Почти каждый человек сталкивался с результатами статического электричества. Вот некоторые примеры: расчесывание волос пластиковой расческой приводит к тому, что волосы встают «дыбом»; снятие шерстяной одежды или хождение по ковру, а затем касание дверной ручки приводит к появлению искры и кратковременному «уколу»; сушка синтетической одежды часто приводит к ее слипанию. Все эти случаи из повседневной жизни привычны, и человек часто не осознает, что они могут приводить к повреждению электронных компонентов.

Статика и его компаньон электростатический разряд (ESD = электростатический разряд), повреждают электронные компоненты каждый день. В то время как ИС (интегральная схема) может стоить относительно недорого, ремонт электронного устройства, использующего данную ИС, может быть довольно дорогостоящим.

Например, при выходе электронного устройства из строя необходимо доставить его в сервисный центр, провести диагностику, установить причину отказа и произвести ремонт для устранения неполадки. Все это требует как человеческих, так и значительных финансовых затрат.

Историческая справка

Феномен статического электричества и его эффекты были известны человечеству уже очень давно. Еще в 1400-х годах при строительстве многих Европейских и Карибских фортификационных сооружений разрабатывали и использовали приспособления для предотвращения статических разрядов, приводящих к возгоранию черного пороха. Однако явлениям статического электричества не уделяли серьезного внимания вплоть до XVII-XVIII веков. Именно в это время многие ученые экспериментировали с накоплением зарядов, их сохранением и воспламенением различных веществ при помощи искрового разряда. Но только во времена промышленной революции (появление паровых машин) статическое электричество было описано, протестировано и измерено. Работы в данной области проводили Отто фон Герике, Шарль Франсуа Дюфе, Александро Вольт и другие ученые. Казалось бы, дальнейший интерес к изучению статического электричества пропал после изобретения батареи постоянного тока. Статика, в основном, рассматривалась как малозначимое явление. Однако, с механизацией производственных процессов появилось множество машин, работающих на больших скоростях и использующих ременные передачи, генерирующие большое количество статического электричества. Статические разряды становились виновниками пожаров на бумажных и текстильных фабриках, мукомольных производствах и на заводах, выпускающих боеприпасы. Статика поражала работников, что приводило к травмам на производствах. Обеспечение безопасности как производств, так и работающего персонала требовало более детального изучения этого вопроса.

Позднее статический заряд стал использоваться в различных областях: копировании документов, окрасочных производствах, технологиях очистки, пищевой промышленности (хлебопекарное и колбасное производство).

В 50-х годах прошлого века началось производство и использование пластиков. Оказалось, что большинство пластиков могут накапливать статические заряды и, вследствие этого, притягивать к себе различные загрязнения, которые становились причиной различных производственных проблем.

Изобретение транзисторов в 1947 году привело к новой эпохе в электронной технике. Их широкое распространение и использование потребовало учета последствий действия статического электричества. В то время, как ранние устройства, рассчитанные на бытовое применение, были относительно большими и устойчивыми к внешним воздействиям, миниатюризация в военной и космической промышленностях требовала создания все более чувствительных устройств. Как раз в это время военные специалисты разработали требования для работы и упаковки статически чувствительных устройств позже вошедшие в перечень стандартов MIL, IPC.

В 1958 году была изобретена первая интегральная схема, которая содержала на одном кристалле из полупроводникового материала транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие элементы, а уже через два десятка лет интегральные схемы насчитывали сотни или тысячи транзисторов на одном кристалле. Поскольку размер устройства был существенно сокращен, то чувствительность таких компонентов к воздействию статического электричества значительно возросла. В 1979 году была основана EOS/ESD ассоциация для исследования проблем статики и проведения обучения персонала.

В 80-х годах были представлены еще меньшие устройства и новые технологии для их получения. Тысячи затворов полевых транзисторов были помещены на одном чипе. ИС получали все больше распространение через бытовую технику и промышленную электронику. Компьютеры стали неотъемлемой частью бизнеса и домашнего обихода.

Современные интегральные схемы могут включать в себя миллиарды элементов на одном кристалле (МИС –до 100, СИС — до 1000, БИС — до 10000, СБИС — до 1 миллиона, УБИС до 1 миллиарда, ГБИС более 1 миллиарда), однако в настоящее время ГБИС практически не используются. Так, например, последние версии процессоров Intel Pentium 4 содержат всего несколько сотен миллионов транзисторов на одном чипе. Миниатюризация изделий является результатом того, что чипы работают быстрее, расходуют меньше энергии дешевле стоят (рис. 1).

Рис. 1. Закон Мура

Так как расстояние между компонентами уменьшается, то статическому разряду становится проще пробить более тонкую изоляцию, и, таким образом, запустить цепочку событий, ведущих к повреждению или даже разрушению устройства. Другими словами, чем меньше элементы электронных компонентов, тем больше риск повреждения его электростатическим разрядом. В таблице 1 приведена зависимость максимально допустимого напряжения от длины затвора полевого транзистора в различные года.

Таблица 1. Зависимость максимально допустимого напряжения от длины затвора полевого транзистора в различные года

Год 1995 1998 2001 2004 2005 2006 2009 2011 2013 2015

Длины затвора полевого транзистора (мкм) 0,35 0,25 0,18 0,12 0,09 0,065 0,045 0,032 0,022 0,010

Напряжение (В) 3,5 2-3,5 1,50-1,9 1,0-1,5 1,0 Менее 1

В будущем будут созданы схемы, содержащие большее количество элементов, которые будут иметь еще большую чувствительность к статике и электростатическому заряду. Согласно закону Мура (один из основателей компании Intel), выведенного в 1965 г. на основании эмпирических наблюдений, число транзисторов на кристалле удваивается каждые 18-24 месяца. Эта тенденция наблюдается уже более полувека, и нет ни малейших оснований утверждать, что она остановится в ближайшем будущем.

Эксперты оценивают средние потери из-за статического электричества в диапазоне 8-33% (таблица 2). Ежегодный суммарный ущерб мировой отрасли оценивается в миллиарды долларов США. Цена самого поврежденного элемента может колебаться от нескольких центов, как, например, для простого диода, до нескольких сотен долларов для сложных гибридных интегральных микросхем. Тем не менее, если посчитать и добавить к этому стоимость диагностики, ремонта, транспортных расходов, накладных расходов, то окончательная сумма ущерба возрастает многократно. Поэтому важно знать, как возникает статическое электричество и электростатический заряд, а самое главное, уметь бороться с данными явлениями.

Таблица 2. Статистика потерь от статического электричества

Описание Потери

Min. Max. Подтвержденные

Производители компонентов 4% 97% 16-22%

Субподрядчики 3% 70% 9-15%

Производители элекьроники 2% 35% 8-14%

Потребители 5% 70% 27-33%

Физические основы возникновения статического электричества

Статическое электричество — это совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности или в объеме диэлектриков, или на изолированных проводниках. Можно сказать, что электрический ток — это статический заряд, перемещаемый по проводнику от батареи постоянного тока. Мы можем сравнить статический или неперемещаемый заряд с динамическим или перемещаемым зарядом с постоянным напряжением в проводах идущих от батареи.

Зарядка

Атом состоит из протонов, электронов и нейтронов. Протоны имеют положительный заряд, электроны отрицательный, а нейтроны — это частицы, не обладающие зарядом. Когда атом имеет одно и то же число электронов и протонов, то положительные и отрицательные заряды уравновешивают друг друга. В этом случае атом будет нейтральным. Если атом получает электрон, он становиться отрицательно заряженным, если атом теряет электрон, он соответственно становится положительно заряженным.

В итоге мы можем сказать, что положительные или отрицательные заряды имеют место, если есть недостаток или избыток электронов, вращающихся на орбите атома.

Рис. 2. Типы атомов

Поля

Визуально электростатическое поле можно представить как группу силовых линий, начинающихся на положительных зарядах и оканчивающихся на отрицательных. Все мы помним из школьного курса физики, что одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются. Это результат действия электрического поля. Все заряженные объекты имеют поле вокруг себя (рис.3).

Рис. 3. Действие электрического поля

Пример: расчесывание волос с пластмассовой расческой. Волосы и расческа становятся заряженными, поэтому волосы притягиваются к расческе или к расческе может прилипнуть кусочек бумаги.

СПОСОБЫ ЗАРЯДКИ ОБЪЕКТОВ

Трибоэлектризация

Большинство статического электричества генерируется трибоэлектризацией.

Трибоэлектричество (от греч. tribos — трение) — явление возникновения электрических зарядов при трении. Наблюдается при взаимном трении двух диэлектриков, полупроводников или металлов различного химического состава или одинакового состава, но разной плотности, при трении металлов о диэлектрики, при трении двух одинаковых диэлектриков, при трении жидких диэлектриков друг о друга или о поверхность твёрдых тел и др. При этом электризуются оба тела. Их заряды становятся одинаковыми по величине и противоположными по знаку.

Трибоэлектрический заряд появляется тогда, когда два материала контактируют между собой, а затем отделяются друг от друга. При этом материалы могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Заряды (электроны) перераспределяются между материалами, оставляя один материал с положительным зарядом, а другой с отрицательным (рис.4). Так как каждый объект имеет миллиарды электронов, то величина заряда на объектах может достигать значительных значений. Трибоэлектрический заряд является наиболее распространенным при образовании и накоплении статического заряда (рис.5).

Рис. 4. Трибоэлектрический заряд (передача электрона)

Рис. 5. Образование трибоэлектрического заряда

Примерами могут послужить самые элементарные вещи: ходьба является одним из самых больших источников трибоэлектрического заряда. При ходьбе происходит контакт подошвы обуви с напольным покрытием, а затем их последующее разделение (рис.6). При этом данное действие происходит многократно. Человеческое тело является хорошим проводником, что позволяет ему проводить и накапливать заряды, образующиеся в ходе разделения двух материалов. Еще одним примером могут служить конвейерные ленты, приводные ремни и другие движущиеся части механизмов и машин, которые становятся источником трибоэлектрического заряда.

Рис. 6. Образование электростатического заряда трибоэлектрическим способом

Уровни образовавшегося потенциала при выполнении человеком обыденных действий представлены в таблице 3.

Таблица 3. Примеры образования электростатического заряда и уровень образовавшегося потенциала при выполнении человеком обыденных действий

Действие/Наименование операции Уровень относительной влажности

10% 40% 55%

Хождение по ковровому покрытию 35000 В 15000 В 7500 В

Хождение по виниловому линолеуму 12000 В 5000 В 3000 В

Работа за столом 6000 В 800 В 400 В

Извлечение DIP компонентов из пластикового пенала 2000 В 700 В 400 В

Извлечение DIP компонентов из винилового поддона 11500 В 4000 В 2000 В

Извлечение DIP компонентов из пенопластовой тары 14500 В 5000 В 3500 В

Удаление блистерной упаковки с ПП 26000 В 20000 В 7000 В

Упаковка ПП в упаковку с воздушными пузырьками 21000 В 11000 В 5500 В

Количество сгенерированного заряда зависит от типа материалов, окружающей среды и скорости разделения материалов (рис. 8). Такие материалы, как пластики, генерируют статическое электричество во много раз интенсивнее, чем проводящие материалы. Хорошим примером является такой изоляционный материал как скотч-лента, изготовленная из пластика. Обратите внимание, что грязь стремится к пластиковой ленте, всякий раз, когда происходит ее отделение от рулона (рис.7). Это вызвано тем, что на ленте генерируется статический заряд во время разделения материалов. При помощи заряженной ленты может быть приподнят кусочек бумаги.

Рис. 7. Образование электростатического заряда

Рис. 8. Трибоэлектрический ряд материалов

Поляризация

Поляризация — смещение положительных и отрицательных электрических зарядов в противоположные стороны. Поляризация происходит под действием электрического поля или некоторых других внешних факторов, например, механических напряжений.

В этом случае все положительные заряды перетекают в одну область, а все отрицательные заряды — в другую. При этом материал должен обладать свойством электропроводности.

Пример: рассмотрим процесс поляризации в несколько этапов. Сначала незаземленный проводящий материал, например, интегральная микросхема, помещена в поле заряженного объекта, например, пластиковый стакан (рис. 9). Электростатическое поле стакана вызывает поляризацию на интегральной схеме, что приводит к перераспределению зарядов на ее корпусе. Если микросхема, находясь в электростатическом поле, коснется земли (например, руки оператора с заземляющим браслетом) или другого заряженного объекта с другим потенциалом, то поляризационный заряд уйдет в землю. При этом произойдет нарушение равновесия ранее нейтрального объекта и он станет заряженным.

Рис. 9. Поляризация

Индукция

Индукция — процесс, при котором электромагнитное поле наводит заряд на близко расположенный проводящий объект без непосредственного контакта с ним. Когда часть проводника находится перпендикулярно полю, то в проводнике генерируется электрический ток.Индукция, как генератор, превращает механическое движение в электричество (рис.10).

Рис. 10. Индукция

Проводимость

Проводимость — способность тела пропускать электрический ток под воздействием электрического поля, а также физическая величина, количественно характеризующая эту способность.

В данной статье были рассмотрены принципы образования электростатических зарядов. Это необходимо для понимания опасности данного явления, последствий, которое оно вызывает и для выработке стратегии для защиты от статического электричества. Об этом будет подробно рассказано в последующих статьях.

все статьи

Скоро!

Основы статического электричества

Введение