Mitmesugust

Mis on elektrostaatiline heide: ESD põhitõed

Mis on elektrostaatiline heide: ESD põhitõed

Elektrostaatiline tühjendus ehk ESD on igapäevane fakt ja see on tänapäeval elektroonikatööstuses eriti oluline.

Aastaid tagasi, kui kasutati termioonilisi ventiile / vaakumtorusid, ei olnud see probleem ja isegi transistoride kasutuselevõtuga pidasid vähesed seda probleemiks. Kuid kui MOSFET-id kasutusele võeti, tõusid nende tõrkemäärad, probleemi uuriti ja leiti, et seadme oksiidikihi ebaõnnestumiseks on staatiline kogunemine piisav.

Sellest ajast alates on ESD teadlikkus märkimisväärselt tõusnud, kuna on näidatud, et see mõjutab paljusid seadmeid. Tegelikult peavad paljud tootjad tänapäeval kõiki komponente staatiliselt tundlikeks, mitte ainult MOS-seadmeid, mis on kõige sagedamini kahjustatavad.

ESD-le omistatud tähtsuse tõttu kulutavad elektroonikaseadmete tootjad palju tuhandeid naelu, et tagada oma töökohtade staatilise mõju eest kaitsmine. Nad tagavad, et nende toodetavatel toodetel ei oleks tootmistesti ajal suuri tõrkeid ja nad suudaksid pikka aega näidata suurt töökindlust.

Mis on ESD?

Staatiline on lihtsalt laengu kogunemine kahe pinna vahel. See tekib siis, kui pinnad hõõruvad kokku ja selle tulemuseks on ühel pinnal elektronide liig ja teisel puudus.

Pindu, millele laeng koguneb, võib pidada kondensaatoriks. Laeng jääb paigale, välja arvatud juhul, kui sellel on rada, mille kaudu see saaks voolata. Kuna laengu liikumiseks pole sageli reaalset rada, võib tekkiv pinge jääda mõnda aega paigale ja sellest tuleneb mõiste "staatiline elekter".

Kui aga juhtivus on olemas, voolab vool ja laeng väheneb. Tühjenemisega on seotud ajakonstant. Suur takistus tähendab, et väiksem vool voolab kauem. Madal takistus põhjustab palju kiirema tühjenemise.

Ilmselt sõltuvad tekitatud pinge- ja voolutasemed paljudest teguritest. Inimese suurus, aktiivsuse tase, objekt, mille vastu heide toimub, ja muidugi õhu niiskus. Kõigil neil on väljendunud mõju, mistõttu on peaaegu võimatu ennustada tekkivate heidete täpset suurust.

Kuid üks peamisi tootvaid pingeid mõjutavaid tegureid on materjalide tüübid, mida kokku hõõrutakse. Leiti, et erinevad materjalid annavad erinevat pinget. Toodetud pinge sõltub kahe materjali positsioonist seerias, mida nimetatakse triboelektriliseks seeriaks.

Tribo-electric seeria

Mida kaugemal nad üksteise järel asuvad, seda suurem on pinge. See, mis asub seeria kõrgemal, saab positiivse laengu ja madalam negatiivse laengu. Allpool olevat tribo-electric seeriate loendit vaadates võib näha, et juuste kammimine plastkammiga annab juustele positiivse laengu ja kamm muutub negatiivselt laetud.

Tribo-elektriline seeria

Positiivne laeng
Nahk
Juuksed
Vill
Siid
Paber
Puuvill
Puit
Kumm
Rayon
Polüester
Polüetüleen
Pvc
Teflon
Negatiivne laeng

Laengute moodustamiseks on palju viise. Isegi üle vaiba kõndimine võib põhjustada väga suuri pingeid. Tavaliselt võib see põhjustada 10 kV potentsiaali. Halbadel juhtudel võib see viia isegi selle väärtuseni kolm korda suuremate potentsiaalideni. Isegi üle vinüülpõranda kõndimine võib viia umbes 5 kV potentsiaalide tekkimiseni. Tegelikult viib igasugune liikumisvorm, kus pinnad kokku hõõruvad, staatilise elektri tekkimist. Keegi, kes töötab pingi juures elektroonilisi komponente kasutades, võib hõlpsasti tekitada staatilise potentsiaali 500 V või rohkem.


ESD praktilised näited

Üks kõige nähtavamaid näiteid laengu tekitamiseks on üle ruumi kõndimine. Isegi see igapäevane esinemine võib tekitada üllatavalt kõrgeid pingeid. Tegelikud pinged varieeruvad märkimisväärselt sõltuvalt paljudest teguritest, kuid probleemi ulatuse näitlikustamiseks võib anda hinnanguid.

Probleemi ulatuse illustreerimiseks on allolevas tabelis üksikasjalikult kirjeldatud mitmeid juhtumeid:


Igapäevastest toimingutest põhjustatud tõenäoline ESD pinge
Laengu tekkimise põhjusTõenäoline tekitatud pinge (kV) *
Kõndides üle vaiba30
Polüetüleenkoti kätte võtmine20
Kõndimine vinüülplaaditud pinnal15
Pingi juures töötamine5

* Need on ligikaudsed arvud ja eeldavad, et suhteline õhuniiskus on kuni 25%. Niiskuse tõustes langevad need tasemed: umbes 75% õhuniiskuse korral võib staatiline tase langeda kordi väga umbes 25 või rohkem. Kõik need arvud on väga ligikaudsed, kuna need sõltuvad väga konkreetsetest tingimustest, kuid annavad oodatava ESD taseme kohta suurusjärgu juhise.

Kuigi ESD tulemused tunduvad väga kõrged, mööduvad need tavaliselt märkamatult. Väikseim elektrostaatiline laeng, mida on tunda, on umbes 5kV ja isegi siis võib seda tühjenemise suurust tunda vaid aeg-ajalt. Põhjus on see, et kuigi tekkivad tippvoolud võivad olla väga suured, kestavad need vaid väga lühikest aega ja keha ei tuvasta neid, sest nende taga olev laeng on suhteliselt väike. Sellise suurusega pinged elektroonikaseadmetest või elektriseadmetest, kus saab rohkem voolu ja palju kauem, avaldavad palju suuremat mõju ja võivad olla väga ohtlikud.


Staatiline ülekanne

Staatilisi laenguid saab pooljuhtseadmetele üle kanda mitmel viisil, mille tulemuseks on ESD kahjustused. Kõige ilmsem on see, kui neid puudutab laetud ja juhtiv ese. Selle ilmseim näide võib juhtuda siis, kui pooljuht on tööpingil ja keegi kõnnib üle põranda laengut üles ehitades ja võtab selle siis üles.

Laetud sõrm annab seejärel pooljuhile staatilise laengu väga kiiresti, kahjustades võimalust. Tööriistad võivad olla veelgi kahjulikumad. Metallkruvikeerajad on veelgi juhtivamad ja annavad laengu veelgi kiiremini ning selle tulemuseks on kõrgem tippvool.

Komponente ei pea siiski kahjustama, et neid kahjustada. Sellised esemed nagu plasttopsid kannavad väga suurt laengut ja ühe sellise paigutamine mikrolaineahju lähedale võib "indutseerida" mikrolaineahju vastupidise laengu. Ka see võib pooljuhtseadet kahjustada. Keemilisest kiust lipsud on ka ESD oht, kuna need saavad laadida ja hõlpsasti tundlike elektroonikaseadmete lähedal riputada.

ESD rikke mehhanismid

ESD võib pooljuhtkomponente kahjustada mitmel viisil. Kõige ilmsemad tulemused tulenevad väga kõrgest staatilisest pingest, mis põhjustab kõrge tippvoolu taseme, mis võib põhjustada kohaliku läbipõlemise. Ehkki vool voolab väga lühikese aja jooksul, tähendab integraallülituse funktsioonide minuti suurus seda, et kahjustusi tekitatakse väga lihtsalt. Kiibis endas olevad ühendavad juhtmelülid või alad saab sulatada kõrge tippvooluga.

Teine viis, kuidas ESD tagajärjel kahjustusi võib tekkida, on see, kui kõrge pinge põhjustab seadme enda komponendis lagunemise. See võib seadme oksiidikihi lagundada, mis muudab seadme töövõimetuks. Kui mõnes IC-s on mõõtmetest palju vähem kui mikronit, pole üllatav, et isegi suhteliselt madal pinge võib põhjustada lagunemist.

Kuigi ESD kahjustused võivad seadmeid koheselt hävitada, on neil võimalik luua ka varjatud tõrkeid. See juhtub seetõttu, et ESD ei hävita seadet täielikult, kuid tekitatud kahju ainult nõrgendab seda, jättes selle hilisemas elus ebaõnnestumise ohtu. Neid varjatud defekte ei saa tavaliselt tuvastada. Tulemuseks on see, et üldine usaldusväärsuse tase on märkimisväärselt vähenenud või võib (rohkem analoogseadmete puhul) jõudlus väheneda. ESD põhjustatud varjatud tõrked võivad olla väga kulukad, kuna remonditöö toote esilekutsumisel on palju kulukam kui tehases ebaõnnestunud eseme parandamine. Selle põhjuseks on see, et remonditehnik peab tavaliselt eseme kohapeal parandama või tuleb see remondikeskusesse saata.

Varjatud tõrkeid võib põhjustada siis, kui sidumine on ESD osaliselt sulatatud. Sageli on osa dirigendist staatilise väljalaskega hävitatud, jättes selle hiljem haavatavaks. Kiipide kahjustamise teine ​​viis on see, kui kahjustuste tagajärjel tekkinud materjal levib pooljuhi pinnale ja see võib põhjustada alternatiivseid juhtimisteid.

Selle tulemusena, et ESD võib komponente kergesti kahjustada, käsitleb enamik tootjaid kõiki pooljuhte staatiliselt tundlike seadmetena ja koos sellega käsitsevad paljud staatiliselt tundlikke seadmeid, sealhulgas passiivseid komponente, nagu kondensaatorid ja takistid. Seda vaadates tuleb meeles pidada, et enamus masstoodanguga seadmeid kasutavad tänapäeval pinnakinnituskomponente, mille mõõtmed on palju väiksemad kui traditsioonilised komponendid, ja see muudab need ESD kahjustustele tundlikumaks.