Многие люди сталкивались со статическим электричеством и «шоком» или электростатическим разрядом (ЭСР) при прикосновении к металлической дверной ручке после ходьбы по покрытому ковром полу или после скольжения по автомобильному сиденью. Однако статическое электричество и электростатический разряд на протяжении веков создавали серьезные промышленные проблемы. Еще в 1400-х годах военные форты Европы и Карибского бассейна использовали процедуры статического контроля и устройства заземления, пытаясь предотвратить непреднамеренное воспламенение пороховых складов от электростатического разряда. К 1860-м годам бумажные фабрики на всей территории

США использовали базовое заземление, методы пламенной ионизации и паровые барабаны для рассеивания статического электричества с бумажного полотна во время его прохождения в процессе сушки. В каждом мыслимом бизнесе и производственном процессе рано или поздно возникают проблемы с электростатическим зарядом и разрядом. Боеприпасы и взрывчатые вещества, нефтехимия, фармацевтика, сельское хозяйство, полиграфия и полиграфия, текстиль, покраска и производство пластмасс — вот лишь некоторые из отраслей, 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 быстрее, а схемы становятся меньше, чувствительность к электростатическим разрядам в целом возрастает. Эта тенденция может ускоряться. Дорожная карта технологии электростатического разряда (ESD) Ассоциации EOS / ESD, Inc. пересматривается каждые несколько лет и гласит: «Поскольку устройства становятся все более чувствительными, крайне важно, чтобы компании начали тщательно изучать возможности ESD в своих процессах обработки». Сегодня электростатический разряд влияет на производительность и надежность продукции практически во всех аспектах глобальной электронной среды.

Несмотря на огромные усилия, предпринятые в последние десятилетия, электростатический разряд по-прежнему влияет на выход продукции, стоимость производства, качество продукции, ее надежность и прибыльность. Стоимость поврежденных устройств колеблется от нескольких центов за простой диод до тысяч долларов за сложные интегральные схемы. Когда включены сопутствующие расходы на ремонт и доработку, доставку, рабочую силу и накладные расходы, существуют возможности для значительных улучшений.

Стандарты). Маловероятно, что какая-либо компания, которая игнорирует статический контроль, сможет успешно производить и поставлять неповрежденные электронные компоненты.

Определения терминологии ESD можно найти в ESD ADV1.0 – Glossary, который можно бесплатно загрузить по адресу w ww.esda.org . Электростатический заряд определяется как «электрический заряд в состоянии покоя». Статическое электричество — это дисбаланс электрических зарядов внутри или на поверхности материала. Этот дисбаланс электронов создает электрическое поле, которое можно измерить и которое может влиять на другие объекты.

Электростатический разряд может изменить электрические характеристики полупроводникового устройства, ухудшив или разрушив его. Электростатический разряд может также нарушить нормальную работу электронной системы, что приведет к неправильной работе или отказу оборудования. Заряженные поверхности могут притягивать и удерживать загрязняющие вещества, что затрудняет удаление частиц. Притягиваясь к поверхности кремниевой пластины или электрической схеме устройства, взвешенные в воздухе частицы могут вызывать случайные дефекты пластины и снижать выход продукта.

Управление электростатическим разрядом начинается с понимания того, как возникает электростатический заряд . Электростатический заряд чаще всего возникает при контакте и разделении двух материалов. Материалы могут быть похожими или разными, хотя разные материалы имеют тенденцию высвобождать более высокие уровни статического заряда. Например, человек, идущий по полу, генерирует статическое электричество, поскольку подошвы обуви соприкасаются, а затем отделяются от поверхности пола. Электронное устройство, выскальзывающее из сумки, магазина или трубки или вынимающееся из него, создает электростатический заряд, поскольку корпус устройства и металлические выводы многократно контактируют и отделяются от поверхности контейнера. Хотя величина электростатического заряда в этих примерах может быть разной, статическое электричество действительно образуется в каждом случае.

Создание электростатического заряда при контакте и разделении материалов называется трибоэлектрическим зарядом. Это связано с переносом электронов между материалами. Атомы материала без статического заряда имеют равное количество положительных (+) протонов в ядре и отрицательных (-) электронов, вращающихся вокруг ядра. На рисунке 1 материал «А» состоит из атомов с равным количеством протонов и электронов. Материал B также состоит из атомов с одинаковым (хотя, возможно, и разным) числом протонов и электронов. Оба материала электрически нейтральны.

Когда два материала соприкасаются, а затем разделяются, отрицательно заряженные электроны переносятся с поверхности одного материала на поверхность другого материала. Какой материал теряет электроны, а какой приобретает электроны, будет зависеть от природы двух материалов. Материал, который теряет электроны, становится положительно заряженным, а материал, который приобретает электроны, заряжен отрицательно. (Показано на рис. 2.)

омбы Заряд ( q ) на объекте определяется произведением емкости объекта (С) на потенциал напряжения на объекте ( В ):

Однако обычно говорят об электростатическом потенциале на объекте. объект, который выражается в виде напряжения.

Процесс контакта материала, переноса электрона и разделения представляет собой гораздо более сложный механизм, чем описанный здесь. На величину 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 материале или объекте). Этот заряд может передаваться от материала, создавая электростатический разряд или электростатический разряд. Дополнительные факторы, такие как сопротивление фактической разрядной цепи и контактное сопротивление на границе раздела между контактирующими поверхностями, также влияют на фактическое высвобождение заряда. Типичные сценарии образования заряда и результирующие уровни напряжения показаны в таблице 1. Также показан вклад влажности в уменьшение накопления заряда. Однако следует отметить, что образование статического заряда все же происходит даже при высокой относительной влажности.

Электростатический заряд может также создаваться на материале другими способами, такими как индукция, ионная бомбардировка или контакт с другим заряженным объектом. Однако наиболее распространена трибоэлектрическая зарядка.

Трибоэлектрическая серия

Когда два материала соприкасаются и разделяются, полярность и величина заряда определяются положением материалов в трибоэлектрической серии . Таблицы трибоэлектрических серий показывают, как генерируются заряды на различных материалах. Когда два материала соприкасаются и разделяются, тот, что находится ближе к вершине ряда, приобретает положительный заряд, а другой — отрицательный. Материалы, расположенные дальше друг от друга на столе, обычно генерируют более высокий заряд, чем материалы, расположенные ближе друг к другу. Эти таблицы, однако, следует использовать только в качестве общего руководства, поскольку в них задействовано много переменных, которые нельзя контролировать достаточно хорошо, чтобы обеспечить повторяемость. Типичный трибоэлектрический ряд показан в таблице 2.

Практически все материалы, включая воду и частицы грязи в воздухе, могут быть трибоэлектрически заряжены. Сколько заряда генерируется, куда он уходит и как быстро зависит от физических, химических и электрических характеристик материала.

Материал, который предотвращает или ограничивает поток электронов через свою поверхность или через свой объем из-за чрезвычайно высокого электрического сопротивления, называется изоляционным материалом. ESD ADV1.0 определяет изоляционных материалов, определяют как « материалов с поверхностным сопротивлением или объемным сопротивлением, равным или превышающим 1,0 × 1011 Ом». На поверхности изолятора может генерироваться значительное количество заряда. Поскольку изоляционный материал не пропускает электронов, положительные и отрицательные заряды могут находиться на изолирующей поверхности одновременно, хотя и в разных местах. Избыток электронов в отрицательно заряженном пятне может быть достаточным для

удовлетворяют отсутствию электронов в положительно заряженном пятне. Однако электроны не могут легко течь по поверхности изоляционного материала, и оба заряда могут оставаться на месте в течение очень долгого времени.

Материал, который позволяет 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 1,0 × 104 Ом или объемным сопротивлением менее 1,0 × 104 Ом». Когда проводящий материал становится заряженным, заряд (недостаток или избыток электронов) будет равномерно распределен по поверхности материала. Если заряженный проводящий материал входит в контакт с другим проводящим материалом, электроны довольно легко распределяются между материалами. Если второй проводник подключен к заземлению оборудования переменного тока или любой другой точке заземления, электроны будут течь на землю, и избыточный заряд на проводнике будет нейтрализован.

Электростатический заряд может создаваться трибоэлектрически на проводниках так же, как он создается на изоляторах. Пока проводник изолирован от других проводников 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.

Рассеивающие материалы имеют электрическое сопротивление между изоляционными и проводящими материалами. ESD ADV1.0 определяет диссипативные материалы как «материал, поверхностное сопротивление которого больше или равно 1,0 × 104 Ом, но меньше 1,0 × 1011 Ом, или объемное сопротивление больше или равно 1,0 × 104 Ом, но меньше 1,0 × 1011 Ом. Электронный поток может проходить через или через диссипативный материал, но он контролируется поверхностным сопротивлением или объемным сопротивлением материала.

Как и в случае с двумя другими типами материалов, заряд может генерироваться трибоэлектрически на материале, рассеивающем статическое электричество. Однако, как и проводящий материал, материал, рассеивающий статическое электричество, позволяет передавать заряд земле или другим токопроводящим объектам. Перенос заряда от материала, рассеивающего статическое электричество, обычно занимает больше времени, чем от проводящего материала эквивалентного размера. Перенос заряда от материалов, рассеивающих статическое электричество, происходит значительно быстрее, чем от изоляторов, и медленнее, чем от проводящих материалов.

35

Заряженные материалы также имеют электростатическое поле и связанные с ними силовые линии. Проводящие объекты, находящиеся вблизи этого электрического поля, будут поляризоваться процессом, известным как индукция . (см. рис. 4). Отрицательное электрическое поле будет отталкивать электроны на поверхности проводящего предмета, на который воздействует поле. Положительное электрическое поле будет притягивать электроны вблизи поверхности, оставляя другие области положительно заряженными. Никакого изменения фактического заряда предмета при поляризации не произойдет. Однако, если элемент является проводящим или рассеивающим и подключен к земле в поляризованном состоянии, заряд будет течь от земли или к земле из-за дисбаланса заряда. Если заземляющий контакт разъединить, а затем снять электростатическое поле, заряд на предмете останется. Если непроводящий объект помещается в электрическое поле, электрические диполи будут стремиться выровняться с полем, создавая кажущиеся поверхностные заряды. Непроводник (изоляционный материал) не может заряжаться индукцией.