Электростатический разряд

В начале этой книги мы обсудили статическое электричество и то, как оно создается. Это имеет гораздо большее значение, чем может показаться на первый взгляд, поскольку контроль статического электричества играет большую роль в современной электронике и других профессиях. Событие электростатического разряда - это когда статический заряд происходит неконтролируемым образом и в дальнейшем будет называться ESD.

Электростатические разряды бывают разных форм, от 50 вольт электричества до десятков тысяч вольт. Фактическая мощность чрезвычайно мала, настолько мала, что обычно не возникает опасности для тех, кто находится на пути разряда электростатического разряда. Обычно человеку требуется несколько тысяч вольт, чтобы даже заметить электростатический разряд в виде искры и сопровождающего его знакомого разряда. Проблема с ESD заключается в том, что даже небольшой разряд, который может остаться незамеченным, может испортить полупроводники. Статический заряд в тысячи вольт является обычным явлением, однако причина, по которой он не представляет угрозы, заключается в отсутствии за ним тока значительной продолжительности. Такое экстремальное напряжение способствует ионизации воздуха и разрушению других материалов, что и является причиной повреждения.

ESD - не новая проблема. Производство черного пороха и другие пиротехнические отрасли всегда были опасны, если событие электростатического разряда происходит в неподходящих обстоятельствах. В эпоху ламп (также известных как вентили) электростатические разряды не были проблемой для электроники, но с появлением полупроводников и увеличением миниатюризации это стало гораздо более серьезной проблемой.

Повреждение компонентов может и обычно происходит, когда деталь находится на пути электростатического разряда. Многие детали, такие как силовые диоды, очень прочные и могут выдерживать разряд, но если деталь имеет небольшую или тонкую геометрию как часть их физической структуры, то напряжение может разрушить эту часть полупроводника. Токи во время этих событий становятся довольно высокими, но составляют от наносекунды до микросекунды. Это приводит к необратимому повреждению части компонента, что может вызвать два типа отказов:катастрофический и скрытый. Катастрофический - самый простой, оставляя деталь полностью нефункциональной. Другой может быть гораздо серьезнее. Скрытое повреждение может позволить проблемному компоненту проработать часы, дни или даже месяцы после первоначального повреждения до катастрофического отказа. Часто эти части называют «ходячими ранеными», поскольку они работают, но плохо. На рисунке ниже показан пример скрытого («ходячие раненые») повреждения электростатическим разрядом. Если эти компоненты в конечном итоге будут выполнять роль жизнеобеспечения, например, в медицинских или военных целях, последствия могут быть плачевными. Для большинства любителей это неудобство, но может оказаться дорогостоящим.

Даже компоненты, которые считаются достаточно прочными, могут быть повреждены электростатическим разрядом. Биполярные транзисторы, первые из твердотельных усилителей, не обладают иммунитетом, хотя и менее восприимчивы. Некоторые из новых высокоскоростных компонентов могут быть повреждены всего лишь при 3 вольтах. Есть компоненты, которые не считаются подверженными риску, например, некоторые специализированные резисторы и конденсаторы, изготовленные с использованием технологии MOS (Metal Oxide Semiconductor), которые могут быть повреждены в результате электростатического разряда.

Предотвращение повреждений от электростатического разряда

Прежде чем можно будет предотвратить электростатический разряд, важно понять, что его вызывает. Как правило, материалы для рабочего стола можно разделить на 3 категории. Это генерирующие электростатические разряды, нейтральные электростатические разряды и рассеивающие электростатические разряды (или проводящие электростатические разряды). Материалы, генерирующие электростатические разряды, являются активными генераторами статического электричества, например, большинство пластмасс, кошачья шерсть и одежда из полиэстера. ESD-нейтральные материалы обычно изолируют, но не очень хорошо генерируют или удерживают статические заряды. Примеры этого включают дерево, бумагу и хлопок. Это не означает, что они не могут быть статическими генераторами или представлять опасность электростатического разряда, но риск несколько снижается за счет других факторов. Например, древесина и изделия из нее имеют тенденцию удерживать влагу, что может сделать их слабопроводящими. Это верно для многих органических материалов. Полированный стол не попадает в эту категорию, потому что блеск обычно бывает пластиком или лаком, которые являются высокоэффективными изоляторами. Электростатические проводящие материалы довольно очевидны, это металлические инструменты, лежащие вокруг. Пластиковые ручки могут быть проблемой, но металл будет выводить статический заряд так же быстро, как и на заземленной поверхности. Есть много других материалов, таких как некоторые пластмассы, которые должны быть проводящими. Они подпадут под заголовок ESD Dissipative. Грязь и бетон также являются проводящими и подпадают под заголовок "Рассеивающий электростатический разряд".

Есть много действий, которые генерируют статическое электричество, о чем вам нужно знать как часть режима контроля ESD. Простое снятие ленты с дозатора может привести к возникновению экстремального напряжения. Качание на стуле - еще один генератор статического электричества, равно как и царапины. Фактически, любая деятельность, которая позволяет двум или более поверхностям тереться друг о друга, почти наверняка вызовет статический заряд. Об этом упоминалось в начале этой книги, но примеры из реального мира могут быть тонкими. Вот почему необходим метод непрерывного сброса этого напряжения. При работе с компонентами следует избегать вещей, которые создают огромное количество статического электричества.

Пластик обычно ассоциируется с генерацией статического электричества. Это было распространено в виде проводящих пластиков. Обычный способ изготовления проводящего пластика - это добавка, которая изменяет электрические характеристики пластика с изолятора на проводник, хотя, вероятно, он все еще будет иметь сопротивление в миллионы Ом на квадратный дюйм. Были разработаны пластмассы, которые можно использовать в качестве проводников в приложениях с малым весом, например, в авиалиниях. Это специальные приложения, которые обычно не связаны с контролем электростатического разряда.

Это еще не все плохие новости для защиты от электростатического разряда. Человеческое тело - довольно приличный дирижер. Высокая влажность в воздухе также позволит безвредно рассеивать статический заряд, а также сделает материалы, нейтрализованные электростатическим разрядом, более проводящими. Вот почему холодные зимние дни, когда влажность в доме может быть довольно низкой, могут увеличить количество искр на дверной ручке. Летом или дождливыми днями вам придется потрудиться, чтобы создать значительное количество статического электричества. По этой причине в промышленных чистых помещениях и производственных цехах стараются регулировать как температуру, так и влажность. Бетонные полы также являются токопроводящими, поэтому в доме могут быть уже существующие компоненты, которые могут помочь в установке защиты.

Чтобы установить защиту от электростатического разряда, должен быть стандартный уровень напряжения, на который все рассчитано. Такой уровень существует в виде земли. Есть очень веские причины безопасности, по которым заземление используется вокруг дома в розетках. В некотором смысле это относится к статике, но не напрямую. Это действительно дает нам место, чтобы сбрасывать наши избыточные электроны или приобретать некоторые, если мы невысокие, чтобы нейтрализовать любые заряды, которые могут получить наши тела и инструменты. Если все на рабочем месте прямо или косвенно подключено к заземлению через проводник, статический заряд рассеется задолго до того, как появится возможность возникновения электростатического разряда.

Хорошую точку заземления можно сделать несколькими способами. В домах с современной электропроводкой можно использовать заземляющий контакт на вилке переменного тока или винт, удерживающий заглушку розеток. Это связано с тем, что в домашней электропроводке на самом деле есть провод или штырь, уходящий в землю где-то там, где отводится мощность от основных линий электропередач. Для людей, у которых домашняя проводка не совсем правильная, можно использовать штырь, вбитый в землю минимум на 3 фута, или простое электрическое соединение с металлическим водопроводом (худший вариант). Главное - проложить электрический путь к земле за пределами дома.

Десять МОм считаются проводником в мире защиты от электростатических разрядов. Статическое электричество - это напряжение без реального тока, и если заряд сбрасывается через несколько секунд после генерации, он обнуляется. Обычно по этой причине для подключения любой защиты от электростатического разряда используется резистор от 1 до 10 МОм. Его преимущество заключается в замедлении скорости разряда во время электростатического разряда, что увеличивает вероятность того, что компонент останется неповрежденным. Чем быстрее происходит разряд, тем выше ток, протекающий через компонент. Еще одна причина, по которой такое сопротивление считается желательным, заключается в том, что если пользователь случайно замкнут на высокое напряжение, такое как бытовой ток, его не убьет защита от электростатического разряда.

Большая промышленность выросла вокруг управления электростатическим разрядом в электронной промышленности. Основным элементом любой конструкции электроники является рабочий стол со статической проводящей или рассеивающей поверхностью. Эту поверхность можно купить в магазине или сделать дома в виде листа металла или фольги. В случае металлической поверхности было бы неплохо положить сверху тонкую бумагу, хотя в этом нет необходимости, если вы не проводите электрические тесты на поверхности. Коммерческая версия обычно представляет собой некую форму проводящего пластика, сопротивление которого достаточно велико, чтобы не создавать проблем, что является лучшим решением. Если вы делаете свою собственную поверхность для верстака, обязательно добавьте резистор 10 МОм на землю, иначе у вас вообще не будет защиты.

Другой важный элемент, который требует заземления от электростатического разряда, - это вы. Идут люди от статических генераторов. Поскольку ваше тело является проводящим, его относительно легко заземлить, обычно это делается с помощью браслета. В коммерческих версиях уже есть встроенный резистор и широкий ремешок, обеспечивающий хороший контакт с кожей. Одноразовые версии можно купить за несколько долларов. Металлический ремешок для часов также является хорошей точкой подключения для защиты от электростатического разряда. Просто добавьте провод (с резистором) к точке заземления. Большинство отраслей относятся к этой проблеме достаточно серьезно, чтобы использовать мониторы в реальном времени, которые будут подавать сигнал тревоги, если оператор не будет должным образом заземлен.

Еще один способ заземления - это пяточный ремень. Токопроводящая пластиковая деталь оборачивается вокруг пятки обуви, а проводящий пластиковый ремешок идет вверх и под носок для обеспечения хорошего контакта с кожей. Работает только на полах с проводящим воском или бетоном. Этот метод убережет человека от генерации больших зарядов, которые могут подавить другие средства защиты от электростатического разряда, и сам по себе не считается адекватным. Тот же эффект можно получить, пройдя босиком по бетонному полу.

Еще одна защита от электростатического разряда - это ношение токопроводящей одежды от электростатического разряда. Как и ремешок для пятки, это вторичная защита, не заменяющая ремешок для запястья. Они предназначены для короткого замыкания любых зарядов, которые может генерировать ваша одежда.

Движущийся воздух также может генерировать значительные статические заряды. Когда вы сдуваете пыль со своей электроники, она будет генерироваться статическим электричеством. Промышленное решение этой проблемы двоякое:во-первых, в пневматическом пистолете есть небольшой, хорошо защищенный радиоактивный материал, имплантированный внутри пневматического пистолета для ионизации воздуха. Ионизированный воздух является проводником и довольно хорошо снимает статические заряды. Во-вторых, используйте электричество высокого напряжения для ионизации воздуха, выходящего из вентилятора, который имеет тот же эффект, что и воздушный пистолет. Это эффективно поможет рабочей станции значительно снизить вероятность образования электростатического разряда.

Еще одна защита от электростатического разряда, которая является самой простой из всех, - это дистанционная защита. Во многих отраслях есть правила, согласно которым все нейтральные и генеративные материалы должны находиться на расстоянии не менее 12 дюймов от любой незавершенной работы.

Пользователь также может снизить вероятность повреждения электростатическим разрядом, просто не вынимая деталь из защитной упаковки, пока не придет время вставить ее в схему. Это снизит вероятность воздействия электростатического разряда, и, хотя цепь все еще будет уязвимой, компонент будет иметь некоторую незначительную защиту по сравнению с остальными компонентами, поскольку другие компоненты будут предлагать разные пути разряда для электростатического разряда.

Хранение и транспортировка компонентов и плат, чувствительных к электростатическому разряду

Нет смысла следить за защитой от электростатического разряда на рабочем столе, если детали повреждены во время хранения или переноски. Самый распространенный метод - использовать вариант клетки Фарадея, мешок ESD. Пакет ESD окружает компонент проводящим экраном и обычно имеет внутри нестатический изолирующий слой. В постоянных клетках Фарадея этот экран заземлен, как и в случае комнат RFI, но с переносными контейнерами это непрактично. То же самое можно сделать, положив антистатический пакет на заземленную поверхность. Клетки Фарадея работают, направляя электрический заряд вокруг содержимого и немедленно заземляя его. Автомобиль, пораженный молнией, является ярким примером клетки Фарадея.

Статические пакеты - это, безусловно, самый распространенный метод хранения компонентов и плат. Они сделаны с использованием очень тонких слоев металла, настолько тонких, что они почти прозрачны. Пакет с отверстием, пусть даже небольшой, или пакет, который не сложен сверху для защиты содержимого от посторонних зарядов, неэффективен.

Другой метод защиты деталей при хранении - это сумки или тюбики. В этих случаях детали помещаются в токопроводящие коробки с крышкой из того же материала. Это фактически образует клетку Фарадея. Трубка предназначена для микросхем и других устройств с большим количеством выводов и хранит детали в формованной проводящей пластиковой трубке, которая обеспечивает безопасность деталей как с механической, так и с электрической точки зрения.

Заключение

Электростатический разряд может быть незначительным неощутимым событием, измеряющим несколько вольт, или серьезным событием, представляющим реальную опасность для операторов. Любая защита от электростатического разряда может быть нарушена обстоятельствами, но ее можно обойти, зная, что это такое и как ее предотвратить. Многие проекты были построены без защиты от электростатического разряда и работали хорошо. Учитывая, что защита этих проектов представляет собой незначительное неудобство, лучше приложить усилия.

Промышленность очень серьезно относится к этой проблеме, поскольку она является одновременно проблемой, потенциально опасной для жизни, и проблемой качества. Тот, кто покупает дорогую электронику или высокотехнологичное оборудование, не будет счастлив, если ему придется вернуть его через 6 месяцев. Когда на кону стоит репутация, легче поступать правильно.