text: Основи на ESD: Какво е електростатичен разряд »Бележки по електроника - Разни - 2022
  Какво е електростатичен разряд: основи на ESD
  Електростатичното разреждане или ESD е факт от ежедневието и е от особено значение в електронната индустрия в наши дни.
  Преди години, когато се използваха термични клапани / вакуумни тръби, това не беше проблем и дори с въвеждането на транзистори малцина го смятаха за проблем. Въпреки това, когато бяха въведени MOSFET, степента им на отказ се повиши, проблемът беше разследван и беше установено, че натрупването на статика е достатъчно, за да доведе до отказ на оксидния слой в устройството.
  Оттогава информираността за ESD се е повишила значително, тъй като е доказано, че има ефект върху много устройства. Всъщност много производители днес смятат, че всички компоненти са статично чувствителни, а не само MOS устройства, които са най-податливи на повреди.
  В резултат на значението, придавано на ESD, производителите на електронно оборудване харчат много хиляди лири, за да гарантират, че работните им места са защитени срещу влиянието на статиката. Те гарантират, че продуктите, които произвеждат, нямат висока честота на откази по време на производствения тест и са в състояние да демонстрират висока надеждност за дълъг период от време.
  Какво е ESD?
  Статичното е просто натрупване на заряд между две повърхности. Възниква, когато повърхностите се трият заедно и това води до излишък на електрони на едната повърхност и дефицит на другата.
  Повърхностите, върху които се натрупва зарядът, могат да се считат за кондензатор. Зарядът ще остане на място, освен ако няма път, през който може да тече. Тъй като често няма реален път, през който зарядът може да тече, полученото напрежение може да остане на място известно време и това поражда термина "статично електричество".
  Въпреки това, когато съществува проводникова пътека, ще изтече ток и зарядът ще бъде намален. Съществува времева константа, свързана с изпускането. Високото съпротивление ще означава, че по-малък ток ще тече за по-дълго време. Ниското съпротивление ще доведе до много по-бързо разреждане.
  Очевидно нивата на напрежение и ток, които се произвеждат, зависят от голямо разнообразие от фактори. Размерът на човека, нивото на активност, обектът, срещу който се извършва изхвърлянето, и разбира се влажността на въздуха. Всички те имат подчертан ефект, така че е почти невъзможно да се предскаже точния размер на заустванията, които ще се появят.
  Въпреки това един от основните фактори, които влияят върху произвежданите напрежения, са видовете материали, които се трият заедно. Установено е, че различните материали дават различни напрежения. Произвежданото напрежение зависи от позицията на двата материала в серия, известна като трибо-електрическа серия.
  Трибо-електрическа серия
  Колкото по-отдалечени са в серията, толкова по-голямо е напрежението. Този, който е по-нагоре от серията, ще получи положителен заряд, а този, който е по-нисък, отрицателен заряд. Разглеждайки списъка с трибоелектрически серии по-долу, може да видите, че разресването на косата с пластмасов гребен ще доведе до положителен заряд върху косата и гребенът ще се зареди отрицателно.
  Трибо-електрическата серия
  Отрицателно зареждане
  Има много начини, по които могат да се натрупват такси. Дори ходенето по килим може да доведе до някои много големи напрежения. Обикновено това може да доведе до потенциали от 10 kV. В лоши случаи това може дори да доведе до потенциали от три пъти тази стойност. Дори актът на ходене през винилов под може да доведе до генериране на потенциали от около 5 kV. Всъщност всяка форма на движение, при която повърхностите се трият заедно, ще доведе до генериране на статично електричество. Някой, който работи на пейка, използвайки електронни компоненти, може лесно да генерира статични потенциали от 500 V или повече.
  Практически примери за ESD
  Един от най-често видимите примери за генериране на заряд е при ходене през стая. Дори това ежедневие може да генерира някои изненадващо високи напрежения. Действителните напрежения варират значително в зависимост от различни фактори, но могат да се дадат оценки, за да се илюстрира степента на проблема.
  За да се илюстрира степента на проблема, в таблицата по-долу са подробно описани различни случаи:
  Вероятно ESD напрежения, причинени от ежедневни действия
  Причина за генериране на заряд
  Вероятно генерирано напрежение (kV) *
  Разходка по килим 30
  Вдигане на полиетиленова торба 20
  Разходка по винилова плочка 15
  Работа на пейка 5
  * Това са приблизителни цифри и предполагат относителна влажност до 25%. С повишаването на влажността тези нива падат: при влажност от около 75% статичните нива могат да паднат с коефициент от много приблизително 25 или повече. Всички тези цифри са много приблизителни, тъй като са много зависими от конкретните условия, но те дават ориентир за порядъка на нивата на ESD, които се очакват.
  Въпреки че резултатите от ESD изглеждат много високи, те обикновено преминават незабелязано. Най-малкият електростатичен разряд, който може да се усети, е около 5kV и дори тогава този размер на разреждане може да се усети само от време на време. Причината е, че въпреки че получените пикови токове може да са много високи, те продължават само много кратко и тялото не ги открива, тъй като зарядът зад тях е относително малък. Напрежения с такава величина от електронно или електрическо оборудване, където по-големият ток може да бъде източник и за много по-дълго време, ще имат много по-голям ефект и могат да бъдат много опасни.
  Статичен трансфер
  Има няколко начина, по които статичните заряди могат да се прехвърлят към полупроводникови устройства, което води до повреда от ESD. Най-очевидно е, когато те са докоснати от елемент, който е зареден и проводим. Най-очевидният пример за това може да се случи, когато полупроводник е на работна маса и някой минава през пода, изграждайки заряд и след това го вдига.
  След това зареденият пръст придава статичния заряд много бързо на полупроводника с възможност за повреда. Инструментите могат да бъдат още по-вредни. Металните отвертки са още по-проводими и ще придават заряда още по-бързо и това води до по-високи нива на пиков ток.
  Не е необходимо обаче да докосвате компоненти, за да ги повредите. Предмети като пластмасови чаши носят много висок заряд и поставянето на един от тях в близост до интегрална схема може да "индуцира" противоположен заряд в интегралната схема. Това също може да повреди полупроводниковото устройство. Връзките, направени от изкуствени влакна, също представляват опасност от ESD, тъй като те могат да се зареждат и лесно да висят близо до чувствително електронно оборудване.
  Механизми за повреда на ESD
  Има редица начини, по които ESD може да повреди полупроводникови компоненти. Най-очевидните резултати са от много високото статично напрежение, което води до високи нива на пиков ток, който може да причини локално изгаряне. Въпреки че токът тече за много кратък период от време, размерите на минутите в интегралната схема означават, че щетите се причиняват много лесно. Взаимосвързващите проводни връзки или зони в самия чип могат да бъдат разтопени от високия пиков ток.
  Друг начин, по който може да възникне повреда в резултат на ESD, е когато високото ниво на напрежение причинява повреда в даден компонент в самото устройство. Това може да разгради оксиден слой в устройството, което прави устройството неработоспособно. Тъй като размерите на някои интегрални схеми са много по-малко от микрона, едва ли е изненадващо, че дори относително ниски напрежения могат да причинят повреда.
  Въпреки че повредата от ESD може незабавно да унищожи устройствата, също така е възможно те да създадат така наречените латентни повреди. Това се случва, тъй като ESD не унищожава напълно устройството, но причинената повреда само го отслабва, оставяйки го в риск от повреда по-късно в живота му. Тези скрити дефекти обикновено не могат да бъдат открити. Резултатът е, че общото ниво на надеждност е значително намалено, или (повече в случай на аналогови устройства) производителността може да бъде влошена. Латентните повреди, причинени от ESD, могат да струват много скъпо, тъй като ремонтът, докато даден елемент е в експлоатация, е много по-скъп от поправянето на елемент, който се е провалил фабрично. Причината за това е, че ремонтният техник обикновено се нуждае от ремонт на изделието на място или трябва да бъде изпратен в сервиз.
  Латентни повреди могат да бъдат причинени, когато междусистемната връзка е частично разтопена от ESD. Често част от проводника е разрушена от статичния разряд, което го прави уязвим по-късно. Друг начин, по който чиповете се повреждат, е когато материалът, причинен от повреда, се разстила по повърхността на полупроводника и това може да доведе до алтернативни пътища на проводимост.
  В резултат на факта, че компонентите могат лесно да бъдат повредени от ESD, повечето производители третират всички полупроводници като статично чувствителни устройства и заедно с това много от тях обработват всички устройства, включително пасивни компоненти като кондензатори и резистори, също като статично чувствителни. Когато се разглежда това, трябва да се помни, че повечето масово произвеждани части днес използват компоненти за повърхностно монтиране, където размерите са много по-малки от традиционните компоненти и това ги прави далеч по-податливи на повреди от ESD.