Статическое электричество и электронные компоненты

При работе с электронными компонентами, чипами, собранными электронными - вычислительными устройствами часто возникает вопрос - насколько опасно статическое электричество для них и как с ним бороться?
Здесь я расскажу о статическом электричестве и защите от него.

 

Электростатика

Электростатика — раздел учения об электричестве, изучающий взаимодействие неподвижных электрических зарядов.
Между одноимённо заряженными телами возникает электростатическое (или кулоновское) отталкивание, а между разноимённо заряженными — электростатическое притяжение. Явление отталкивания одноименных зарядов лежит в основе создания электроскопа — прибора для обнаружения электрических зарядов.

 

 

В основе электростатики лежит закон Кулона. Этот закон описывает взаимодействие точечных электрических зарядов.

Закон Кулона имеет вид:

F = 1/4πε₀•[(|q₁|•|q₂|)/r²]

здесь ε₀ = 8,85x10^-12 Ф/м - электрическая постоянная.

 

Простой пример действия закона Кулона и наглядно наблюдаемый - перенос электростатического заряда на кисть из тонких эластичных волосков.

 

Свойства электрического заряда

Заряд бывает двух видов, называемых положительным и отрицательным:
заряды одного вида отталкиваются друг от друга, заряды разных видов - притягиваются, причем сила отталкивания равна по модулю силе притягивания;
число положительных и отрицательных зарядов в веществе одинаковое.
Полный электрический заряд изолированной системы сохраняется.
Величина заряда может принимать только дискретные значения:
минимальный заряд частицы e = 1.60·10-19 Кл;
любой заряд q кратен минимальному, т.е. q=Ne, где N - целое число;
минимальные положительный и отрицательный заряды равны по абсолютной величине.

 

Электрическое поле

Заряд изменяет свойства окружающего его пространства, т.е. он создает вокруг себя нечто материальное, посредством чего осуществляется взаимодействие между зарядами. Это нечто и называется электрическим полем. Поле характеризуется величиной напряженности, которая численно равна силе, действующей на единичный заряд:

E = F/q

Направление вектора напряженности совпадает с направлением силы, действующей на заряд.

 

Величина φ

 φ = W_p/q

называется потенциалом.

Потенциал (φ) численно равен потенциальной энергии (Wp), которой обладал бы в данной точке поля положительный единичный заряд (q). Работа по переносу заряда q из точки 1 в точку 2 может быть записана как:
 

A₁₂ = q(φ₁ + φ₂) = qU

Тогда, так как потенциал на бесконечности считаем равным нулю то можно сказать, что потенциал равен работе, которую совершают силы поля над единичным положительным зарядом при удалении его из данной точки на бесконечность.

Единицей потенциала является Вольт.

1В - это потенциал в такой точке, для перемещения в которую из бесконечности заряда в 1Кл нужно затратить работу в 1Дж.

Потенциал поля, создаваемого системой зарядов равен алгебраической сумме потенциалов, создаваемых каждым из зарядов в отдельности:

φ = 1/4πε₀ • q/r

Напряженность электрического поля

U = φ₁ - φ₂

 

Возникновение электростатических зарядов

Электрические заряды на поверхности материалов могут возникать при разрыве их контакта между ними, деформации материалов, при трении материалов друг о друга.

В результате соприкосновения двух материалов на их поверхности может возникать двойной электрический слой после обмена зарядами между контактирующими поверхностями. Этот обмен вызван разными энергетическими состояниями контактирующих поверхностей. Определяет обмен зарядами  - работа выхода электронов в контактирующих металлах. Контактирующий материал, работа выхода у которого меньше теряет электроны, значит его поверхность заряжается положительно. Материал же с большей работой выхода принимает электроны и заряжается отрицательно. При этом чем больше разница работы выхода, тем сильнее заряжается граница раздела. Если молекулы на поверхности одного из материалов поляризованы, то в месте контакта они поляризуют молекулы другого материала и при этом на поверхностях после разрыва контакта остаются заряды за счет поляризации.

Образование электрических зарядов на поверхностях происходит и при трении их друг о друга. Это происходит по причине многократного последовательного контакта неровностей их поверхностей сопровождающейся электризацией их поверхностей. Количество контактирующих участков при трении больше чем при соприкосновении, поэтому поверхностный заряд много больше.

 

 

При деформации диэлектриков, за счет механических напряжений происходит электризация их поверхности.

Возникновение разноименных зарядов при отрыве пленки с поверхности диэлектриков которые могут быть настолько большими, что можно наблюдать искрение , например при резком отрыве скотча от диэлектрической поверхности.

 

Накопление зарядов в материалах

При определенных условиях заряд в может сохраняться длительное время или даже накапливаться. Непроводящие или плохо проводящие материалы обладают способностью накапливать электростатический заряд имеют объемное сопротивление не менее 10¹² ом х м и удельное поверхностное сопротивление не менее 10¹² ом х квадрат.

Заряд может переноситься на электропроводящие объекты и накапливаться на них. Например на человеке. Это происходит если сопротивление стекания заряда на землю великою.

Способность накапливать заряд телом описывается его емкостью С.

C=q/U

Чем больше емкость, накапливающего заряд тела, относительно окружающих предметов тем больше заряд накопленный на теле, тем больше потенциал тела и энергия накопленная в результирующем заряде.

Энергия W накопленная на емкости С равна:

W = 1/2 CE²

При достижении некоторой величины рост накопленного заряда и напряжения на носителе заряда прекращается. Они ограничены пробивным напряжением воздуха, который ионизируясь в электрическом поле заряда создает проводимость для стекания заряда.

Если имеется два тела с разными потенциалами (если разность их потенциалов больше нуля) между ними имеется электрическое поле напряженностью U = φ₁ -φ₂ , то при создании проводимости между этими двумя телами (r_пр) между ними начинает течь ток iс, максимальная величина которого определяется сопротивлением проводимости.

i_с = U/r_пр

Форма этого тока:

 

В случае если соприкасаются два тела одно из которых имеет на поверхности изолирующую пленку (покрытие), то к этому покрытию прикладывается все электрическое поле. Если электрическая прочность покрытия меньше приложенного электрического поля то ионизация атомов покрытия в приложенном электрическом поле приводит к развитию электрического пробоя покрытия и стекание заряда с одного объекта на другой до достижения их равенства.

 

Человек может нести на своем теле заряд, создающий напряжение относительно окружающих предметов величиной 10 кВ, а иногда и более 20 кВ. Накопление заряда происходит когда тело изолировано.

 

Характеристики тела человека
Сопротивление, кОм	1-100
Контакт пальцем, кОм	1-5
Емкость по отношению к земле, пФ	100-400

 

Воздействие электростатического разряда на элементы электронной техники принято подразделять как непосредственное (прямое) и косвенное.

Основная опасность прямого воздействия электростатического разряда на электронную технику заключается в поражении ее элементов. Для этого достаточно относительно небольшой энергии в разряде - порядка десятков - сотен микро джоулей. Ориентировочная величина напряжения (потенциала) достаточного для пробоя изоляции и p-n или n-p переходов полупроводниковых приборов приведена в табл. 1.

 

Предельные электрические напряжения

Тип полупроводникового прибора	Напряжение, кВ
Полевые линейные транзисторы	8 -4
Диоды Шотки	0,3-2,5
ТТЛ интегральная логика	1-2,5
ТТЛ Шотки	0,3 - 2,5
Биполярные транзисторы	0,38 - 7
Транзисторы	0,68-2,5
Пленочные резисторы	0,3-3
СБИС	1-3
КМОП логика	0,25-3
Мощные биполярные транзисторы	7-25
Электрическая программируемая память	0,1

Таблица 1

 

Как правило при энергии электростатического разряда десятки микро джоулей и напряжением несколько киловольт с рук человека он не ощущает их.

 

Мы не должны забывать, что электростатический разряд может происходить не только с заряженного оператора - человека, но и с заряженного образца электронной техники на заземленного оператора, так и когда оператор - прибор заряжены до разной величины напряжения или зарядами противоположного знака.

 

Результатом воздействия электростатических разрядов могут быть:
- разрыв соединительных проводников,
- короткое замыкание металлизации,
- разрушение диэлектриков,
- уход параметров электронных компонентов.

Дефекты вызванные электростатическими разрядами с разными параметрами

Заряд,      Кл	Энергия,   Дж	Виды дефектов
10-10 - 10-8	10-6 - 10-5	Снижение коэффициента усиления по току, увеличение коэффициента шума, увеличение тока утечки. Нестабильность рабочих характеристик
10-8 - 10-7	10-5 - 10-4	Короткое замыкание переходов, снижение устойчивости к перенапряжениям, ухудшение рабочих характеристик
10-7 - 10-5	10-4 - 10-3	Расплавление, короткое замыкание и пробой оксидных пленок, электродов и выводов
более 10-5	более 10-3	Деформация и расплавление металлических элементов, разрушение сплавных элементов, ...

 

Косвенным воздействием является электростатический разряд как источник электромагнитных помех.

Они могут быть кондуктивными (наводящимися на шины питания, заземления) и излучаемыми. Излучаемые помехи возникают когда разряд происходит вблизи системы и помехи попадают на входы через емкость связи для электрического поля или через индуктивную связь для магнитного поля. Излучаемые электромагнитные помехи от электростатических разрядов обычно не вызывают повреждений. Преобладающим воздействием их на объекты электронной техники является кратковременные сбои.

 

Методы снижения электростатических зарядов

Улучшение антистатических характеристик материалов за счет создания объемной проводимости

К конструкционным и отделочным материалам помещений где работают с компьютерной и электронной техникой предъявляются взаимно исключающие требования.

1. Это хорошие изоляционные свойства для предотвращения поражения электрическим током,
2. Для удаления электростатических зарядов с их носителей необходима некоторая электропроводность у них.

Для создания некоторой проводимости отделочных и конструкционных материалов применяются антистатические присадки. Например для электропроводящей резины используют в качестве антистатической присадки - сажу. Если обычный вулканизированный каучук имеет проводимость порядка 10¹³ Ом м и после добавки углерода в виде сажи она падает до 10⁵ Ом м

Влажность и ее влияние

Важную роль при электростатических явлениях имеет относительная влажность воздуха.

Эти проблемы редко возникают при относительной влажности воздуха более 50-60%. И не смотря на то что влажный воздух имеет более низкую проводимость, работает не проводимость воздуха, а тонкая пленка влаги адсорбируемая на поверхностях диэлектриков, за счет содержания в этой влаге ионов создающих повышенную проводимость.

Причем для разных материалов оптимальной будет разная влажность.

При влажности 60% и выше электростатические разряды не образуются. Но при этом могут возникнуть технологические и гигиенические проблемы в помещениях с таким уровнем влажности.

Подробнее см. ссылку 2 в конце.

Для повышения поверхностной проводимости применяют обработку поверхности поверхностно активными веществами, которые улучшают адсорбирование влаги на поверхности.

Нейтрализаторы электрического заряда

К нейтрализаторам относятся устройства создающее поток или облако положительных или отрицательных ионов, которые оседая на электризованную поверхность нейтрализуют заряды на их поверхности.

Кроме того ионы создают повышенную проводимость воздуха.

 

Защита радиоаппаратуры от воздействия электростатического электричества

Антистатическое заземление

Заземление не является защитой о статических зарядов, но оно необходимо для ограничения зарядов, скапливающихся на изоляционных материалах и могущих попасть на проводящие конструкции установок.

Для статического электричества, объект считается заземленным если сопротивление заземления имеет величину порядка !0⁷ Ом при относительной влажности 60%.

 

Для предупреждения вывода из строя электронной аппаратуры применяются следующие методы.

Схемотехнический

1. Применение элементной базы с максимальной устойчивостью к воздействию ЭСР
2. Использование схемотехнической защиты от перенавряжений во входных - выходных цепях.

Конструкторский

1. Создание рационального заземления,
2. Экранирование узлов и блоков.
3. Ограничение доступа к цепям и блокам,
4. Выбор материалов и покрытий

Технологический

1. Устранение разности потенциалов на материалах,
2. Использование специальной тары и транспорта,
3. Применение средств снятия эл. статических зарядов с тела операторов,
4. Нейтрализация зарядов
5. Заземление объектов

Эксплуатация

1. Повышение поверхностной проводимости материалов за счет обработки материалов и создания оптимальной влажности,
2. Нейтрализация эл. статических зарядов,
3. Антистатическая отделка помещения,
4. Индивидуальная антистатическая защита персонала.

 

Простое средство для снятия статического электрического заряда с теле человека - оператора.

Для снятия электрического заряда с тела человека - оператора на производства, в мастерских да и в домашней лаборатории применяется антистатический браслет.

Его внешний вид показан на рис.5.

 

Ремешок такого браслета выполнен из слабо проводящего материала, электрический контакт с которым выполнен с помощью специальной конструкции позволяющей подключить к браслету специальный провод со штеккером. В него должен быть встроен резистор 1 мОм, который позволяет заряду стекать с тела человека без ощущения этого процесса (как происходит при непосредственном касании пальцем "земли").

 

Внимание! Предупреждение самодельшикам! Все кто сами пытаются изготовить антистатический браслет должны помнить, что его нельзя подключать обычным проводом к "земле" или клемме заземления! В антистатическом браслете подключение к "земле" должно осуществляться через сопротивление 1 мОм! Иначе Вы можете потерять руку или погибнуть от поражения электрическим током!

 

Ссылки:

1. Конспект лекций по электростатике ИАТЭ НИЯУ МИФИ кафедра ОиСФ
2. Защита электронных средств от воздействия статического электричества, Кучиев Л.Н, Пожидаев Е.Д., ИД "Технологии", М, 2005
3. Схемотехнические методы защиты рассмотрены здесь.

Собрал А.Сорокин,
2013 г.