Электростатический заряд: причины возникновения, последствия и методы защиты

Что такое электростатический заряд. Как он образуется. Какие последствия может вызвать электростатический разряд. Какие существуют методы защиты от электростатического разряда. Как правильно организовать рабочее место для защиты от ESD.

Что такое электростатический заряд и как он образуется

Электростатический заряд — это избыток или недостаток электронов на поверхности или внутри материала. Он возникает в результате контакта и последующего разделения двух материалов. При этом происходит перенос электронов с одного материала на другой.

Основные способы образования электростатического заряда:

• Трибоэлектрический эффект — при трении двух различных материалов
• Индукция — под действием внешнего электрического поля
• Ионизация — при воздействии ионизирующего излучения
• Пьезоэлектрический эффект — при механической деформации некоторых кристаллов

Наиболее распространен трибоэлектрический эффект. Например, при ходьбе по ковровому покрытию на человеке может накапливаться заряд до 35000 В.

Последствия электростатического разряда для электронных компонентов

Электростатический разряд (ESD) может вызвать следующие негативные последствия для электронных устройств:

• Необратимое повреждение полупроводниковых структур
• Ухудшение характеристик компонентов
• Сбои в работе электронных систем
• Полный отказ оборудования
• Притягивание загрязняющих частиц к поверхностям

Даже небольшой разряд в несколько вольт может вывести из строя современные микросхемы. Поэтому защита от ESD критически важна при производстве и обращении с электронными компонентами.

Основные методы защиты от электростатического разряда

Для защиты электронных устройств от повреждения электростатическим разрядом применяются следующие методы:

1. Заземление персонала и оборудования
2. Использование антистатических материалов
3. Ионизация воздуха
4. Экранирование чувствительных компонентов
5. Контроль влажности воздуха

Комплексное применение этих методов позволяет создать эффективную систему защиты от ESD на производстве и при обращении с электронными компонентами.

Организация защищенного от ESD рабочего места

Правильно организованное рабочее место должно включать следующие элементы защиты от электростатического разряда:

• Антистатическое покрытие рабочей поверхности
• Заземляющий браслет для персонала
• Ионизатор воздуха
• Антистатическую одежду и обувь
• Заземленные контейнеры для хранения компонентов
• Антистатическую упаковку

Все эти элементы должны быть правильно подключены к точке заземления. Регулярный контроль эффективности средств защиты от ESD также необходим.

Требования к антистатической упаковке электронных компонентов

Для безопасного хранения и транспортировки чувствительных к ESD электронных компонентов используется специальная антистатическая упаковка:

• Металлизированные пакеты (экранирующие)
• Антистатические пакеты (рассеивающие)
• Антистатические контейнеры
• Антистатическая пена

Антистатическая упаковка должна обеспечивать защиту компонентов от воздействия внешних электростатических полей и предотвращать накопление заряда на самих компонентах. Целостность упаковки критически важна для сохранения ее защитных свойств.

Нормативные документы по защите от электростатического разряда

Основные международные и российские стандарты в области защиты от ESD:

• IEC 61340 — серия стандартов по электростатике
• ANSI/ESD S20.20 — требования к программам защиты от ESD
• ГОСТ Р 53734 — защита электронных устройств от электростатических явлений
• ГОСТ Р 50009 — совместимость технических средств электромагнитная

Эти документы устанавливают требования к методам испытаний, оборудованию, материалам и процедурам для обеспечения защиты от электростатического разряда в электронной промышленности.

Экономические аспекты внедрения защиты от электростатического разряда

Внедрение комплексной системы защиты от ESD требует определенных затрат, но приносит значительную экономическую выгоду:

• Снижение процента брака при производстве
• Уменьшение количества отказов у потребителя
• Сокращение расходов на гарантийное обслуживание
• Повышение качества и надежности продукции
• Улучшение репутации производителя

По оценкам экспертов, затраты на внедрение ESD-защиты окупаются в течение 6-12 месяцев за счет снижения потерь от повреждения компонентов. В долгосрочной перспективе экономический эффект еще более значителен.

Электростатический разряд

Добавлено 27 января 2018 в 14:08

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 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. 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

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.

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.

Оригинал статьи:

• ElectroStatic Discharge

Теги

ESD (электростатический разряд)Надежность компонентовТехника безопасностиЭлектростатика

Оглавление

Вперед

Основы электростатического разряда — новость на сайте Протех

У греческого ученого Фалеса Милетского встречается самое раннее упоминание об электричестве. Он обнаружил, что если потереть янтарь, то к нему притягиваются пыль и листья. Слово «трибоэлектрик», позже вошедшее в обиход, происходит от греческих слов «трибо», что означает «тереть», и «электрос», то есть «янтарь» (окаменевшая смола доисторических деревьев).

Многие люди испытывают влияние статического электричества или электростатического разряда (ESD), прикоснувшись к металлической дверной ручке после того, как прошлись по ковролину или посидели в кресле с искусственным покрытием. Впрочем, статическое электричество и электростатические разряды веками создавали серьезные проблемы для промышленности. Так, в XV веке в европейских и карибских военных фортах были предусмотрены процедуры статического контроля и заземляющие устройства, чтобы предотвратить случайное возгорание запасов пороха от электростатического разряда. К 1860‑м годам бумажные фабрики по всей территории США использовали основные методы заземления, пламенную ионизацию и паровые барабаны для рассеивания статического электричества с бумажного полотна, проходящего процесс сушки. В ходе любого производственного процесса так или иначе возникают проблемы с электростатическим зарядом и разрядом. Боеприпасы и взрывчатые вещества, нефтехимия, фармацевтика, сельское хозяйство, полиграфия и графика, текстиль, живопись и пластмассы — это лишь некоторые отрасли, 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 все быстрее, а схемы все меньше, чувствительность к электростатическому разряду в целом увеличивается, и эта тенденция может усиливаться. Дорожная карта технологии электростатического разряда (ESD), разработанная EOS/ESD Association, Inc., пересматривается каждые несколько лет и гласит: «Поскольку устройства становятся более чувствительными, необходимо, чтобы компании начали тщательно изучать возможности ESD в своих процессах обращения с ними». Сегодня электростатические разряды влияют на производительность и надежность продукции практически во всех аспектах глобальной электронной среды.

Несмотря на большие усилия, прилагаемые в течение последних десятилетий, электростатические разряды по-прежнему влияют на производительность, стоимость производства, качество продукции, надежность и прибыльность. Стоимость поврежденных устройств колеблется от нескольких центов за простой диод до тысяч долларов за сложные интегральные схемы. Когда включены сопутствующие затраты на ремонт и переделку, доставку, рабочую силу и накладные расходы, существуют возможности для значительных улучшений. Большинство компаний, занимающихся выпуском электроники, сегодня обращают внимание на основные, принятые в отрасли элементы статического контроля. Сегодня доступны отраслевые стандарты EOS/ESD Association, Inc., которые помогут производителям разработать основные методы снижения и контроля статического заряда. Маловероятно, что любая компания, игнорирующая статический контроль, сможет успешно изготавливать и поставлять неповрежденные электронные компоненты.

Статическое электричество: создание заряда

Электростатический заряд определяется как «электрический заряд в состоянии покоя». Статическое электричество — это дисбаланс электрических зарядов внутри или на поверхности материала. Такой 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».

Электростатический разряд может изменить электрические характеристики полупроводникового прибора, ухудшая его параметры или разрушая его. Электростатический разряд также может нарушить нормальную работу электронной системы, вызывая сбои в работе или отказ оборудования. Заряженные поверхности могут притягивать и удерживать загрязнения, затрудняя удаление частиц. При притяжении к поверхности кремниевой пластины или к электрической схеме устройства переносимые по воздуху частицы могут вызывать случайные дефекты пластины и снижать выход продукции.

Управление электростатическим разрядом начинается с понимания того, как он возникает. Чаще всего электростатический заряд формируется при контакте и разделении двух материалов. Материалы могут быть похожими или разными, хотя разные материалы имеют тенденцию выделять более высокий уровень статического заряда. Например, человек, идущий по полу, генерирует статическое электричество, когда подошвы обуви соприкасаются, а затем отделяются от поверхности пола. Электронное устройство, скользящее в сумку, генерирует электростатический заряд, поскольку корпус устройства и металлические выводы создают множественные контакты и разъединения с поверхностью. Хотя величина электростатического заряда может быть разной.

Электростатический заряд, возникающий при контакте и разделении материалов, известен как трибоэлектрический заряд. Он включает перенос электронов между материалами. Атомы материала без статического заряда имеют равное количество положительных (+) протонов в ядре и отрицательных (–) электронов, вращающихся вокруг ядра. На рис. 1 материал A состоит из атомов с равным количеством протонов и электронов. Материал B также состоит из атомов с равным (хотя, возможно, разным) числом протонов и электронов. Оба материала электрически нейтральны.

Рис. 1. Трибоэлектрический заряд. Материалы создают плотный контакт

Когда два материала входят в контакт, а затем разделяются, отрицательно заряженные электроны переносятся с поверхности одного материала на поверхность другого. Какой материал теряет электроны, а какой получает электроны, будет зависеть от природы обоих материалов. Материал, который теряет электроны, становится положительно заряженным, а материал, получающий электроны, заряжается отрицательно (рис. 2).

Рис. 2. Трибоэлектрический заряд — разделение

Статическое электричество измеряется в кулонах. Заряд (q) на объекте определяется произведением емкости объекта (C) и потенциала напряжения на объекте (V):

q = CV.

Однако обычно мы говорим об электростатическом потенциале объекта, который выражается как напряжение.

Процесс контакта материала, переноса электронов и разделения — 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 нем). Этот заряд может передаваться из материала — создание электростатического разряда или появления ESD. Дополнительные факторы, такие как сопротивление фактического разрядного контура и контактное сопротивление на границе раздела между контактирующими поверхностями, тоже 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 генерация статического заряда все еще происходит даже при высокой относительной влажности.

Средства генерации	Относительная влажность 10–25%	Относительная влажность 65–90%
Прогулка по ковру	35 000 В	1500 В
Прогулка по виниловой плитке	12 000 В	250 В
Рабочий за верстаком	6000 В	100 В
Полиэтиленовый пакет, взятый с верстака	20 000 В	1200 В
Стул из пенополиуретана	18 000 В	1500 В

Таблица 1. Примеры типичных уровней статического генерирования напряжения

Электростатический заряд может также создаваться на материале другими способами, например индукцией, ионной бомбардировкой или контактом с другим заряженным объектом. Однако наиболее распространенным является трибоэлектрический заряд.

Трибоэлектрическая серия

Когда два материала соприкасаются и разделяются, полярность и величина заряда указываются положениями материалов в трибоэлектрическом ряду. Таблицы трибоэлектрических рядов показывают, как возникают заряды на различных материалах. Когда два материала соприкасаются и разделяются, один из них (ближе к вершине ряда) приобретает положительный заряд, а другой — отрицательный. Материалы, расположенные дальше друг от друга на столе, обычно генерируют более высокий заряд, чем те, что расположены ближе друг к другу. Эти таблицы, однако, следует использовать только в качестве общего руководства, поскольку в них задействовано множество переменных, которые нельзя контролировать достаточно тщательно, чтобы обеспечить повторяемость. Типичный трибоэлектрический ряд показан в таблице 2.

Положительный (+)	Отрицательный (–)
Мех кролика Стекло Слюда Человеческий волос Нейлон Шерсть Мех Свинец Шелк Ацетатное волокно Алюминий Бумага Хлопок Сталь Древесина Янтарь	Сургуч Никель Медь Латунь Серебро Золото Платина Сера Полиэстер Целлулоид Кремний Тефлон

Таблица 2. Типичный трибоэлектрический ряд

Практически все материалы, включая воду и частицы грязи в воздухе, могут быть трибоэлектрически заряженными. Количество генерируемого заряда, куда он уходит и как быстро, зависит от физических, химических и электрических характеристик материала (рис. 3).

Рис. 3. Классификация сопротивления (из ANSI/ESD S541)

Материал, который предотвращает или ограничивает поток электронов через его поверхность или через его объем из-за чрезвычайно высокого электрического сопротивления, называется изоляционным материалом. ESD ADV1.0 определяет изоляционные материалы как «материалы с поверхностным сопротивлением или объемным сопротивлением, равным или превышающим 1×10¹¹ Ом». На поверхности изолятора может быть образовано значительное количество заряда. Поскольку изолирующий материал не пропускает поток электронов, положительные и отрицательные заряды могут находиться на изолирующей поверхности одновременно, хотя и в разных местах. Избыточных электронов в отрицательно заряженном пятне может быть достаточно, чтобы удовлетворить отсутствие электронов в положительно заряженном пятне. Однако электроны не могут легко проходить через поверхность изоляционного материала, и оба заряда могут оставаться на месте в течение очень продолжительного времени.

Материал, позволяющий 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 1×10⁴ Ом или объемным сопротивлением менее 1×10⁴ Ом». Когда проводящий материал становится заряженным, заряд (недостаток или избыток электронов) будет равномерно распределен по поверхности материала. Если заряженный проводящий материал соприкасается с другим проводящим материалом, электроны довольно легко распределяются между материалами. Если второй проводник присоединен к заземлению оборудования переменного тока или к любой другой точке заземления, электроны потекут на «землю» и избыточный заряд на проводнике будет нейтрализован.

Электростатический заряд может создаваться трибоэлектрическим способом на проводниках так же, как он создается на изоляторах. Пока проводник изолирован от других проводов 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.

Диссипативные материалы имеют электрическое сопротивление между изолирующими и проводящими материалами. ESD ADV1.0 определяет рассеивающие материалы как «материал с поверхностным сопротивлением, превышающим или равным 1×10⁴ Ом, но менее 1×10¹¹ Ом, или объемным сопротивлением, превышающим или равным 1×10⁴ Ом, но менее 1×10¹¹ Ом. Поток электронов может пройти вдоль или насквозь диссипативного материала, он управляется поверхностным сопротивлением или объемным сопротивлением материала.

Как и в случае с двумя другими типами материалов, заряд может генерироваться трибоэлектрическим способом на материале, рассеивающем статическое электричество. Однако, как и проводящий материал, материал, рассеивающий статическое электричество, позволяет передавать заряд на «землю» или другие проводящие объекты. Перенос заряда от статического материала, рассеивающего статическое электричество, обычно занимает больше времени, чем от проводящего материала эквивалентного размера. Передача заряда от материалов, рассеивающих статическое электричество, происходит значительно быстрее, чем от изоляторов, и медленнее, чем от проводящего материала.

Электростатические поля

Заряженные материалы также имеют электростатическое поле и связанные с ним силовые линии. Электропроводящие объекты, попавшие в это электрическое поле, будут поляризованы в ходе процесса, известного как индукция (рис. 4). Отрицательное электрическое поле отталкивает электроны на поверхности проводящего элемента, который подвергается воздействию поля. Положительное электрическое поле будет притягивать электроны к поверхности, оставляя другие области заряженными положительно. Никакого изменения фактического заряда элемента при поляризации не произойдет. Однако если элемент является проводящим или рассеивающим и подключен к «земле» при поляризации, заряд будет течь от «земли» или на «землю» из-за дисбаланса заряда. Если контакт заземления отключен, а затем электростатическое поле снято, заряд останется на элементе. Если непроводящий объект попадает в электрическое поле, электрические диполи будут стремиться выровняться с полем, создавая кажущиеся поверхностные заряды. Непроводник (изолирующий материал) нельзя заряжать индукцией.

Рис. 4. Индукция

ESD-повреждения: как отказывают устройства

Согласно ESD ADV1.0, электростатическое повреждение определяется как «изменение элемента, вызванное электростатическим разрядом, из-за которого он не соответствует одному или нескольким указанным параметрам». Это может произойти в любой момент, от производства до обслуживания на месте. Как правило, повреждение возникает в результате обращения с устройствами в неконтролируемой среде или при использовании неэффективных методов борьбы с электростатическим разрядом. Как правило, повреждение классифицируется как катастрофический отказ или скрытый дефект.

Когда электронное устройство подвергается воздействию электростатического разряда, оно может перестать работать. Событие ESD могло вызвать расплавление металла, пробой соединения или повреждение оксида. Схема устройства необратимо повреждена, в результате чего устройство перестает функционировать полностью или частично. Такие сбои обычно можно обнаружить при тестировании устройства перед отправкой. Если после тестирования произойдет событие ESD опасного уровня, деталь может быть запущена в производство и повреждение останется незамеченным до тех пор, пока устройство не выйдет из строя при окончательном тестировании.

Согласно ESD ADV1.0, скрытый отказ — это «сбой, который возникает после периода нормальной работы. Примечание: отказ может быть связан с более ранним событием электростатического разряда». Устройство, подвергшееся воздействию электростатического разряда, может частично выйти из строя, но при этом продолжать выполнять свои функции. Поэтому выявить скрытый дефект сложно. Тем не менее срок службы устройства может сократиться. Продукт или система, включающие устройства со скрытыми дефектами, могут выйти из строя после того, как пользователь введет их в эксплуатацию. Ремонт таких отказов обычно требует больших затрат, а в некоторых случаях они могут создавать опасность для персонала.

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

Повреждение ESD обычно вызывается одним из трех событий: прямым ESD на устройство, ESD от устройства или индуцированными полем 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 выхода из строя устройства известен как чувствительность устройства к электростатическому разряду, или восприимчивость к электростатическому разряду.

Событие ESD может произойти, когда любой заряженный проводник (включая человеческое тело) разряжается на предмет. Причиной электростатического повреждения может быть прямая передача электростатического заряда от тела человека или заряженного материала на ESDS. Когда человек идет по полу, на его теле накапливается электростатический заряд. Простой контакт (или близость) пальца к выводам ESDS или узлу, который обычно имеет другой электрический потенциал, может привести к разрядке тела и, возможно, вызвать повреждение ESDS ESD. Модель, использованная для имитации данного события,— это модель человеческого тела (HBM). Подобный разряд может произойти от заряженного проводящего объекта, такого как металлический инструмент или приспособление. Исходя из характера разряда, модель, использованная для описания этого события, известна как машинная модель (ММ).

Передача заряда от ESDS к проводнику также является событием ESD. Статический заряд может накапливаться на самом ESDS в результате обращения с упаковочными материалами, рабочими поверхностями или поверхностями машин или при контакте с ними и их разделении. Это часто происходит, когда устройство перемещается по поверхности или вибрирует в упаковке. Модель, применяемая для имитации передачи заряда от ESDS, называется моделью заряженного устройства (CDM). Емкости, энергии и формы колебаний тока отличаются от разряда в ESDS, что, вероятно, приводит к различным режимам отказа.

ESDS, что, вероятно, приводит к различным режимам отказа. Кажется, что тенденция к автоматизированной сборке решит проблемы, связанные с событиями HBM ESD. Однако было показано, что компоненты могут быть более чувствительными к повреждениям при сборке с помощью автоматизированного оборудования. Например, устройство может заряжаться, если сдвинуть устройство подачи. Когда оно соприкасается с вводной головкой или любой другой проводящей поверхностью, происходит быстрый разряд от устройства к металлическому объекту.

Другой процесс электростатического заряда, способный прямо или косвенно повредить устройства, называется индукцией поля. Как отмечалось ранее, всякий раз, когда какой-либо объект становится электростатически заряженным, возникает электростатическое поле, связанное с этим зарядом. Если ESDS помещается в электростатическое поле и заземляется, находясь в электростатическом поле, передача заряда от устройства происходит как событие CDM. Если объект удален из области электростатического поля и снова заземлен, произойдет второе событие CDM, поскольку заряд (противоположной полярности от первого события) передается от устройства.

Повреждение ESDS событием ESD определяется способностью устройства рассеивать энергию разряда или выдерживать уровни напряжения, участвующие в разряде. Как объяснялось ранее, эти факторы определяют чувствительность устройства к электростатическому разряду. Процедуры тестирования, основанные на моделях ESD-событий, помогают определить чувствительность компонентов к ESD. Хотя известно, что очень редко происходит прямая корреляция между разрядами в процедурах испытаний и реальными событиями электростатического разряда, определение чувствительности электронных компонентов к электростатическому разряду дает некоторые рекомендации по определению степени требуемой защиты от электростатического разряда. Эти и другие процедуры были описаны ранее [1].

Согласно ESD ADV1.0, выдерживаемое напряжение электростатического разряда — это «самый высокий уровень напряжения, который не вызывает отказа устройства; устройство выдерживает все испытанные более низкие напряжения». Многие электронные компоненты подвержены повреждению электростатическим разрядом при относительно низких уровнях напряжения. Многие из них чувствительны к напряжению ниже 100 В, а многие компоненты дисковода выдерживают напряжения даже ниже 10 В. Современные тенденции в дизайне и разработке продуктов включают больше схем на эти миниатюрные устройства, что увеличивает чувствительность к электростатическому разряду и делает потенциальную проблему еще более острой.

Литература

1. Буданова И. Принципы ESD-защиты от электростатического разряда: разработка программы защиты от электростатического разряда // Технологии в электронной промышленности. 2021. № 5.

Автор: Буданова Ирина, руководитель отдела маркетинга ООО «ПРОТЕХ», [email protected]

Самый быстрый словарь в мире | Vocabulary.com

ПЕРЕЙТИ К СОДЕРЖАНИЮ

0. электростатический заряд электрический заряд в состоянии покоя на поверхности изолированного тела (который создает и соседнее электростатическое поле)

1. электростатическая машина электрическое устройство, создающее высокое напряжение за счет накопления заряда статического электричества

2. 08″>

   электростатически электростатическим способом

3. электростатический генератор электрическое устройство, создающее высокое напряжение за счет накопления заряда статического электричества

4. электрический разряд разряд электричества

5. электрический разряд электропроводность через газ в приложенном электрическом поле

6. электростатическое поле электрическое поле, связанное со статическими электрическими зарядами

7. электростатическая связь: химическая связь, при которой один атом теряет электрон, образуя положительный ион, а другой атом приобретает электрон, образуя отрицательный ион

8. 05″>

   электростатическая единица любая из различных единиц электричества, основанная на силах взаимодействия между электрическими зарядами

9. электростатический, связанный со статическим электричеством, производящий или вызываемый им

10. электростатика раздел физики, изучающий статическое электричество

11. электрический заряд Количество неуравновешенного электричества в теле (положительного или отрицательного), истолковываемое как избыток или недостаток электронов

12. электростатический принтер принтер, использующий электрический заряд для нанесения тонера на бумагу

13. экстатическое чувство великого восторга или восторга

14. 59″>

    электромагнитный спектр весь диапазон частот электромагнитных волн

15. электрофильтр для удаления частиц пыли из газов путем электростатического осаждения

16. электрическая энергия энергия, получаемая за счет протекания электрического заряда по проводнику

17. электронный словарь машиночитаемая версия стандартного словаря

18. электростатическое осаждение процесс удаления взвешенных частиц пыли из газа путем приложения к частицам электростатического заряда высокого напряжения и сбора их на заряженных пластинах

19. электронная сеть система взаимосвязанных электронных компонентов или цепей

Процесс электростатического заряда

Коронная зарядка

• Типовое напряжение от 40 000 до 100 000 В постоянного тока.
• Типовые токи 15-60 мкА
• Один миллиампер составляет 1/1000 ампера и может вызвать небольшой, но заметный шок
• Один микроампер составляет 1/1000000 ампера и не вызывает никаких ощущений.
• 15-60 мкА не причинят вреда человеку, хотя продолжительное воздействие может вызвать ощущение щекотки, подобное удару ковра.
• Обозначение микроампер: мкА

Линии электрического поля, заряженные коронным разрядом

• Поле короны создает силовые линии поля, выходящие из пистолета, которые сходятся на острых кромках и точках.
• Свободные электроны следуют силовым линиям.
• Электроны ударяются о молекулы воздуха, расщепляя их еще на 2 электрона и 1 ион.
• Новые электроны сталкиваются с новыми молекулами воздуха
• Свободные ионы движутся к источнику.
• Ионы также ударяют и расщепляют молекулы воздуха.

Зарядка частиц порошка коронным разрядом Незаряженная частица порошка будет притягивать силовые линии. Частица начнет захватывать свободные ионы. Частица продолжает поглощать до тех пор, пока ее потенциал не сравняется с потенциалом прилетающих ионов Степень поглощения заряда зависит от размера частиц, напряженности поля и времени нахождения в зоне заряда		Насыщение частиц зарядом короны Когда частица достигает точки насыщения захваченными ионами, она создает собственное электрическое поле. Это новое поле вызовет отталкивание силовых линий от частицы. Ионы больше не могут достичь частицы из-за отталкивания.

На движущуюся частицу воздействуют несколько сил, которые доставляют ее и осаждают на детали: сопротивление воздуха, аэродинамическая сила, электрическая сила и гравитация. Важно отметить, что электрическая сила может выполнять свою функцию только в том случае, если подложка продукта правильно заземлена.

Электростатическое притяжение

Электростатическое притяжение порошка к поверхности подложки: Порох сохраняет заряд в течение нескольких часов (минимум) при правильном заземлении. Когда порошок контактирует с заземленной поверхностью, он индуцирует равный и противоположный заряд на поверхности подложки. Это происходит потому, что одноименные ионы отталкиваются от области. Эта реакция называется «зеркальным» зарядом и служит для удержания частицы порошка на месте. Чем крупнее частица (сохраненный заряд), тем сильнее заряд и притяжение. Электроосаждение порошка: Крупные частицы обычно накапливают более сильные заряды. Поэтому более крупные частицы будут иметь тенденцию накапливаться поверх более мелких частиц, отложившихся непосредственно на поверхности. Обратная ионизация: Обратная ионизация возникает в первую очередь, когда деталь достигает точки насыщения, при которой дополнительный порошок не может притягиваться к подложке. Показания могут быть: Ограниченная сборка пленки Порошок притягивается к аппликатору, а не к детали Звезды/вихри По мере того, как порошок продолжает осаждаться на детали, напряженность электрического поля в слоях порошка увеличивается, поскольку каждая новая частица: Увеличивает кумулятивный заряд пленки и Увеличивает совокупное зеркальное отражение. Если распыление продолжается за пределами точки насыщения, электрическое поле внутри пленки становится достаточно сильным, чтобы: Ингибируют отложения дополнительных частиц Ионизовать воздух, захваченный осевшими частицами Разделить больше молекул воздуха новыми +/- ионами Заставить потоки электронов устремляться через покрытие к земле, отталкивая заряженные частицы Заставить потоки ионов устремляться через покрытие к пистолету, компенсирующий заряд частиц Заставляют эти потоки разрушать осажденную пленку порошка, отрывая порошок и создавая пустоты и кратеры или звездообразные узоры на своем пути. Регулировки обратной ионизации включают: Проверка грунта и чистоты крюка Увеличение расстояния до детали пистолета Уменьшить напряжение на 10-20кВ Убедиться, что возврат на первичную смесь правильный

Обычные электростатические блоки

Токовый выход		Эффективность переноса в зависимости от расстояния пистолета до детали

Основы эффекта клетки Фарадея

Силы притяжения обратно пропорциональны квадрату расстояния до цели.

СИЛА =

I ————— (РАССТОЯНИЕ)²

Токовый выход

A до B = 2 дюйма (1/(2×2) = 0,25 или относительная сила = 16

A до C = 4 дюйма (1/(4×4) = 0,0625 или относительная сила = 4

A до D = 8 дюймов (1/(8×8) = 0,0156 или относительное усилие = 1

Способствующие факторы

Края формируются быстро и могут подвергаться обратной ионизации до того, как углубления и другие области смогут покрыться, как показано на рисунке справа . Зарядка коронным разрядом создает сильные электрические поля Ребра имеют наименьшее сопротивление Электрические поля следуют по путям наименьшего сопротивления Заряженные частицы следуют по силовым линиям Чем меньше расстояние, тем больше притяжение
При покрытии углублений количество нанесенного порошка также ограничивается дополнительной площадью поверхности, подлежащей покрытию
A: Космический заряд Состоит из заряженных частиц и свободных ионов, которые также создают собственное электрическое поле по отношению к части. B: Силовые линии Корона генерировала поле заряда и силовые линии от электрода.

Влияние размера частиц на площадь поверхности и заряд

Заряд, создаваемый частицей порошка, зависит от отношения заряда к массе. Это отношение обратно пропорционально радиусу частицы. Более крупные частицы заряжаются менее эффективно. (Одна) частица размером 1 мил имеет 1/512 массы частицы размером 8 мил, но общий объем более мелких частиц, составляющих эту массу, будет нести в 8 раз больший заряд из-за увеличенной площади поверхности.

Базовый размер	Количество частиц	Площадь поверхности
8 мил	1 Частица	1 шт.
4 мил	8 частиц	2 шт.
2 мил	64 Частицы	4 шт.
1 мил	512 Частицы	8 шт.

Устройства ограничения тока

Устройства ограничения тока были разработаны, чтобы помочь свести к минимуму обратную ионизацию и особенно подходят для автоматического оружия, где постоянная регулировка нецелесообразна.