Smíšený

Co je to elektrostatický výboj: základy ESD

Co je to elektrostatický výboj: základy ESD

Elektrostatický výboj neboli ESD je každodenní realitou a v dnešní době má v elektronickém průmyslu zvláštní význam.

Před lety, kdy byly použity termionické ventily / vakuové trubice, to nebyl problém a dokonce i se zavedením tranzistorů to málokdo považoval za problém. Když však byly zavedeny MOSFETy, jejich poruchovost vzrostla, problém byl zkoumán a bylo zjištěno, že statické nahromadění bylo dostatečné k tomu, aby způsobilo selhání oxidové vrstvy v zařízení.

Od té doby se povědomí o ESD značně zvýšilo, protože se ukázalo, že má vliv na mnoho zařízení. Ve skutečnosti dnes mnoho výrobců považuje všechny komponenty za staticky citlivé, nejen za zařízení MOS, která jsou nejvíce náchylná k poškození.

V důsledku důležitosti, kterou přikládají ESD, utrácejí výrobci elektronického vybavení mnoho tisíc liber, aby zajistili ochranu svých pracovišť před účinky statické elektřiny. Zajišťují, že produkty, které vyrábějí, nemají vysokou poruchovost během výrobního testu, a jsou schopni prokázat vysokou spolehlivost po dlouhou dobu.

Co je ESD?

Statické je jednoduše nahromadění náboje mezi dvěma povrchy. Vzniká, když se povrchy třou o sebe, což má za následek přebytek elektronů na jednom povrchu a nedostatek na druhém.

Povrchy, na kterých se náboj hromadí, lze považovat za kondenzátor. Náboj zůstane na místě, pokud nemá cestu, kterou může protékat. Protože často neexistuje žádná skutečná cesta, kterou může náboj protékat, výsledné napětí může po určitou dobu zůstat na svém místě, což vede ke vzniku výrazu „statická elektřina“.

Pokud však vodivá cesta existuje, protéká proud a náboj se sníží. S výbojem je spojena časová konstanta. Vysoký odpor bude znamenat, že menší proud bude protékat po delší dobu. Nízký odpor způsobí mnohem rychlejší vybití.

Je zřejmé, že produkované úrovně napětí a proudu závisí na mnoha různých faktorech. Velikost osoby, úroveň aktivity, předmět, proti kterému je vypouštění prováděno, a samozřejmě vlhkost vzduchu. To vše má výrazný účinek, takže je téměř nemožné předpovědět přesnou velikost výbojů, ke kterým dojde.

Jedním z hlavních faktorů, které ovlivňují vytvářená napětí, jsou typy materiálů, které se třou o sebe. Bylo zjištěno, že různé materiály dávají různá napětí. Vyrobené napětí je závislé na poloze dvou materiálů v sérii známé jako triboelektrická řada.

Triboelektrická řada

Čím dále od sebe jsou v sérii, tím větší je napětí. Ten, který je výše v sérii, dostane kladný náboj a ten nižší v záporném náboji. Při pohledu na níže uvedený seznam triboelektrických sérií je vidět, že česání vlasů plastovým hřebenem povede k pozitivnímu nabití vlasů a hřeben bude záporně nabitý.

Triboelektrická řada

Kladný náboj
Kůže
Vlasy
Vlna
Hedvábí
Papír
Bavlna
Dřevo
Pryž
Rayon
Polyester
Polyetylén
Pvc
Teflon
Záporný náboj

Existuje mnoho způsobů, jak lze vybudovat poplatky. I procházka po koberci může vést k velmi velkému napětí. Typicky by to mohlo vést k potenciálu 10 kV. Ve špatných případech by to mohlo vést k potenciálu trojnásobku této hodnoty. Dokonce i chůze po vinylové podlaze může vést k generování potenciálů kolem 5 kV. Ve skutečnosti jakákoli forma pohybu, při níž se povrchy třou o sebe, povede ke vzniku statické elektřiny. Někdo, kdo pracuje na lavičce a používá elektronické součástky, může snadno generovat statické potenciály 500 V nebo více.


Praktické příklady ESD

Jedním z nejčastěji viditelných příkladů generování náboje je chůze po místnosti. I tento každodenní výskyt může generovat překvapivě vysoká napětí. Skutečné napětí se značně liší v závislosti na různých faktorech, lze však uvést odhady, které ilustrují rozsah problému.

Pro ilustraci rozsahu problému jsou v následující tabulce podrobně uvedeny různé instance:


Pravděpodobné napětí ESD způsobené každodenními činy
Příčina generování nábojePravděpodobné generované napětí (kV) *
Chůze po koberci30
Sbíráme polyetylénový sáček20
Chůze po vinylové dlažbě15
Práce na lavičce5

* Jedná se o přibližné údaje a předpokládají relativní vlhkost až 25%. Se stoupající vlhkostí tyto úrovně klesají: při vlhkosti kolem 75% mohou statické úrovně klesnout faktorem velmi zhruba 25 nebo více. Všechny tyto údaje jsou velmi přibližné, protože jsou velmi závislé na konkrétních podmínkách, ale dávají řádově vodítko k očekávaným úrovním ESD.

Přestože se výsledky ESD zdají velmi vysoké, obvykle projdou bez povšimnutí. Nejmenší elektrostatický výboj, který lze pociťovat, je kolem 5 kV a i tak lze tuto velikost výboje pociťovat pouze příležitostně. Důvodem je, že i když výsledné špičkové proudy mohou být velmi vysoké, trvají jen velmi krátkou dobu a tělo je nezjistí, protože náboj za nimi je relativně malý. Napětí této velikosti z elektronických nebo elektrických zařízení, kde může být zdrojem více proudu a mnohem déle, bude mít mnohem větší účinek a může být velmi nebezpečný.


Statický přenos

Existuje několik způsobů, jak lze statické náboje přenést na polovodičová zařízení, což vede k poškození ESD. Nejviditelnější je, když se jich dotkne předmět, který je nabitý a vodivý. Nejviditelnější příklad toho může nastat, když je polovodič na pracovní lavici a někdo prochází po podlaze a vytváří náboj a poté jej zvedne.

Nabitý prst poté velmi rychle propůjčí statický náboj polovodiči s možností poškození. Nástroje mohou být možná ještě škodlivější. Kovové šroubováky jsou ještě vodivější a dodávají náboji ještě rychleji, což má za následek vyšší úrovně špičkového proudu.

Není však nutné se dotýkat součástí, aby nedošlo k jejich poškození. Položky, jako jsou plastové kelímky, nesou velmi vysoký náboj a jejich umístění v blízkosti IC může „vyvolat“ opačný náboj do IC. I to může poškodit polovodičové zařízení. Kravaty z umělých vláken jsou také nebezpečím ESD, protože se mohou nabíjet a snadno viset v blízkosti citlivých elektronických zařízení.

Mechanismy selhání ESD

Existuje několik způsobů, jak může ESD poškodit polovodičové součásti. Nejviditelnější výsledky jsou z velmi vysokého statického napětí, které vede k vysokým úrovním špičkového proudu, které mohou způsobit místní vyhoření. I když proud teče velmi krátkou dobu, velikost miniaturních funkcí v integrovaném obvodu znamená, že poškození je způsobeno velmi snadno. Propojovací drátové spoje nebo oblasti v samotném čipu mohou být fúzovány vysokým špičkovým proudem.

Dalším způsobem, jak může dojít k poškození v důsledku ESD, je situace, kdy vysoká úroveň napětí způsobí poruchu součásti v samotném zařízení. Mohlo by to poškodit vrstvu oxidu v zařízení, což by zařízení znefunkčnilo. S rozměry v některých integrovaných obvodech, které jsou mnohem menší než mikron, není divu, že i relativně nízké napětí může způsobit poruchu.

Zatímco poškození způsobené ESD může zařízení okamžitě zničit, je také možné, aby vytvořili takzvané latentní poruchy. K tomu dochází, protože ESD zařízení úplně nezničí, ale způsobené poškození jej pouze oslabí a ponechá riziko pozdějšího selhání. Tyto skryté vady obvykle nelze detekovat. Výsledkem je, že celková úroveň spolehlivosti je podstatně snížena, nebo (více v případě analogových zařízení) může dojít ke snížení výkonu. Latentní poruchy způsobené ESD mohou být velmi nákladné, protože oprava, když je položka v provozu, je mnohem nákladnější než oprava položky, která v továrně selhala. Důvodem je to, že technik opravy obvykle potřebuje předmět opravit na místě, nebo je třeba jej odeslat do opravny.

Latentní poruchy mohou být způsobeny, když je propojení částečně kondenzováno ESD. Část vodiče byla často zničena statickým výbojem, který ji později zranil. Jiným způsobem poškození čipů je, když se materiál vzniklý v důsledku poškození rozšíří po povrchu polovodiče, což může vést k alternativním vodivým cestám.

V důsledku skutečnosti, že součásti mohou být snadno poškozeny pomocí ESD, většina výrobců zachází se všemi polovodiči jako se staticky citlivými zařízeními a spolu s tímto zachází se všemi zařízeními včetně pasivních součástí, jako jsou kondenzátory a rezistory, také jako s citlivými na statickou elektřinu. Při pohledu na to je třeba si uvědomit, že většina sériově vyráběných kusů zařízení dnes používá součásti pro povrchovou montáž, kde jsou rozměry mnohem menší než u tradičních součástí, což je činí mnohem náchylnějšími na poškození způsobené ESD.


Podívejte se na video: NEBEZPEČNÉ PRODLUŽKY 1 (Prosinec 2021).