностику и ремонт оборудования после ESD-инцидентов
• Издержки на возврат и замену вышедших из строя изделий
• Потеря репутации производителей из-за снижения надежности продукции

Внедрение эффективной ESD-защиты позволяет значительно сократить эти потери и повысить качество и надежность электронных устройств.

Основные принципы защиты от электростатического разряда

Защита от ESD основана на нескольких ключевых принципах:

1. Предотвращение накопления заряда
2. Рассеивание имеющегося заряда
3. Нейтрализация заряда
4. Экранирование от воздействия электрических полей

Для реализации этих принципов используется комплекс технических и организационных мер. Важно обеспечить защиту на всех этапах — от производства компонентов до сборки и эксплуатации готовых устройств.

Технические средства ESD-защиты

Основные технические средства для защиты от электростатического разряда включают:

• Антистатические материалы и покрытия
• Заземляющие устройства
• Ионизаторы воздуха
• Экранирующие контейнеры и упаковка
• Антистатическая одежда и обувь
• Браслеты и коврики для снятия заряда с персонала

Выбор конкретных средств зависит от специфики производства и уровня защиты чувствительных компонентов. Важно использовать сертифицированные изделия, соответствующие отраслевым стандартам.

Организация ESD-защищенных рабочих мест

При организации рабочих мест, где выполняются операции с чувствительными к ESD компонентами, необходимо учитывать следующие аспекты:

• Использование антистатических покрытий на рабочих поверхностях
• Обеспечение надежного заземления оборудования и персонала
• Контроль относительной влажности воздуха (оптимально 40-60%)
• Ограничение применения диэлектриков в рабочей зоне
• Использование ионизаторов для нейтрализации зарядов
• Хранение компонентов в экранирующей таре

Важно регулярно проводить измерения и проверки эффективности принятых мер защиты.

Обучение персонала правилам ESD-безопасности

Ключевой элемент системы ESD-защиты — обучение персонала. Сотрудники должны понимать опасность электростатического разряда и знать правила безопасной работы. Программа обучения обычно включает:

• Базовые сведения об электростатическом разряде
• Правила использования защитного оборудования
• Порядок обращения с чувствительными компонентами
• Методы контроля ESD-защиты на рабочем месте
• Действия при ESD-инцидентах

Регулярное повторное обучение помогает поддерживать высокий уровень осведомленности персонала.

Стандарты в области ESD-защиты

Для обеспечения единого подхода к ESD-защите разработан ряд международных и национальных стандартов. Основные из них:

• ANSI/ESD S20.20 — требования к программам ESD-контроля
• IEC 61340-5-1 — защита электронных устройств от электростатических явлений
• ГОСТ Р 53734 — электростатика (серия стандартов)

Соответствие этим стандартам позволяет выстроить эффективную систему ESD-защиты и обеспечить совместимость с требованиями заказчиков.

Измерение и мониторинг ESD-параметров

Для оценки эффективности мер защиты от электростатического разряда необходимо проводить регулярные измерения. Основные контролируемые параметры:

• Напряженность электростатического поля
• Поверхностное и объемное сопротивление материалов
• Время стекания заряда
• Генерация заряда при движении персонала
• Эффективность ионизаторов

Для измерений используются специальные приборы — электростатические вольтметры, измерители поверхностного сопротивления, регистраторы ESD-событий и др. Важно соблюдать методики измерений, указанные в стандартах.

Особенности ESD-защиты в различных отраслях

Хотя базовые принципы ESD-защиты универсальны, в разных отраслях есть свои особенности:

• Микроэлектроника — сверхвысокие требования из-за экстремальной чувствительности компонентов
• Автомобильная электроника — необходимость защиты на всех этапах жизненного цикла изделий
• Медицинское оборудование — сочетание ESD-защиты с требованиями стерильности
• Аэрокосмическая отрасль — защита в условиях пониженного давления

При разработке системы ESD-защиты важно учитывать специфику конкретного производства и отраслевые стандарты.

Что такое электростатический разряд (ESD)? — определение из техопедии

Определение — что означает электростатический разряд (ESD)?

Электростатический разряд (ESD) — это быстрый разряд электрического тока между двумя объектами с разными зарядами и разным количеством электронов. Этот обмен электронами создает большое накопление электромагнитного поля, что приводит к электростатическому разряду.

Некоторые электронные устройства уязвимы для низковольтных электростатических разрядов. Например, жесткий диск восприимчив только к 10 вольтам. Интегральные схемы (IC) также подвержены электростатическому разряду и могут быть повреждены током высокого напряжения.

Techopedia объясняет электростатический разряд (ESD)

ОУР имеет несколько причин, но наиболее распространенными являются статическое электричество и электростатическая индукция. Статическое электричество часто производится трибо-зарядкой, а электростатическая индукция возникает в результате перегруппировки электрических зарядов как объекта. Как правило, трибо зарядка происходит, когда поверхность объекта получает отрицательные электроны, поскольку другой объект теряет электроны и становится положительно заряженным. Когда противоположно заряженные объекты вступают в контакт друг с другом, электроны передают энергию и затем разделяются, создавая тип контактной электрификации электрических зарядов.

ESD вызывает два типа повреждения электрооборудования, а именно:

• Катастрофический: создает постоянный урон
• Расстроенный сбой: почти неопределяемый. Повреждения компонентов, но может быть степень продолжительной работы оборудования.

Чтобы избежать электростатического разряда, необходимо соблюдать процедуры, чтобы уменьшить или устранить электрический ток. Удаление материалов с высоким накоплением электростатического заряда имеет решающее значение. Кроме того, заземление необходимо для блокировки ESD. Все в рабочей или домашней обстановке должно быть подключено к надежной системе заземления.

Следующие утилиты заземления защищают электронные компоненты, включая жесткие диски, карты расширения, материнскую плату, процессоры и модули памяти:

• Браслеты заземления или антистатический браслет: надеваются на запястье и прикрепляются к заземляющему проводнику, такому как заземляющий коврик или компьютерный корпус. Безопасно направляет статическое электричество на землю.
• Заземление или антистатический коврик: подключается к розетке для обеспечения заземляющей поверхности, используемой для поглощения статического электричества.
• Статический защитный пакет: часто используется при транспортировке печатных плат или других модулей. Защищает электронные компоненты от накопления статического электричества с помощью антистатического агента или материала.

Некоторые компоненты, такие как монитор и источник питания, никогда не должны быть заземлены, поскольку они поддерживают высокий уровень заряда электричества — даже когда они выключены.

Они также содержат конденсаторы, которые хранят большие объемы электрической энергии, которые способны остановить человеческое сердце.

Электростатическая Безопасность — Электроники | Cognex

Электростатический разряд (ЭСР) — неожиданно возникающий разряд статического тока, проходящий между двумя объектами, — представляет собой серьезную угрозу для продукции широкого спектра отраслей промышленности, включая электронную, автомобильную, биотехнологическую, фармацевтическую промышленности, в том числе и медицинской продукции и полупроводников, и может привести к значительным убыткам. Воздействие электростатического разряда может стать причиной повреждения электронных устройств, возникновения искр или пожаров в легковоспламеняющихся средах, а также вызвать сбои передачи данных. По данным Ассоциации ESD, занимающейся исследованием проблем статики и обучением персонала, ежегодные финансовые потери только электронной промышленности, связанные с электростатическими разрядами, оцениваются в миллиарды долларов, так как это явление негативно влияет на объемы выпускаемой продукции, ее качество и уровень удовлетворенности клиентов.

cgnx_pdf Загрузить паспорт считывателей штрихкодов с защитой от статического электричества

Статическое электричество, формально именуемое электростатическим разрядом, чаще всего возникает в условиях контакта и последующего разделения материалов в ходе процесса, известного как трибоэлектризация. Например, при перемещении по ковровым покрытиям в результате контакта ковра и обуви возникает статический заряд, при этом ковер, теряя электроны, становится положительно заряженным, а подошва, приобретая электроны, становится отрицательно заряженной. Когда человек, тело которого наэлектризовано, дотрагивается до металлической дверной ручки, выступающей в качестве проводника, статический заряд разряжается, а человек чувствует легкий удар током.

Величина электрического заряда, возникающего в результате трибоэлектризации, зависит от многих факторов, включая характеристики зоны контакта, свойства материалов, скорость разделения материалов и относительную влажность. Помимо трибоэлектризации, другими менее распространенными причинами возникновения статического электричества являются индукция, ионная бомбардировка и контакт с другим заряженным объектом.

Несмотря на то что статическое электричество измеряется в кулонах, инженерно-технические работники часто сосредотачивают внимание на вычислении значения электростатического потенциала между материалами, который измеряется в вольтах и​зависит от электрических зарядов, их пространственного расположения и расстояния между материалами. Например, если человек идет по ковровому покрытию, то величина статического электричества при относительной влажности воздуха 65–90 % будет равна 1500 В, а если же уровень относительной влажности составляет 10–20 %, то значение статического потенциала будет равно 35 000 В. С другой стороны, элементы электронных устройств, характеризующиеся чувствительностью к электростатическому разряду, например жесткий диск, могут быть повреждены в случае воздействия статического электричества с напряжением 10 В.

Повреждение электронных устройств и их деталей в результате воздействия статического электричества

Повреждения, возникшие вследствие статического электричества, классифицируются как критические или скрытые. Если повреждения являются критическими, электронное устройство полностью не функционирует. Если повреждения являются скрытыми, электронное устройство продолжает функционировать после воздействия статического электричества, однако с течением времени возможно появление неисправностей или даже полный выход из строя.

Чувствительные к электростатическому разряду устройства и детали классифицируются по уровню их уязвимости к повреждению статическим электричеством. Для этого применяются три модели, указанные ниже.

• Модель человеческого тела (Human Body Model, HBM): передача электростатического заряда от человеческого тела на чувствительное к электростатическому разряду устройство.
• Механическая модель (Machine Model, MM): передача электростатического заряда от заряженного проводящего объекта, например металлического инструмента или приспособления, на чувствительное к электростатическому разряду устройство.
• Модель заряженного устройства (Charged-Device Model, CDM): передача электростатического заряда от чувствительного к электростатическому разряду устройства на проводник, которая может произойти, когда статическое электричество накапливается на устройстве, чувствительном к статическому разряду, при обработке или контакте и последующем разделении упаковочных материалов, рабочих или обработанных поверхностей.

Защита от статического электричества

Поскольку чувствительные к электростатическому разряду устройства могут быть повреждены даже в результате незначительного электростатического воздействия, необходимо следить за тем, чтобы подобное не происходило на протяжении всего жизненного цикла продукции — от производства и испытания до отгрузки, обработки и обслуживании на местах. Для защиты чувствительных к электростатическому разряду устройств следует использовать перечисленные далее средства.

• Безопасные в электростатическом отношении рабочие станции.
• Антистатические браслеты.
• Одежда для защиты от статического электричества.
• Проводящие или рассеивающие энергию напольные материалы и обувь.
• Антистатические краски.
• Средства контроля влажности и ионизаторы воздуха.
• Антистатические пакеты.
• Инструменты для измерения статического электричества, такие как вольтметры и измерители поля, предназначенные для контроля уровня статического заряда.
• Считыватели штрихкодов для автоматизированного мониторинга устройств и контроля случаев воздействия статического электричества

Разработки Cognex для защиты от статического электричества

Линейка ручных и стационарных считывателей штрихкодов с защитой от статического электричества серии DataMan производства Cognex является самой обширной в индустрии промышленных считывателей штрихкодов. В целях предотвращения повреждения чувствительных к электростатическому разряду компонентов все детали корпусов выполнены из пластмасс с антистатическими свойствами, а на все оптические элементы нанесено антистатическое покрытие.

Считыватели штрихкодов Cognex с защитой от статического электричества отвечают требованиям электростатической безопасности в соответствии со стандартом IEC 61340-5-1:2016. Действие этого стандарта распространяется на деятельность по производству, обработке, установке, монтажу, упаковке, нанесению этикеток, обслуживанию, испытанию, осмотру и транспортировке, а также иные мероприятия, связанные со взаимодействием с электрическими или электронными деталями, узлами и оборудованием с выдерживаемым напряжением выше или равным 100 В (модель человеческого тела), 200 В (модель заряженного устройства) и 35 В (изолированные проводники).

Основы EOS/ESD, часть 1 | Ассоциация EOS/ESD, Inc.

• Скачать PDF

• Обзор ESD
• /
• Основы ESD
• /
• Часть 1: Введение в ESD

Сделать выбор Часть 1: Введение в электростатический разрядЧасть 2: Принципы контроля электростатического разрядаЧасть 3: Основные процедуры и материалы для контроля электростатического разрядаЧасть 4: Обучение и аудитЧасть 5: Чувствительность устройства и тестированиеЧасть 6: Стандарты электростатического разряда

Fundamentals of Electrostatic Discharge

Part One — An Introduction to ESD

© 2020, EOS/ESD Association, Inc. , Rome, NY

 

Greek scientist, Thales из Милета упоминается самое раннее сообщение об электричестве. Он обнаружил, что после натирания янтаря к нему притягиваются пыль и листья. Слово «трибоэлектрический», рассмотренное позже, происходит от греческих слов 9.0041 tribo — означает «тереть» и elektros — означает «янтарь» (окаменевшая смола доисторических деревьев). Когда в 1700-х годах были обнаружены свойства протекающего электричества, статическое электричество стало термином для старой формы электричества, что отличало его от новых форм электричества.

 

Многие люди сталкивались со статическим электричеством и «шоком» или электростатическим разрядом (ЭСР) при прикосновении к металлической дверной ручке после ходьбы по покрытому ковром полу или после скольжения по автомобильному сиденью. Однако статическое электричество и электростатический разряд на протяжении веков создавали серьезные промышленные проблемы. Еще в 1400-х годах военные форты Европы и Карибского бассейна использовали процедуры статического контроля и устройства заземления, пытаясь предотвратить непреднамеренное воспламенение пороховых складов от электростатического разряда. К 1860-м годам бумажные фабрики на всей территории

США использовали базовое заземление, методы пламенной ионизации и паровые барабаны для рассеивания статического электричества с бумажного полотна во время его прохождения в процессе сушки. В каждом мыслимом бизнесе и производственном процессе рано или поздно возникают проблемы с электростатическим зарядом и разрядом. Боеприпасы и взрывчатые вещества, нефтехимия, фармацевтика, сельское хозяйство, полиграфия и полиграфия, текстиль, покраска и производство пластмасс — вот лишь некоторые из отраслей, где контроль статического электричества имеет большое значение.

 

Эпоха электроники принесла с собой новые проблемы, связанные со статическим электричеством и электростатическим разрядом. И по мере того, как электронные устройства становятся быстрее, а схемы становятся меньше, чувствительность к электростатическим разрядам в целом возрастает. Эта тенденция может ускоряться. Дорожная карта технологии электростатического разряда (ESD) Ассоциации EOS / ESD, Inc. пересматривается каждые несколько лет и гласит: «Поскольку устройства становятся все более чувствительными, крайне важно, чтобы компании начали тщательно изучать возможности ESD в своих процессах обработки». Сегодня электростатический разряд влияет на производительность и надежность продукции практически во всех аспектах глобальной электронной среды.

 

Несмотря на огромные усилия, предпринятые в последние десятилетия, электростатический разряд по-прежнему влияет на выход продукции, стоимость производства, качество продукции, ее надежность и рентабельность. Стоимость поврежденных устройств колеблется от нескольких центов за простой диод до тысяч долларов за сложные интегральные схемы. Когда включены сопутствующие расходы на ремонт и доработку, доставку, рабочую силу и накладные расходы, существуют возможности для значительных улучшений. Сегодня почти все тысячи компаний, занимающихся производством электроники, обращают внимание на основные принятые в отрасли элементы статического контроля. Сегодня доступны отраслевые стандарты EOS/ESD Association, Inc., которые помогут производителям установить основные методы уменьшения и контроля статического заряда (см. Часть шестую – ESD 9).0019

 

Стандарты). Маловероятно, что какая-либо компания, которая игнорирует статический контроль, сможет успешно производить и поставлять неповрежденные электронные компоненты.

 

Определения терминологии ESD можно найти в ESD ADV1.0 – Glossary, который можно бесплатно загрузить по адресу w ww.esda.org . Электростатический заряд определяется как «электрический заряд в состоянии покоя». Статическое электричество — это дисбаланс электрических зарядов внутри или на поверхности материала. Этот дисбаланс электронов создает электрическое поле, которое можно измерить и которое может влиять на другие объекты. Электростатический разряд (ЭСР) определяется как «быстрая самопроизвольная передача электростатического заряда, вызванная сильным электростатическим полем. Примечание. Обычно заряд протекает через искру между двумя проводящими телами с разным электростатическим потенциалом, когда они приближаются друг к другу». .

 

Электростатический разряд может изменить электрические характеристики полупроводникового устройства, ухудшив или разрушив его. Электростатический разряд может также нарушить нормальную работу электронной системы, что приведет к неправильной работе или отказу оборудования. Заряженные поверхности могут притягивать и удерживать загрязняющие вещества, что затрудняет удаление частиц. Притягиваясь к поверхности кремниевой пластины или электрической схеме устройства, взвешенные в воздухе частицы могут вызывать случайные дефекты пластины и снижать выход продукта.

 

Управление электростатическим разрядом начинается с понимания того, как в первую очередь возникает электростатический заряд . Электростатический заряд чаще всего возникает при контакте и разделении двух материалов. Материалы могут быть похожими или разными, хотя разные материалы имеют тенденцию высвобождать более высокие уровни статического заряда. Например, человек, идущий по полу, генерирует статическое электричество, поскольку подошвы обуви соприкасаются, а затем отделяются от поверхности пола. Электронное устройство, выскальзывающее из сумки, магазина или трубки или вынимающееся из него, создает электростатический заряд, поскольку корпус устройства и металлические выводы многократно контактируют и отделяются от поверхности контейнера. Хотя величина электростатического заряда в этих примерах может быть разной, статическое электричество действительно образуется в каждом случае.

 

Создание электростатического заряда при контакте и разделении материалов называется трибоэлектрическим зарядом. Это связано с переносом электронов между материалами. Атомы материала без статического заряда имеют равное количество положительных (+) протонов в ядре и отрицательных (-) электронов, вращающихся вокруг ядра. На рисунке 1 материал «А» состоит из атомов с равным количеством протонов и электронов. Материал B также состоит из атомов с одинаковым (хотя, возможно, и разным) числом протонов и электронов. Оба материала электрически нейтральны.

 

 

Рис. 1. Трибоэлектрический заряд. Материалы создают тесный контакт

 

Когда два материала соприкасаются, а затем разделяются, отрицательно заряженные электроны переносятся с поверхности одного материала на поверхность другого материала. Какой материал теряет электроны, а какой приобретает электроны, будет зависеть от природы двух материалов. Материал, который теряет электроны, становится положительно заряженным, а материал, который приобретает электроны, заряжен отрицательно. (Показано на рис. 2.) 9Рисунок 2: Трибоэлектрический заряд – разделение Заряд ( q ) на объекте определяется произведением емкости объекта (C) и потенциала напряжения на объекте ( В ):

Однако обычно говорят об электростатическом потенциале на объекте. объект, который выражается в виде напряжения.

 

Процесс контакта материала, переноса электрона и разделения представляет собой гораздо более сложный механизм, чем описанный здесь. На количество заряда, создаваемого трибоэлектрической генерацией, влияют площадь контакта, скорость разделения, относительная влажность, химический состав материалов, работа выхода поверхности и другие факторы. Как только заряд создается на материале, он становится электростатически заряженным материалом или объектом (если заряд остается на материале или объекте). Этот заряд может передаваться от материала, создавая электростатический разряд или электростатический разряд. Дополнительные факторы, такие как сопротивление фактической цепи разряда и контактное сопротивление на границе раздела между контактирующими поверхностями, также влияют на фактический высвобождаемый заряд. Типичные сценарии генерации заряда и результирующие уровни напряжения показаны в таблице 1. Также показан вклад влажности в уменьшение накопления заряда. Однако следует отметить, что образование статического заряда все же происходит даже при высокой относительной влажности.

 

 

 

М Поколение Хождение по ковру Хождение по виниловой плитке	10-25% относительной влажности 35 000 В 12 000 В	65-90% относительной влажности 1500 В 250 В
Рабочий у станка	6000 В	100 В
Полиэтиленовый пакет, поднятый со скамейки	20 000 В	1200 В
Стул с пенополиуретаном	18 000 В	1500 В

 

Электростатический заряд может быть также создан на материале другими способами, такими как индукция, ионная бомбардировка или контакт с другим заряженным объектом. Однако наиболее распространена трибоэлектрическая зарядка.

 

Трибоэлектрическая серия

Когда два материала соприкасаются и разделяются, полярность и величина заряда определяются положением материалов в трибоэлектрической серии . Таблицы трибоэлектрических серий показывают, как генерируются заряды на различных материалах. Когда два материала соприкасаются и разделяются, тот, что находится ближе к вершине ряда, приобретает положительный заряд, а другой — отрицательный. Материалы, расположенные дальше друг от друга на столе, обычно генерируют более высокий заряд, чем материалы, расположенные ближе друг к другу. Эти таблицы, однако, следует использовать только в качестве общего руководства, поскольку в них задействовано много переменных, которые нельзя контролировать достаточно хорошо, чтобы обеспечить повторяемость. Типичный трибоэлектрический ряд показан в таблице 2.

 

+ Положительный
Отрицательный —	Мех кролика Стекло Слюда Человеческий волос Нейлон Шерсть Мех Свинец Шелк Алюминий Бумага Хлопок Сталь Дерево Янтарь Сургуч Никель, медь, латунь, серебро Золото, платина Сера Ацетатный искусственный шелк Полиэстер Целлулоид Кремний Тефлон

 

Практически все материалы, включая воду и частицы грязи в воздухе, могут быть трибоэлектрически заряжены. Сколько заряда генерируется, куда он уходит и как быстро зависит от физических, химических и электрических характеристик материала.

 

Материал, который предотвращает или ограничивает поток электронов через свою поверхность или через свой объем из-за чрезвычайно высокого электрического сопротивления, называется изоляционным материалом. ESD ADV1.0 определяет изоляционных материалов. определяются как « материалов с поверхностным сопротивлением или объемным сопротивлением, равным или превышающим 1,0 × 1011 Ом». На поверхности изолятора может генерироваться значительное количество заряда. Поскольку изоляционный материал не пропускает электронов, положительные и отрицательные заряды могут находиться на изолирующей поверхности одновременно, хотя и в разных местах. Избыток электронов в отрицательно заряженном пятне может быть достаточным для

 

удовлетворяют отсутствию электронов в положительно заряженном пятне. Однако электроны не могут легко течь по поверхности изоляционного материала, и оба заряда могут оставаться на месте в течение очень долгого времени.

 

Материал, который позволяет электронам легко проходить через его поверхность или через его объем, называется проводящим материалом. ESD ADV1.0 определяет проводящие материалы как «материал с поверхностным сопротивлением менее 1,0 × 104 Ом или объемным сопротивлением менее 1,0 × 104 Ом». Когда проводящий материал становится заряженным, заряд (недостаток или избыток электронов) будет равномерно распределен по поверхности материала. Если заряженный проводящий материал входит в контакт с другим проводящим материалом, электроны довольно легко распределяются между материалами. Если второй проводник подключен к заземлению оборудования переменного тока или любой другой точке заземления, электроны будут течь на землю, и избыточный заряд на проводнике будет нейтрализован.

 

Электростатический заряд может создаваться трибоэлектрически на проводниках так же, как он создается на изоляторах. Пока проводник изолирован от других проводников или земли, статический заряд будет оставаться на проводнике. Если проводник заземлен, заряд легко уйдет на землю. Или, если заряженный проводник контактирует с другим проводником с другим электрическим потенциалом, заряд будет течь между двумя проводниками.

 

Рассеивающие материалы имеют электрическое сопротивление между изоляционными и проводящими материалами. ESD ADV1.0 определяет диссипативные материалы как «материал, поверхностное сопротивление которого больше или равно 1,0 × 104 Ом, но меньше 1,0 × 1011 Ом, или объемное сопротивление больше или равно 1,0 × 104 Ом, но меньше 1,0 × 1011 Ом. Электронный поток может проходить через или через диссипативный материал, но он контролируется поверхностным сопротивлением или объемным сопротивлением материала.

 

Как и в случае с двумя другими типами материалов, заряд может генерироваться трибоэлектрически на материале, рассеивающем статическое электричество. Однако, как и проводящий материал, материал, рассеивающий статическое электричество, позволяет передавать заряд земле или другим токопроводящим объектам. Перенос заряда от материала, рассеивающего статическое электричество, обычно занимает больше времени, чем от проводящего материала эквивалентного размера. Перенос заряда от материалов, рассеивающих статическое электричество, происходит значительно быстрее, чем от изоляторов, и медленнее, чем от проводящих материалов.

Рисунок 3: Классификации сопротивления (от ANSI/ESD S541)

Электростатические поля 2

также имеют линии. Проводящие объекты, находящиеся вблизи этого электрического поля, будут поляризоваться процессом, известным как индукция . (см. рис. 4). Отрицательное электрическое поле будет отталкивать электроны на поверхности проводящего предмета, на который воздействует поле. Положительное электрическое поле будет притягивать электроны вблизи поверхности, оставляя другие области положительно заряженными. Никакого изменения фактического заряда предмета при поляризации не произойдет. Однако, если элемент является проводящим или рассеивающим и подключен к земле в поляризованном состоянии, заряд будет течь от земли или к земле из-за дисбаланса заряда. Если заземляющий контакт разъединить, а затем снять электростатическое поле, заряд на предмете останется. Если непроводящий объект помещается в электрическое поле, электрические диполи будут стремиться выровняться с полем, создавая кажущиеся поверхностные заряды. Непроводник (изоляционный материал) не может заряжаться индукцией.

 

 

 

Figure 4: Induction

 

ESD DAMAGE—HOW DEVICES FAIL

Per ESD ADV1.0, electrostatic damage is defined as «change to an item caused by электростатический разряд, из-за которого он не соответствует одному или нескольким заданным параметрам». Это может произойти в любой момент, от производства до выездного обслуживания. Как правило, повреждение возникает в результате обращения с устройствами в неконтролируемой среде или при использовании неэффективных методов защиты от электростатических разрядов. Как правило, повреждение классифицируется как катастрофический отказ или скрытый дефект.

 

Когда электронное устройство подвергается воздействию электростатического разряда, оно может перестать функционировать. Событие электростатического разряда могло вызвать расплавление металла, пробой перехода или разрушение оксида. Схема устройства необратимо повреждена, что приводит к полной или частичной остановке работы устройства. Такие отказы обычно можно обнаружить при проверке устройства перед отправкой. Если после тестирования произойдет событие электростатического разряда с разрушительным уровнем, деталь может быть запущена в производство, и повреждение останется незамеченным до тех пор, пока устройство не выйдет из строя при окончательном тестировании.

 

В соответствии с ESD ADV1.0 латентный отказ — это «неисправность, возникающая после периода нормальной работы. Примечание. Отказ может быть связан с более ранним событием электростатического разряда. Концепция скрытого отказа противоречива и не полностью принята. всеми членами технического сообщества

 

». Устройство, подвергшееся воздействию электростатического разряда, может быть частично повреждено, но при этом продолжать выполнять предназначенную ему функцию. Поэтому скрытый дефект трудно выявить. Тем не менее, срок службы устройства может сократиться. Продукт или система, включающие устройства со скрытыми дефектами, могут преждевременно выйти из строя после того, как пользователь введет их в эксплуатацию. Ремонт таких отказов обычно требует больших затрат, а в некоторых приложениях может создавать опасность для персонала.

 

При наличии надлежащего оборудования относительно легко подтвердить, что устройство потерпело катастрофический отказ, поскольку базовые тесты производительности подтвердят повреждение устройства. Однако скрытые дефекты сложно доказать или обнаружить с помощью современных технологий, особенно после того, как устройство собрано в готовый продукт.

 

Повреждение от электростатического разряда обычно вызывается одним из трех событий: прямым электростатическим разрядом на устройство, электростатическим разрядом от устройства или полевыми разрядами. Произойдет ли повреждение чувствительного к электростатическому разряду элемента (ESDS) в результате электростатического разряда, определяется способностью устройства рассеивать энергию разряда или выдерживать соответствующие уровни напряжения. Уровень, при котором устройство выходит из строя, называется чувствительностью устройства к электростатическим разрядам или восприимчивостью к электростатическим разрядам.

 

Событие электростатического разряда может произойти, когда любой заряженный проводник (включая тело человека) разрядится на объект. Причиной электростатического повреждения может быть прямая передача электростатического заряда от человеческого тела или заряженного материала к ESDS. Когда человек идет по полу, на его теле накапливается электростатический заряд. Простой контакт (или близость) пальца к выводам ЭЧД или узла, которые обычно имеют другой электрический потенциал, может привести к разряду тела и, возможно, вызвать повреждение ЭСР для ЭЧД. Модель, используемая для имитации этого события, представляет собой модель человеческого тела (HBM). Аналогичный разряд может возникнуть от заряженного проводящего предмета, такого как металлический инструмент или приспособление. Из-за характера разряда модель, используемая для описания этого события, известна как машинная модель (ММ).

 

Перенос заряда с ЭЧД на проводник также является событием ЭСР. Статический заряд может накапливаться на самом устройстве ESDS в результате манипуляций или контакта и разделения с упаковочными материалами, рабочими поверхностями или поверхностями машин. Это часто происходит, когда устройство перемещается по поверхности или вибрирует в упаковке. Модель, используемая для моделирования передачи заряда от ESDS, называется моделью заряженного устройства (CDM). Используемые емкости, энергии и формы тока отличаются от таковых для

разряд на ESDS, что может привести к различным режимам отказа.

 

Тенденция к автоматизированной сборке, по-видимому, решает проблемы электростатических разрядов HBM. Однако было показано, что компоненты могут быть более чувствительны к повреждениям при сборке на автоматизированном оборудовании. Например, устройство может зарядиться

 

, сдвинув фидер вниз. При контакте с вводной головкой или любой другой проводящей поверхностью происходит быстрый разряд устройства на металлический предмет.

Другой процесс электростатического заряда, который может прямо или косвенно повредить устройства, называется индукцией поля. Как отмечалось ранее, всякий раз, когда какой-либо объект становится электростатически заряженным, с этим зарядом связано электростатическое поле. Если ESDS помещается в электростатическое поле и заземляется, находясь в пределах электростатического поля, передача заряда от устройства происходит как событие CDM. Если предмет удалить из области электростатического поля и снова заземлить, произойдет второе событие CDM, поскольку заряд (полярность, противоположная первому событию) будет передан от устройства.

 

Повреждение ЭЧД в результате электростатического разряда определяется способностью устройства рассеивать энергию разряда или выдерживать уровни напряжения, связанные с разрядом. Как объяснялось ранее, эти факторы определяют чувствительность устройства к электростатическому разряду. Процедуры испытаний, основанные на моделях событий электростатического разряда, помогают определить чувствительность компонентов к электростатическому разряду. Хотя известно, что очень редко существует прямая корреляция между разрядами в процедурах испытаний и реальными событиями электростатического разряда, определение чувствительности электронных компонентов к электростатическому разряду дает некоторые рекомендации по определению требуемой степени защиты от электростатического разряда. Эти и другие процедуры описаны в пятой части этой серии.

 

В соответствии с ESD ADV1.0 выдерживаемое напряжение ESD — это «самый высокий уровень напряжения, который не вызывает отказ устройства; устройство выдерживает все протестированные более низкие напряжения». Многие электронные компоненты подвержены повреждению электростатическим разрядом при относительно низких уровнях напряжения. Многие из них чувствительны при напряжении менее 100 вольт, а многие компоненты дисковода выдерживают напряжение даже ниже 10 вольт. Текущие тенденции в дизайне и разработке продуктов включают в эти миниатюрные устройства больше схем, что еще больше повышает чувствительность к электростатическому разряду и делает потенциальную проблему еще более острой. В таблице 3 указана чувствительность различных типов компонентов к электростатическому разряду.

Тип устройства или детали

Микроволновые устройства (диоды с барьером Шоттки, диоды с точечным контактом и другие детекторные диоды >1 ГГц)

Дискретные устройства MOSFET

Устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ)

Соединительные полевые транзисторы (JFET)

Устройства с зарядовой связью (ПЗС)

Диоды прецизионного регулятора напряжения (линия регулирования напряжения нагрузки, <0,5%)

Операционные усилители (ОУ)

Тонкопленочные резисторы

Интегральные схемы

GMR и новые записывающие головки на дисковые накопители

Лазерные диоды

Гибриды

Очень быстродействующие интегральные схемы (VHSIC)

Кремниевые управляемые выпрямители (SCR) с Io <0,175 А при температуре окружающей среды 10 °C

* Уровни удельной чувствительности доступны в листах технических данных поставщика

 

РЕЗЮМЕ

В части 1 Основы электростатического разряда обсуждаются электростатический заряд и разряд, механизмы создания заряда, материалы, типы повреждений, вызванных электростатическим разрядом, явления электростатического разряда и чувствительность к электростатическому разряду. Мы можем резюмировать это обсуждение следующим образом:

1. Практически все материалы, включая проводники, могут быть трибоэлектрически
2. На величину заряда влияет тип материала, скорость контакта и разделения, влажность и ряд других факторов.
3. Заряженные объекты обладают электростатическим зарядом
4. Электростатический разряд может привести к повреждению устройств, поэтому параметр немедленно выходит из строя, или повреждение электростатическим разрядом может быть скрытым дефектом, который может не обнаруживаться немедленно, но может привести к преждевременному отказу устройства.
5. Электростатический разряд может возникать во время производства, испытаний, транспортировки, обработки или эксплуатации, а также во время выездного обслуживания
6. Повреждение электростатическим разрядом может произойти в результате разряда с по устройства, от устройства или в результате переноса заряда в результате электростатических полей. Устройства значительно различаются по своей восприимчивости к

 

Защита продуктов от воздействия электростатического разряда начинается с понимания этих фундаментальных концепций электростатических зарядов и разрядов. Для эффективной программы управления электростатическим разрядом требуется эффективная программа обучения, в которой весь участвующий персонал понимает ключевые концепции. См. часть вторую для основных концепций управления ESD.

 

ESD ADV 1.0, Глоссарий , EOS/ESD Association, Inc., Рим, Нью-Йорк.

Электростатический разряд TR20.20, Справочник по электростатическому разряду , EOS/ESD Association, Inc., Нью-Йорк.

ESD ADV11.2, Испытание накопления трибоэлектрического заряда , EOS/ESD Association, Inc., Рим, Нью-Йорк.

ANSI/ESD S20.20 — Стандарт для разработки программы контроля электростатического разряда , EOS/ESD Association, Inc., Рим, Нью-Йорк.

Что такое электростатический разряд? Ваше полное руководство по защите от электростатических разрядов

Вы когда-нибудь садились на металлический стул и чувствовали, как вас пронзает электрический разряд? Это не приятное ощущение.

А теперь представьте, что удар ударил по вашей электронике. Вы, наверное, представляете, как это может быть плохо.

Это называется электростатическим разрядом.

Теперь вам может быть интересно, что такое электростатический разряд? Продолжайте читать, чтобы узнать, что это такое, какой ущерб он наносит и как вы можете его предотвратить.

Давайте погрузимся!

Что такое электростатический разряд?

Электростатический разряд возникает, когда поток электричества между двумя электрически заряженными объектами внезапно замыкается в результате контакта между этими двумя объектами. Это происходит из-за накопления статического электричества между двумя объектами.

Статическое электричество может накапливаться между объектами из-за трибозарядки или электростатической индукции. Обычно, когда возникает электростатический разряд, между двумя сближенными электрически заряженными объектами возникает видимая электрическая искра.

На самом деле, электростатический разряд может создавать удивительные электрические искровые шоу. В естественном мире молния, сопровождаемая звуками грома, является сильным электростатическим разрядом. В других случаях электростатический разряд может вообще не вызывать искр или шума.

Однако, даже будучи незамеченным, электростатический разряд может привести к повреждению электронных устройств.

Опасность электростатического разряда

В отраслях, где используются электрические устройства, необходимо постоянно принимать меры против электростатического разряда. Это может иметь пагубные последствия для различных отраслей промышленности.

Электростатический разряд вызывает взрыв природного газа, паров автомобильного топлива и угольной пыли. Кроме того, он также может разрушить интегральные схемы. Из-за опасности электростатического разряда для продуктов и инструментов производители электроники установили зоны в опасных средах, свободные от статического электричества. Это электростатические зоны.

Создайте эти зоны, приняв меры для предотвращения заряда и удаления статического электричества, например:

• Использование заземления людей
• Обеспечение антистатическими устройствами
• Избегание материалов с высоким зарядом
• Контроль влажности в окружающей среде

Следующее эти шаги помогут уменьшить вероятность электрического разряда.

Что такое трибозарядка?

Трибозарядка, которая является распространенной причиной статического электричества, может быть достигнута различными способами. Ходьба по ковру является примером трибозарядки, так как она сближает два электрически заряженных материала (человек и ковер), а затем быстро разделяет их.

Протирание пластиковой расческой о сухие волосы — еще один пример трибозарядки, вызывающей статическое электричество. Трение воздушного шара о кусок шерсти, вставание с мягкого автомобильного сиденья и снятие определенных типов пластиковой упаковки с продукта — все это вызывает трибозаряд и создает статическое электричество. Когда один из трибозаряженных предметов касается другого заряженного предмета, можно увидеть или ощутить искру, и возникает электростатический разряд.

Как возникает электростатический разряд?

Электростатический разряд также может возникать в результате электростатической индукции. Это происходит, когда электрически заряженный объект находится рядом с объектом с проводящими свойствами, не касающимися земли.

Заряженный объект создает поле электростатической энергии, которое перераспределяет электрические заряды на поверхности незаземленного объекта. Когда это происходит, на незаземленном объекте появляются участки с избытком положительных и отрицательных зарядов.

Электростатический разряд может возникнуть, когда незаземленный предмет касается чего-либо с проводимостью. Примером этого является поверхность чашек из пенополистирола. Они вызывают электростатическую индукцию на близлежащих чувствительных объектах. Электростатический разряд может возникнуть, если они касаются чего-либо из металла.

Большинство космических кораблей склонны к электростатическому разряду из-за столкновения с ними заряженных частиц. Это вызывает повышенный заряд на поверхности, что делает их склонными к электростатическому разряду.

Повреждение электронного оборудования

Наиболее опасной частью электростатического разряда является искра. Это может причинить незначительную боль людям и серьезно повредить электронное оборудование. Пожары и взрывы могут произойти в местах с заряженным воздухом и горючими газами и/или частицами.

Однако даже без искры может произойти повреждение от электростатического разряда. Даже небольшое количество разряда может повредить электронику. Либо полностью сломав их, либо сделав их более склонными к деградации с течением времени. Это влияет на их долгосрочную надежность и производительность.

Типы электростатических разрядов, приводящих к отказу электроники

Разряд на электронику

Обычно это происходит, когда на устройство поступает электростатический заряд от человека. Например, если они ходили по комнате и накапливали электростатический заряд, а затем начинали работать с устройством. Точно так же повреждение может произойти, если вы используете заряженный токопроводящий инструмент для работы с электроникой во время сборки.

Разряд от электроники

Ваше электронное устройство может накапливать статический заряд во время производства, когда оно трется о поверхность или транспортируется в упаковке. Когда вещи производятся серийно с автоматизированной сборкой, это может привести к более высокой вероятности отказа компонента.

Полевой разряд

Когда объект приобретает электростатический заряд, он создает электростатическое поле. Затем, когда электронное устройство находится в этом поле и заземлено, заряд передается от устройства. Затем, если убрать из поля и снова заземлить, происходит заряд от устройства.

Защита от повреждений

Поскольку электронный разряд повреждает множество электронных компонентов, необходимо защищаться от него. Защищайте чувствительные материалы во время каждого процесса, включая:

• Производство
• Хранение
• Транспортировка
• Сборка
• Потребление

Эффективным и важным методом предотвращения электростатического разряда является заземление. Регулярно выполняйте заземление и регулярно проверяйте, чтобы все было в правильном положении, чтобы оно было эффективным.

Хотя электростатический разряд является естественным явлением, он может повредить электронное оборудование, причинить вред людям и даже нанести ущерб рабочим местам и городам.