Основы электростатического разряда

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.

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.

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 1x10¹¹ 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 1x10⁴ Ом или объемным сопротивлением менее 1x10⁴ 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 1x10⁴ Ом, но менее 1x10¹¹ Ом, или объемным сопротивлением, превышающим или равным 1x10⁴ Ом, но менее 1x10¹¹ 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]