Diverse

Ce este descărcarea electrostatică: elementele de bază ESD

Ce este descărcarea electrostatică: elementele de bază ESD

Descărcarea electrostatică sau ESD este un fapt al vieții de zi cu zi și are o importanță deosebită în industria electronică în zilele noastre.

Cu ani în urmă, când s-au folosit supape termionice / tuburi de vid, nu era o problemă și chiar și cu introducerea tranzistoarelor puțini o considerau o problemă. Cu toate acestea, când au fost introduse MOSFET-urile, ratele lor de eșec au crescut, problema a fost investigată și s-a constatat că acumularea statică a fost suficientă pentru a provoca eșecul stratului de oxid din dispozitiv.

De atunci, conștientizarea ESD a crescut considerabil, deoarece s-a dovedit că are un efect asupra multor dispozitive. De fapt, mulți producători de astăzi consideră că toate componentele sunt sensibile la static, nu doar dispozitivele MOS care sunt cele mai predispuse la deteriorare.

Ca urmare a importanței acordate producătorilor de echipamente electronice ESD cheltuiesc multe mii de lire sterline pentru a se asigura că locurile lor de muncă sunt protejate împotriva efectelor statice. Se asigură că produsele pe care le fabrică nu au rate de eșec ridicate în timpul testului de fabricație și sunt capabili să demonstreze o fiabilitate ridicată pe o perioadă lungă de timp.

Ce este ESD?

Statica este pur și simplu acumularea de sarcină între două suprafețe. Apare atunci când suprafețele se freacă împreună și acest lucru are ca rezultat un exces de electroni pe o suprafață și o deficiență pe cealaltă.

Suprafețele pe care se acumulează sarcina pot fi considerate ca un condensator. Încărcarea va rămâne la locul său, cu excepția cazului în care are o cale prin care poate curge. Deoarece adesea nu există o cale reală prin care să curgă încărcătura, tensiunea rezultată poate rămâne în poziție pentru o perioadă de timp și acest lucru dă naștere termenului „electricitate statică”.

Cu toate acestea, atunci când există o cale de conducție, un curent va curge și sarcina va fi redusă. Există o constantă de timp asociată cu descărcarea. O rezistență ridicată va însemna că un curent mai mic va curge pentru o perioadă mai lungă de timp. O rezistență scăzută va da naștere unei descărcări mult mai rapide.

Evident, nivelurile de tensiune și curent care sunt produse depind de o mare varietate de factori. Mărimea persoanei, nivelul de activitate, obiectul împotriva căruia se face descărcarea și, bineînțeles, umiditatea aerului. Toate acestea au un efect pronunțat, astfel încât este aproape imposibil să se prevadă dimensiunea exactă a descărcărilor care vor avea loc.

Cu toate acestea, unul dintre factorii majori care afectează tensiunile produse sunt tipurile de material care sunt frecate împreună. Se constată că diferite materiale dau tensiuni diferite. Tensiunea produsă depinde de poziția celor două materiale dintr-o serie cunoscută sub numele de serie tribo-electrică.

Serie tribo-electrică

Cu cât sunt mai diferiți în serie, cu atât este mai mare tensiunea. Cel care este mai sus în serie va primi o încărcare pozitivă, iar cel mai jos o sarcină negativă. Privind lista seriilor tribo-electrice de mai jos, puteți vedea că pieptănarea părului cu un pieptene din plastic va da naștere unei încărcări pozitive pe păr, iar pieptenele vor deveni încărcate negativ.

Seria tribo-electrică

Sarcină pozitivă
Piele
Păr
Lână
Mătase
Hârtie
Bumbac
Lemn
Cauciuc
Rayon
Poliester
Polietilenă
Pvc
Teflon
Taxă negativă

Există mai multe moduri în care se pot acumula taxe. Chiar și mersul pe covor poate da naștere unor tensiuni foarte mari. De obicei, acest lucru poate da naștere la potențiale de 10 kV. În cazuri rele, ar putea duce chiar la potențiale de trei ori mai mari decât această valoare. Chiar și actul de a merge pe o podea de vinil poate duce la generarea de potențiale de aproximativ 5 kV. De fapt, orice formă de mișcare în care suprafețele se freacă împreună va duce la generarea de electricitate statică. Cineva care lucrează la o bancă folosind componente electronice ar putea genera cu ușurință potențiale statice de 500 V sau mai mult.


Exemple practice de ESD

Unul dintre exemplele cele mai frecvent vizibile de generare a încărcării este atunci când mergi printr-o cameră. Chiar și această apariție de zi cu zi poate genera niște tensiuni surprinzător de mari. Tensiunile reale variază considerabil în funcție de o varietate de factori, dar se pot da estimări pentru a ilustra măsura problemei.

Pentru a ilustra amploarea problemei, o varietate de cazuri sunt detaliate în tabelul de mai jos:


Tensiuni ESD probabile cauzate de acțiuni cotidiene
Cauza generării de încărcareTensiune probabilă generată (kV) *
Mergând pe un covor30
Ridicând o pungă din polietilenă20
Mergând pe o suprafață cu plăci de vinil15
Lucrul la o bancă5

* Acestea sunt cifre aproximative și presupun o umiditate relativă de până la 25%. Pe măsură ce umiditatea crește, astfel aceste niveluri scad: cu o umiditate de aproximativ 75%, nivelurile statice pot scădea cu un factor de foarte aproximativ 25 sau mai mult. Toate aceste cifre sunt foarte aproximative, deoarece sunt foarte dependente de condițiile particulare, dar oferă un ghid de ordine de mărime la nivelurile ESD de așteptat.

Deși rezultatele din ESD par foarte mari, ele trec de obicei neobservate. Cea mai mică descărcare electrostatică care poate fi resimțită este în jur de 5kV și chiar și atunci această magnitudine a descărcării poate fi resimțită doar ocazional. Motivul este că, deși curenții de vârf rezultați pot fi foarte mari, aceștia durează doar pentru un timp foarte scurt și corpul nu îi detectează, deoarece încărcătura din spatele lor este relativ mică. Tensiunile de această magnitudine de la echipamentele electronice sau electrice în care curentul mai mare poate fi sursă și pentru mult mai mult timp vor avea un efect mult mai mare și pot fi foarte periculoase.


Transfer static

Există mai multe moduri în care sarcinile statice pot fi transferate către dispozitivele semiconductoare, ceea ce duce la deteriorarea ESD. Cel mai evident este atunci când sunt atinse de un element încărcat și conductiv. Exemplul cel mai evident al acestui lucru apare posibil atunci când un semiconductor se află pe o bancă de lucru și cineva trece pe podea construind o sarcină și apoi o ridică.

Degetul încărcat conferă sarcina statică foarte repede semiconductorului cu posibilitatea deteriorării. Instrumentele pot fi chiar mai dăunătoare. Șurubelnițele metalice sunt și mai conductive și vor transmite încărcarea și mai rapid, ceea ce duce la niveluri mai ridicate de curent de vârf.

Cu toate acestea, nu este necesar să atingeți componentele pentru a le deteriora. Obiecte precum cupele de plastic au o încărcare foarte mare, iar plasarea uneia dintre acestea lângă un CI poate „induce” o încărcare opusă în CI. Și aceasta poate deteriora dispozitivul semiconductor. Cravatele din fibră artificială sunt, de asemenea, un pericol ESD, deoarece se pot încărca și atârna ușor lângă echipamente electronice sensibile.

Mecanisme de eșec ESD

Există o serie de moduri în care ESD poate deteriora componentele semiconductoare. Cele mai evidente rezultate din tensiunea statică foarte mare, dând naștere la niveluri ridicate de curent de vârf care pot provoca arsuri locale. Chiar dacă curentul curge pentru o perioadă foarte scurtă de timp, dimensiunile minime ale caracteristicilor din circuitul integrat înseamnă că daunele sunt cauzate foarte ușor. Legăturile de sârmă de interconectare sau zonele din cipul în sine pot fi fuzionate de curentul de vârf ridicat.

Un alt mod în care pot apărea daune ca urmare a ESD este atunci când nivelul ridicat de tensiune determină apariția unei defecțiuni într-o componentă a dispozitivului în sine. Poate defecta un strat de oxid din dispozitiv care îl face inoperant. Cu dimensiuni în unele IC-uri mult mai mici decât un micron, nu este deloc surprinzător faptul că chiar și tensiunile relativ scăzute pot provoca defecțiuni.

În timp ce daunele cauzate de ESD pot distruge instantaneu dispozitivele, este de asemenea posibil ca acestea să creeze ceea ce se numesc eșecuri latente. Acest lucru se întâmplă deoarece ESD nu distruge complet dispozitivul, dar daunele cauzate nu fac decât să-l slăbească, lăsându-l la riscul de a se defecta mai târziu în viața sa. Aceste defecte latente nu pot fi de obicei detectate. Rezultatul este că nivelul general de fiabilitate este considerabil redus sau (mai mult în cazul dispozitivelor analogice) performanța poate fi degradată. Eșecurile latente cauzate de ESD pot fi foarte costisitoare, deoarece repararea în timp ce un articol este în funcțiune este mult mai costisitoare decât remedierea unui articol care nu a reușit din fabrică. Motivul pentru aceasta este că, în mod normal, un tehnician de reparații trebuie să repare articolul la fața locului sau trebuie să fie expediat la o unitate de reparații.

Eșecurile latente pot fi cauzate atunci când o interconectare este parțial fuzionată de ESD. Adesea o parte a conductorului a fost distrusă de descărcarea statică, lăsându-l vulnerabil mai târziu. Un alt mod prin care cipurile sunt deteriorate este atunci când materialul rezultat din deteriorări este răspândit pe suprafața semiconductorului și acest lucru poate duce la căi alternative de conducere.

Ca urmare a faptului că componentele pot fi ușor deteriorate de ESD, majoritatea producătorilor tratează toți semiconductorii ca fiind dispozitive sensibile la static și, împreună cu acest lucru, mulți gestionează toate dispozitivele, inclusiv componentele pasive, cum ar fi condensatoarele și rezistențele, ca fiind și sensibile la static. Când ne uităm la acest lucru, trebuie să ne amintim că majoritatea echipamentelor produse în masă folosesc astăzi componente de montaj la suprafață, unde dimensiunile sunt mult mai mici decât componentele tradiționale și acest lucru le face mult mai susceptibile la deteriorarea ESD.


Priveste filmarea: Cum să începi cu electronica. BC547 ca dioda zener. Experimente practice pentru începători cu diode. (Octombrie 2021).