Ещё в самом-самом начале мы обсуждали статическое электричество и откуда оно берётся. Это имеет гораздо большее значение, чем может показаться на первый взгляд, поскольку контроль статического электричества играет большую роль в современной электронике, да и в некоторых других сферах. Такое событие как электростатический разряд – это неконтролируемый сброс статического заряда, для его обозначения часто используется аббревиатура ESD (от англ. electrostatic discharge, т.е. дословно электростатический разряд).
Электростатические разряды бывают разных масштабов, от 50 В до десятков тысяч вольт. Фактическая мощность чрезвычайно мала, причём настолько, что обычно не представляет угрозы для тех, кто оказался на пути электростатического разряда. Обычно человеку требуется несколько тысяч вольт, чтобы просто заметить электростатический разряд в виде искры и сопровождающего его всем знакомого пощёлкивания. Проблема с ESD заключается в том, что даже небольшой разряд, который никто и не заметит, может вывести из строя полупроводники. Статический заряд в тысячи вольт является обыденным явлением, однако причина, по которой он не представляет угрозы для здоровья заключается в том, что за ним не стоит продолжительный по времени ток. Подобные экстремальные напряжения ионизируют воздух и разрушают другие материалы, результатом чего могут быть физические повреждения приборов.
Проблема ESD не нова. Производство чёрного пороха и другие пиротехнические отрасли всегда представляли повышенную опасность, если при неудачных обстоятельствах случается электростатический разряд. В вентильно-ламповую эпоху электростатические разряды не были проблемой для электроники, но с появлением полупроводников и прогрессом в миниатюризации положение стало очень серьёзным.
Повреждение компонентов может произойти (и обычно происходит), когда деталь находится на пути электростатического разряда. Многие детали, такие как силовые диоды, очень прочные и могут выдерживать разряд, но если физическая структура имеет небольшую или хрупкую геометрию, то напряжение может разрушить часть полупроводника. Токи во время этих событий становятся довольно-таки высокими, но их продолжительность составляет от нано- до микросекунд. Это приводит к необратимым повреждениям частей компонент, что вызывает два типа отказов: катастрофический и скрытый. Катастрофический – самый очевидный, когда деталь сразу становится полностью нефункциональной. Другой тип может быть гораздо серьёзнее. Скрытое повреждение может позволить проблемному компоненту ещё работать часы, дни или даже месяцы, до тех пор, пока не наступит катастрофический отказ. Часто такие части называют «ходячими ранеными», поскольку они хоть и кое-как, но работают. На рисунке ниже показан пример скрытого («ходячераненного») повреждения от электростатического разряда. Если эти компоненты в конечном итоге выполняют какие-либо жизненно важные задачи (например, в медицинских или военных целях), то итоги могут быть плачевными. В любительской электронике они в большинстве случаев причиняют различные неудобства, но иногда последствия могут оказаться весьма дорогостоящими.
Даже компоненты, считающиеся достаточно прочными, могут быть повреждены электростатическим разрядом. Биполярные транзисторы, самые первые из твердотельных усилителей, не обладают полным иммунитетом к ESD, хотя и не так восприимчивы. Некоторые из новых высокоскоростных компонентов могут быть повреждены всего лишь при 3-х вольтах. Есть компоненты, которые якобы не находятся в зоне риска, такие как некоторые специализированные резисторы и конденсаторы, изготовленные с использованием технологии МОП (металл-оксид-полупроводник), которые тем не менее могут быть повреждены в результате электростатического разряда.
Рис. 1. Пример скрытого повреждения от ESD, так называемый "ходячий раненый". Эта трёхвыводная микросхемастабилизатора работала ещё примерно час после первоначального повреждения от разряда.
Предотвращение повреждений от электростатического разряда
Прежде чем предотвращать, важно осознать, что вообще может вызвать электростатический разряд. Как правило, материалы в окрестностях рабочего места электронщика можно разделить на 3 категории. Это генерирующие электростатические разряды, нейтральные к электростатическим разрядам и рассеивающие (проводящие) электростатические разряды. Материалы, генерирующие электростатические разряды, являются активными генераторами статического электричества, например, к таковым относятся большинство пластиков, кошачья шерсть и одежда из полиэстера. ESD-нейтральные материалы обычно хорошо изолируют, но не очень хорошо генерируют или удерживают статические заряды. Это, к примеру, дерево, бумага, хлопок. Это вовсе не значит, что они не могут генерировать статику или полностью безопасны, но риск несколько снижается за счёт разных факторов. Например, древесина и изделия из неё удерживают влагу, что может сделать их слабопроводящими. Это же верно для многих органических материалов. Отполированный деревянный стол уже не попадает в эту категорию, потому что блеск поверхности обычно обеспечен пластиком или лаком, которые являются высокоэффективными диэлектриками. Довольно очевидно, что из ESD-проводящих материалов состоят металлические инструменты, лежащие вокруг рабочего места. Пластиковые ручки инструментов могут быть препятствием для разряда, но металл выводит статический заряд так же быстро, как и при заземлении. Есть много других материалов, среди которых есть даже специальные виды пластмасс, которые предназначены для обеспечения проводимости. Они входят в число ESD-проводящих. Грязь и бетон также являются проводящими и их тоже можно считать, как рассеивающие электростатический разряд.
Есть много действий (безобидных на первый взгляд), которые генерируют статическое электричество, о чём вам нужно знать, чтобы обеспечивать контроль над ESD в рабочих условиях. Простое вытягивание ленты с торгового автомата может привести к возникновению экстремального напряжения. С генерировать статическое электричество можно в результате раскачивания в кресле или если поскрести чем-нибудь по чему-нибудь. Фактически, любое действие, при котором две или более поверхностей трутся друг о друга, почти наверняка создаст статический заряд. Об этом уже упоминалось в самом начале этой книги, но примеры из реального мира могут быть из разряда «кто бы мог подумать». Вот почему необходим метод постоянного сброса накапливающегося напряжения. При работе с компонентами следует избегать ситуаций, при которых создаётся в огромном количестве статическое электричество.
Пластик обычно ассоциируется с генерацией статики. Особенно это получило широкое распространение из-за проводящих пластиков. Стандартный способ изготовления проводящего пластика – добавлять примеси, преобразующие пластик из изолятора в проводник, хотя, вероятно, материал всё ещё имеет сопротивление в миллионы Ом на квадратный дюйм. Были разработаны пластмассы, которые можно использовать в качестве проводников в приложениях, где нужно максимально облегчить вес, например, в авиастроении. Это специальные приложения, которые обычно не связаны с управлением электростатическим разрядом.
Это ещё не все плохие новости. Человеческое тело довольно-таки прилично проводит. Повышенная влажность воздуха не только безвредно рассеивает статический заряд, а также делает ESD-нейтральные материалы более проводящими. Вот почему в холодные зимние деньки, когда влажность внутри помещений может быть довольно низкой, может увеличиться количество искр на дверной ручке. Летом или в дождливую погоду придется потрудиться, чтобы создать значительное количество статического электричества. По этой причине в промышленных чистых помещениях и производственных цехах стараются регулировать как температуру, так и влажность. Бетонные полы также являются токопроводящими, поэтому в здании могут быть настилы, защищающие от тока.
Чтобы установить защиту от электростатического разряда, должен быть определён стандартный уровень «безопасного» напряжения. Такой уровень существует в виде потенциала земли. Есть очень веские причины из соображений безопасности, по которым заземление используется в домашних розетках. В некотором смысле это имеет (хоть и не прямое) отношение к статике. Это действительно даёт куда сбрасывать избыточные электроны или даже приобретать недостающие, чтобы нейтрализовать любый вид заряда (который может быть не только положительным, но и отрицательным), который могли получить наши тела и инструменты. Если всё на рабочем месте (прямо или косвенно) подключено к заземлению через проводник, статический заряд рассеется задолго до того, как появятся предпосылки для возникновения электростатического разряда.
Хорошую точку заземления можно организовать разными способами. В домах с современной электропроводкой можно использовать заземляющий контакт на штекере переменного тока или винт, удерживающий заглушку розеток. Это связано с тем, что в домашней проводке на самом деле есть провод или штырь, уходящий в землю где-то там, где отводится мощность от основных линий электропередач. Тем, у кого «неправильная» домашняя проводка, можно использовать штырь, вбитый в землю минимум на 3 фута, или простое электрическое соединение с металлической сантехникой (но это вариант похуже). Главное – проложить электрический путь к земле за пределами дома.
Десять МОм считаются проводником, когда речь идёт о защите от электростатических разрядов. Статическое электричество – это напряжение без реального тока и, если заряд сбрасывается через несколько секунд после генерации, он обнуляется. Обычно по этой причине для подключения любой защиты от электростатического разряда используется резистор от 1 до 10 МОм. Его преимущество заключается в замедлении скорости разряда во время электростатического разряда, что увеличивает вероятность того, что компонент останется неповреждённым. Чем быстрее происходит разряд, тем выше ток, проходящий в это время через компонент. Другая причина, по которой такое сопротивление считается желательным, заключается в том, что, если пользователь случайно замыкается на высокое напряжение, такое как бытовой ток, его не убьёт благодаря этой защите от электростатического разряда.
Вокруг управления электростатическим разрядом в электронной промышленности выросла крупная индустрия. Основа любого производства в электронике – это рабочее место, проводящее статику или с рассеивающей поверхностью. Подобную поверхность можно купить в магазине или сделать в домашних условиях из листа металла или фольги. В случае металлической поверхности неплохо бы класть сверху тонкую бумагу, хотя в этом есть необходимость только тогда, когда вы проводите электрические тесты. Коммерческая версия обычно представляет собой некую форму проводящего пластика, сопротивление которого достаточно велико, чтобы не создавать проблем, что является наилучшим решением. Если вы делаете поверхность для рабочего места своими силами, обязательно добавьте заземлённый резистор 10 МОм, иначе у вас вообще нет защиты.
Другой важный фактор, требующий заземления от электростатического разряда – это вы. Люди – это двуногие генераторы статического электричества. Поскольку ваше тело является проводящим, его относительно легко заземлить, обычно это делается с помощью специального браслета. В коммерческих версиях уже есть встроенный резистор и широкий ремешок, обеспечивающий хороший контакт с кожей. Одноразовые варианты можно купить за несколько долларов. Металлический ремешок для часов также является годной точкой подключения для защиты от электростатического разряда. Просто добавьте провод (с резистором) к точке заземления. В высокотехнологичной промышленности к этой проблеме относятся достаточно серьезно, даже осуществляется мониторинг в реальном времени, и подаётся сигнал тревоги, если оператор не заземлён должным образом.
Рис. 2. Защита от электростатического разряда на рабочем месте: a) Правильное заземление рабочего места: поверхность стола и браслет имеют собственные соединения с «землёй». б) Неправильное заземление рабочего места: браслет подключён к «заземлённой» поверхности рабочего стола. В случае электростатического разряда на браслете возникнет повышение потенциала стола. Хотя даже такая защита лучше, чем совсем ничего.
Еще один способ заземления – пяточный ремень. Токопроводящая пластиковая деталь оборачивается вокруг пятки обуви, а проводящий пластиковый ремешок идет вверх и под носок для обеспечения хорошего контакта с кожей. Работает только на полах с проводящим лаком или бетоном. Этот метод хоть и предохранит человека от генерации больших зарядов, которые могут подавить другие средства защиты от электростатического разряда, однако сам по себе считается сомнительным. Аналогичного эффекта можно добиться, просто ходя босиком по бетонному полу.
Еще одна защита от электростатического разряда – ношение токопроводящей одежды (в виде балахона, накидки или фартука из специального материала), защищающей от электростатического разряда. Как и ремешок для пятки, это вторичная защита, не заменяющая ремешок на запястье. Подобное облачение предназначено для короткого замыкания любых зарядов, которые может генерировать основная одежда.
Потоки воздуха также могут генерировать значительные статические заряды. Когда вы сдуваете пыль со своей электроники, будет генерироваться статическое электричество. Есть два промышленных решения этой проблемы: во-первых, есть специальные пневматические пистолеты, выстреливающие небольшими порциями радиоактивного вещества с целью ионизации воздуха. А ионизированный воздух является хорошим проводником и довольно неплохо снимает статические заряды. Во-вторых, можно использовать электричество высокого напряжения для ионизации воздуха, выходящего из вентиляционной шахты, эффект тот же, что и с воздушным пистолетом. Это эффективно поможет рабочей станции значительно снизить вероятность образования электростатического разряда.
Ещё один способ уберечься от электростатического разряда, возможно, самый простой из всех – это соблюдение дистанции. Во многих отраслях действует стандарт, согласно которому все нейтральные и генерирующие ESD материалы должны находиться на расстоянии не менее 12 дюймов (≈ 30 сантиметров) от места с любой незавершенной работой.
Пользователь также может снизить вероятность повреждения электростатическим разрядом, просто не вынимая деталь из защитной упаковки, пока не придёт время вставить элемент в электрическую цепь. Это снизит вероятность воздействия электростатического разряда, и, хотя цепь всё ещё будет уязвимой, компонент будет иметь некоторую незначительную защиту по сравнению с остальными компонентами, поскольку другие элементы уже предлагают разные пути для электростатического разряда.
Хранение и транспортировка компонентов и плат, чувствительных к электростатическому разряду
Если детали повреждены во время хранения или переноски, то теряется смысл следить за защитой от электростатического разряда на рабочем месте. Самый распространённый метод – использовать разновидность клетки Фарадея, специальную ESD-сумку (т.н. антистатический пакет). ESD-сумка окружает компонент проводящим экраном и обычно имеет внутри изолирующий слой, генерирующий нестатический заряд. В постоянных клетках Фарадея этот экран заземлён, как и в случае с комнатами Фарадея, но с переносными контейнерами это непрактично. То же самое можно сделать, положив антистатический пакет на заземлённую поверхность. Клетки Фарадея работают, перенаправляя электрический заряд вокруг содержимого и немедленно заземляя его. Автомобиль, поражённый молнией – это экстремальный пример клетки Фарадея.
Статические пакеты – это, безусловно, самый распространённый метод хранения компонентов и плат. Они сделаны с использованием очень тонких слоёв металла, настолько тонких, что они почти прозрачны. Пакет с отверстием, пусть даже небольшим, или не закрытый сверху (содержимое полностью не ограждено от сторонних зарядов), малоэффективен.
Другой метод защиты деталей при хранении – это специальные контейнеры или тубусы. В этих случаях детали помещаются в токопроводящие коробки с крышкой из того же материала. Это, по сути, та же клетка Фарадея. Тубус, предназначенный для микросхем и других устройств с большим количеством контактов, хранит детали в специальных углублениях (повторяющих форму деталей) из проводящего пластика, так обеспечивается безопасность деталей как механически, так и электрически.
Рис. 3. Это некоторые из наиболее распространённых антистатических обозначений (например, для ESD-сумок). Подобные метки информируют о том, что содержимое чувствительно к статическому электричеству.
Заключение
Электростатический разряд может быть как незначительным инцидентом в несколько вольт (и даже остаться не замеченным при этом), так и серьёзным ЧП, с реальной угрозой для здоровья и жизни. 100% защиты от электростатического разряда нет, но риск можно минимизировать, понимая, с чем имеется дело и какие меры нужно предпринять. Многие приложения даже вообще без защиты от электростатического разряда исправно работают (до поры до времени). Учитывая, что меры по защите приносят всего лишь незначительные неудобства, всё-таки лучше приложить некоторые усилия по обеспечению безопасности.
В промышленности очень серьёзное отношение к этой проблеме, поскольку тут речь не только о качестве продукции, но и о жизни людей. Тот, кто покупает дорогую электронику или высокотехнологичное оборудование, мягко говоря, будет не в восторге, если придётся оформлять возврат опасного брака по гарантийному талону. Когда на кону репутация производителя, проще поступить правильно.
