Антистатическая защита и статическое электричество (ESD)

Статическое электричество — опасный враг микросхем высокой степени интеграции. Если недооценить его влияние, то можно понести ощутимые убытки. Несмотря на то, что электростатический разряд является переносчиком небольшого количества энергии, большая разность потенциалов и высокая скорость их изменения приводят к образованию токов. Эти токи достаточны для мгновенного вывода из строя чувствительной электроники. Они также могут нанести микросхеме изначально незаметные, но критические повреждения. Обнаружить элемент с поврежденными параметрами крайне сложно, а впоследствии происходит постепенный его отказ. Оснащение производственных линий средствами антистатической защиты стало стандартом, игнорировать который компании, занимающиеся изготовлением электронных устройств, сегодня уже не могут себе позволить.

Когда и как образуется электростатический заряд?

Примеры:

• при влажности воздуха 65-90%, идущий по ковру человек, генерирует потенциал до 1000 В;
• сидящий на стуле с полиэтиленовым покрытием — 1500 В;
• поднимающий со стола портфель из синтетического материала — до 1200 В

При влажности 10–20% значения напряжений составляют соответственно 35000, 18000 и 20000 В, в то время как для некоторых изделий микроэлектроники потенциал в сотни вольт является фатальным.

Пути образования электростатического заряда

Трибоэлектрический. При разделении двух контактирующих поверхностей: одна заряжается положительно, другая — отрицательно. Примеры: перемещение объектов по поверхности стола, хождение по ковровой поверхности, операции с монтажным инструментом.

Индукционный. При перемещении заряженного объекта вблизи незаряженного, во втором образуется статический заряд с противоположным знаком. Пример: прикосновение к корпусу микросхемы статически заряженным пальцем руки. Обратите внимание: для повреждения кристалла индукционными токами не обязательно даже прикасаться рукой непосредственно к выводам корпуса микросхемы.

Емкостный. Q(заряд) = С(емкость) x U(напряжение), поэтому уменьшение C вызывает рост U. Пример: при поднятии сумки со стола может произойти воздействие статического напряжения на лежащую рядом микросхему. Одна из наиболее опасных для электронных компонентов ситуаций: разматывание рулона полиэтилена на упаковочном столе дистрибьютора электронных компонентов.

Теория антистатики

Используемые символы

В соответствии со стандартом IEC60417, черным треугольником с желтой перечеркнутой кистью руки обозначаются объекты, чувствительные к воздействию разряда статического электричества. Этот же символ используется в качестве предупреждающего знака на табличках и наклейках, имеющих желтое поле с черной линией по периметру и текстовую информацию.

Термины и сокращения

• ESD (electrostatic discharge) — разряд статического электричества;
• ЕРА (ESD protected area) — ESD-защищенная зона;
• electrostatic conductive — материал с поверхностным сопротивлением в диапазоне от 100 Ом до 10 кОм, понимаемый применительно к ESD как проводящий (электропроводный, токопроводящий);
• electrostatic dissipative — материал с поверхностным сопротивлением в диапазоне от 10 кОм до 100 ГОм, называемый по терминологии ESD рассеивающим;
• insulator — материал с поверхностным сопротивлением выше 100 ГОм, называемый изолятором или диэлектриком.

Средство защиты называется антистатическим (ESD-approved), если оно защищает:

• от неконтролируемого непосредственного разряда любого заряженного объекта через защищаемый объект;
• от неконтролируемого непосредственного заряда или разряда самого защищаемого объекта;
• от неконтролируемого трибоэлектрического или индукционного заряда защищаемого объекта.

Стандарты

Стандарты IEC (Международная электротехническая комиссия, International Electrotechnical Commission):

• IEC61340-5-1 Electrostatics, Part 5-1: Protection of electronic devices from electrostatic phenomena. General requirements (1998)
  
• IEC 61340-5-2 Electrostatics, Part 5-2: Protection of electronic devices from electrostatic phenomena. User guide (1999)
  
• IEC 61340-4-1 Electrostatics, Part 4-1: Standard test methods for specific applications. Electrostatic behavior of floor coverings and installed floors (1995)
  
• IEC 61340-4-3 Electrostatics, Part 4-3: Standard test methods for specific applications. Footwear (2001)
  
• IEC 61340-2-1 Electrostatics, Part 2-1: Measurement methods - ability of materials and products to dissipate static electric charge (2002)
  
• IEC 61340-2-3 Electrostatics, Part 2-3: Methods of test for determining resistance and resistivity of solid planar materials used to avoid electrostatic charge accumulation (2000)

Нормативы

Начальное представление о действующих международных нормативах в области антистатического оснащения можно получить из таблицы, которая частично извлечена из стандарта IEC61340-5-1. Для наиболее исчерпывающей и корректной трактовки приведенных в ней значений параметров необходимо учитывать условия тестирования, которым в стандарте посвящен целый раздел. С учетом коммерческого распространения стандарта, в рамках данной статьи мы не рассматриваем этот раздел.

Три правила антистатики

Человек является основным «генератором» статического заряда в рабочей зоне, поэтому индивидуальные средства ESD-защиты являются ключевым пунктом любой антистатической программы. Считается, что около 70% повреждений электронных компонентов статическим электричеством вызваны ненадежным заземлением персонала. Для обеспечения ESD-безопасности на рабочем месте и в производственных помещениях следует соблюдать три базовых правила:

1. Использовать только антистатические материалы и инструмент.
2. Обеспечить надежное заземление всех «заземляемых» объектов, с которых принципиально может стекать заряд через проводники.
3. Из рабочей зоны по возможности удалить диэлектрические материалы, имеющие поверхностное сопротивление более 100 ГОм. Заземление этих материалов с помощью проводников не приносит практических результатов. В тех случаях, когда не удается избежать их использования, применяется локальная ионизация воздуха.

Средства электростатической безопасности

Пристегиваться ремнем безопасности в автомобиле любят далеко не все, хотя мало кто отрицает его пользу в случае аварии. Схожая ситуация с антистатическим браслетом: без него работать намного комфортнее. И все же не стоит полагаться на «авось», антистатическая защита должна применяться на всех предприятиях, занимающихся производством и ремонтом современной электроники.

Индивидуальные антистатические средства

Чтобы снять статический заряд с тела человека используют антистатический браслет. Браслет объединяется с шиной заземления кабелем, содержащим резистор сопротивлением 1 МОм. Антистатический браслет является наиболее распространенным первичным способом стационарного заземления для сидящего работника.

Также очень полезными могут быть антистатические перчатки или носки. Они изготавливаются из смеси хлопка, акрила и нейлона с проводящими волокнами (никелированная нитка). В перчатках проводящие волокна сосредоточены возле пальцев, если это носки – возле пятки, что препятствует возникновению статического электричества.

На рабочем месте не менее нужным может оказаться антистатический коврик, изготовленный из нитрил-бутадиеновой резины. Основа – чёрная резина толщиной 1,5 мм, которая препятствует отражению флуоресцентного света. Зелёная резина толщиной 0,5 мм улучшает сцепление. Для повышения износостойкости при изготовлении используются материалы-усилители, благодаря чему покрытие выдерживает нагрузку стула или тележки. С помощью коннектора и кабеля коврик подключается к шине заземления.

Также широко используется антистатическая накидка для стула. Она универсальна и очень легко одевается и снимается. Накидка состоит из тех же материалов, что перчатки и носки, также прекрасно вентилируется. Сопротивление наружного слоя накидки от 10^-2 до 10⁶ Ω/м². В комплекте идёт кабель с сопротивлением 1 МОм и длиной 1,8 м для соединения с шиной заземления.

Все текстильные средства антистатической защиты можно стирать.

Команда Masteram