Основи статичної електрики

Майже кожна людина стикався з результатами статичної електрики. Ось деякі приклади: розчісування волосся пластикової гребінцем призводить до того, що волосся стає «дибки»; зняття вовняного одягу або ходіння по килиму, а потім дотик дверної ручки призводить до появи іскри і короткочасного «уколу»; сушка синтетичного одягу часто призводить до її злипання. Всі ці випадки з повсякденного життя звичні, і людина часто не усвідомлює, що вони можуть призводити до пошкодження електронних компонентів.

Статика і його компаньйон електростатичний розряд (ESD = електростатичний розряд), ушкоджують електронні компоненти кожен день. У той час як ІС (інтегральна схема) може коштувати відносно недорого, ремонт електронного пристрою, що використовує дану ІС, може бути досить дорогим.

Наприклад, при виході електронного пристрою з ладу необхідно доставити його в сервісний центр, провести діагностику, встановити причину відмови і зробити ремонт для усунення неполадки. Все це вимагає як людських, так і значних фінансових витрат.

Історична довідка

Феномен статичної електрики і його ефекти були відомі людству вже дуже давно. Ще в 1400-х роках при будівництві багатьох Європейських та Карибських фортифікаційних споруд розробляли і використовували пристосування для запобігання статичного розряду, що призводять до займання чорного пороху. Однак явищ статичної електрики не приділяли серйозної уваги аж до XVII-XVIII століть. Саме в цей час багато вчених експериментували з накопиченням зарядів, їх збереженням і займанням різних речовин за допомогою іскрового розряду. Але тільки за часів промислової революції (поява парових машин) статичну електрику було описано, протестовано і виміряно. Роботи в цій галузі проводили Отто фон Геріке, Шарль Франсуа Дюфе, Олександро Вольт і інші вчені. Здавалося б, подальший інтерес до вивчення статичної електрики пропав після винаходу батареї постійного струму. Статика, в основному, розглядалася як незначне явище. Однак, з механізацією виробничих процесів з'явилося безліч машин, що працюють на великих швидкостях і використовують ремінні передачі, що генерують велику кількість статичної електрики. Статичні розряди ставали винуватцями пожеж на паперових та текстильних фабриках, борошномельних виробництвах і на заводах, що випускають боєприпаси. Статика вражала працівників, що призводило до травм на виробництвах. Забезпечення безпеки як виробництв, так і працюючого персоналу вимагало більш детального вивчення цього питання.

Пізніше статичний заряд став використовуватися в різних областях: копіюванні документів, фарбувальних виробництвах, технологіях очищення, харчової промисловості (хлібопекарське і ковбасне виробництво).

У 50-х роках минулого століття почалося виробництво і використання пластиків. Виявилося, що більшість пластиків можуть накопичувати статичні заряди і, внаслідок цього, притягувати до себе різні забруднення, які ставали причиною різних виробничих проблем.

Винахід транзисторів в 1947 році призвело до нової епохи в електронній техніці. Їх широке поширення і використання зажадало обліку наслідків дії статичної електрики. У той час, як ранні пристрої, розраховані на побутове застосування, були відносно великими і стійкими до зовнішніх впливів, мініатюризація у військовій і космічній промисловостях вимагала створення все більш чутливих пристроїв. Якраз в цей час військові фахівці розробили вимоги для роботи і упаковки статично чутливих пристроїв пізніше увійшли до переліку стандартів MIL, IPC.

У 1958 році була винайдена перша інтегральна схема, яка містила на одному кристалі з напівпровідникового матеріалу транзистори, резистори, конденсатори та інші елементи, а вже через два десятка років інтегральні схеми налічували сотні або тисячі транзисторів на одному кристалі. Оскільки розмір пристрою було значно скорочено, то чутливість таких компонентів до впливу статичної електрики значно зросла. У 1979 році була заснована EOS / ESD асоціація для дослідження проблем статики і проведення навчання персоналу.

У 80-х роках були представлені ще менші пристрої і нові технології для їх отримання. Тисячі затворів польових транзисторів були поміщені на одному чіпі. ІС отримували все більше поширення через побутову техніку та промислову електроніку. Комп'ютери стали невід'ємною частиною бізнесу і домашнього вжитку.

Сучасні інтегральні схеми можуть включати в себе мільярди елементів на одному кристалі (МІС -до 100, СІС - до 1000, БІС - до 10000, НВІС - до 1 мільйона, УБИС до 1 мільярда, ГВІС більше 1 мільярда), проте в даний час ГВІС практично не використовуються. Так, наприклад, останні версії процесорів Intel Pentium 4 містять всього кілька сотень мільйонів транзисторів на одному чіпі. Мініатюризація виробів є результатом того, що чіпи працюють швидше, витрачають менше енергії дешевше коштують (рис. 1).

Мал. 1. Закон Мура

Так як відстань між компонентами зменшується, то електростатичного розряду стає простіше пробити тоншу ізоляцію, і, таким чином, запустити ланцюжок подій, що ведуть до пошкодження або навіть руйнування пристрою. Іншими словами, чим менше елементи електронних компонентів, тим більше ризик пошкодження його електростатичним розрядом. У таблиці 1 наведена залежність максимально допустимого напруги від довжини затвора польового транзистора в різні роки.

Таблиця 1. Залежність максимально допустимого напруги від довжини затвора польового транзистора в різні роки

В майбутньому будуть створені схеми, що містять більшу кількість елементів, які будуть мати ще більшу чутливість до статики і електростатичного заряду. Відповідно до закону Мура (один із засновників компанії Intel), виведеного в 1965 р на підставі емпіричних спостережень, число транзисторів на кристалі подвоюється кожні 18-24 місяці. Ця тенденція спостерігається вже понад півстоліття, і немає жодних підстав стверджувати, що вона зупиниться в найближчому майбутньому.

Експерти оцінюють середні втрати через статичної електрики в діапазоні 8-33% (таблиця 2). Щорічний сумарний збиток світової галузі оцінюється в мільярди доларів США. Ціна самого пошкодженого елемента може коливатися від декількох центів, як, наприклад, для простого діода, до декількох сотень доларів для складних гібридних інтегральних мікросхем. Проте, якщо порахувати і додати до цього вартість діагностики, ремонту, транспортних витрат, накладних витрат, то остаточна сума збитку зростає багаторазово. Тому важливо знати, як виникає статичну електрику і електростатичний заряд, а найголовніше, вміти боротися з даними явищами.

Таблиця 2. Статистика втрат від статичної електрики

Фізичні основи виникнення статичної електрики

Статичну електрику - це сукупність явищ, пов'язаних з виникненням, збереженням і релаксацією вільного електричного заряду на поверхні або в об'ємі діелектриків, або на ізольованих провідниках. Можна сказати, що електричний струм - це статичний заряд, переміщуваний по провіднику від батареї постійного струму. Ми можемо порівняти статичний або непереміщуваний заряд з динамічним або переміщуються зарядом з постійною напругою в проводах йдуть від батареї.

Атом складається з протонів, електронів і нейтронів. Протони мають позитивний заряд, електрони негативний, а нейтрони - це частинки, що не володіють зарядом. Коли атом має одне і те ж число електронів і протонів, то позитивні і негативні заряди врівноважують один одного. У цьому випадку атом буде нейтральним. Якщо атом отримує електрон, він ставати негативно зарядженим, якщо атом втрачає електрон, він відповідно стає позитивно зарядженим.

У підсумку ми можемо сказати, що позитивні чи негативні заряди мають місце, якщо є недолік або надлишок електронів, що обертаються на орбіті атома.

Мал. 2. Типи атомів

Візуально електростатичне поле можна представити як групу силових ліній, що починаються на позитивних зарядах і закінчуються на негативних. Всі ми пам'ятаємо зі шкільного курсу фізики, що однойменні заряди відштовхуються один від одного, а різнойменні притягуються. Це результат дії електричного поля. Все заряджені об'єкти мають поле навколо себе (рис.3).

Мал. 3. Дія електричного поля

Приклад: розчісування волосся з пластмасовою гребінцем. Волосся і гребінець стають зарядженими, тому волосся притягуються до гребінця або до гребінця може прилипнути шматочок паперу.

СПОСОБИ ЗАРЯДКИ ОБ'ЄКТІВ

Трібоелектрізація

Більшість статичної електрики генерується трібоелектрізаціей.

Трібоелектрічество (від грец. Tribos - тертя) - явище виникнення електричних зарядів при терті. Спостерігається при взаємному терті двох діелектриків, напівпровідників або металів різного хімічного складу або однакового складу, але різної щільності, при терті металів про діелектрики, при терті двох однакових діелектриків, при терті рідких діелектриків один об одного або об поверхню твердих тіл і ін. При цьому електризуються обидва тіла. Їх заряди стають однаковими за величиною і протилежними за знаком.

Трибоелектричних заряд з'являється тоді, коли два матеріали контактують між собою, а потім відокремлюються одна від одної. При цьому матеріали можуть бути твердими, рідкими або газоподібними. Заряди (електрони) перерозподіляються між матеріалами, залишаючи один матеріал з позитивним зарядом, а інший з негативним (рис.4). Так як кожен об'єкт має мільярди електронів, то величина заряду на об'єктах може досягати значних значень. Трибоелектричних заряд є найбільш поширеним при утворенні і накопиченні статичного заряду (рис.5).

Мал. 4. трибоелектричних заряд (передача електрона)

Мал. 5. Освіта трибоелектричного заряду

Прикладами можуть послужити найелементарніші речі: ходьба є одним з найбільших джерел трибоелектричного заряду. При ходьбі відбувається контакт підошви взуття з покриттям підлоги, а потім їх подальше розділення (рис.6). При цьому дана дія відбувається багаторазово. Людське тіло є хорошим провідником, що дозволяє йому проводити і накопичувати заряди, які утворюються в ході поділу двох матеріалів. Ще одним прикладом можуть служити конвеєрні стрічки, приводні ремені та інші рухомі частини механізмів і машин, які стають джерелом трибоелектричного заряду.

Мал. 6. Освіта електростатичного заряду трибоелектричних способом

Рівні утворився потенціалу при виконанні людиною звичайних дій представлені в таблиці 3.

Таблиця 3. Приклади освіти електростатичного заряду і рівень утворився потенціалу при виконанні людиною звичайних дій

Рівень відносної вологості

Кількість згенерованого заряду залежить від типу матеріалів, навколишнього середовища і швидкості поділу матеріалів (рис. 8). Такі матеріали, як пластики, генерують статичну електрику в багато разів інтенсивніше, ніж провідні матеріали. Хорошим прикладом є такий ізоляційний матеріал як скотч-стрічка, виготовлена ​​з пластику. Зверніть увагу, що бруд прагне до пластикової стрічці, всякий раз, коли відбувається її відділення від рулону (рис.7). Це викликано тим, що на стрічці генерується статичний заряд під час поділу матеріалів. За допомогою зарядженої стрічки може бути піднятий шматочок паперу.

Мал. 7. Освіта електростатичного заряду

Мал. 8. трибоелектричних ряд матеріалів

поляризація

Поляризація - зміщення позитивних і негативних електричних зарядів в протилежні сторони. Поляризація відбувається під дією електричного поля або деяких інших зовнішніх факторів, наприклад, механічної напруги.

В цьому випадку всі позитивні заряди перетікають в одну область, а всі негативні заряди - в іншу. При цьому матеріал повинен мати властивість електропровідності.

Приклад: розглянемо процес поляризації в кілька етапів. Спочатку незаземлений проводить матеріал, наприклад, інтегральна мікросхема, поміщена в поле зарядженого об'єкта, наприклад, пластиковий стакан (рис. 9). Електростатичне поле склянки викликає поляризацію на інтегральній схемі, що призводить до перерозподілу зарядів на її корпусі. Якщо мікросхема, перебуваючи в електростатичному полі, торкнеться землі (наприклад, руки оператора з заземлюючим браслетом) або іншого зарядженого об'єкта з іншим потенціалом, то поляризаційний заряд піде в землю. При цьому відбудеться порушення рівноваги раніше нейтрального об'єкта і він стане зарядженим.

Мал. 9. Поляризація

Індукція - процес, при якому електромагнітне поле наводить заряд на близько розташований проводить об'єкт без безпосереднього контакту з ним. Коли частина провідника знаходиться перпендикулярно полю, то в провіднику генерується електричний ток.Індукція, як генератор, перетворює механічне рух в електрику (рис.10).

Мал. 10. Індукція

провідність

Провідність - здатність тіла пропускати електричний струм під впливом електричного поля, а також фізична величина, що кількісно характеризує цю здатність.