Электростатический разряд (ESD) — это внезапное высвобождение статической электрической энергии от объекта на землю, между двумя объектами или между объектом и человеком. Разряд может произойти всякий раз, когда между двумя проводящими телами существует разный электростатический потенциал. Однако прежде чем двигаться дальше, кратко рассмотрим некоторые основы статического электричества.

Что такое статическое электричество

В базовых учебных материалах обычно указывается, что статическое электричество возникает в результате дисбаланса между положительными и отрицательными зарядами в объектах или материалах. Как правило, это вызвано контактом и разделением (или перемещением) одного материала относительно другого, в результате чего происходит перенос отрицательных зарядов, или электронов, между материалами. Материал, теряющий электроны, приобретает положительный заряд, а материал, получающий электроны, приобретает отрицательный заряд. Этот дисбаланс создаёт измеримое электрическое поле, способное влиять на другие объекты. 

Хотя смещённые электроны могут накапливаться на поверхности принимающего объекта, они, как правило, остаются неподвижными до тех пор, пока не будут высвобождены, то есть разряжены. Таким образом, мы получаем электрический заряд, находящийся в состоянии покоя, или, другими словами, «статическое» электричество.

Такое образование статического электрического заряда называется трибоэлектрической зарядкой. Статический электрический заряд измеряется в кулонах. Кулон (Кл) — это единица электрического заряда в Международной системе единиц (СИ), равная количеству электричества, переносимого током в один ампер за одну секунду. Однако чаще статический заряд выражают через напряжённость электрического поля, или поверхностное напряжение измеряемого материала.

Трибоэлектрическая зарядка может в той или иной степени затрагивать практически все материалы, включая частицы воды и сажи в атмосфере, а также человеческое тело. И вы, и ваша домашняя собака или кошка можете ощутить это одновременно, просто прикоснувшись друг к другу после того, как пройдётесь по ковру в сухой зимний день.

Проблема ESD

Как уже было сказано, заряды статического электричества могут накапливаться на поверхности объекта до тех пор, пока не возникнут условия для их высвобождения, то есть внезапного разряда. ESD — это быстрый перенос электростатического заряда с одного объекта на другой. По сути, ESD происходит, когда любое заряженное тело внезапно становится электрически нейтральным. На величину переносимого заряда влияют свойства материалов, из которых состоят объекты, площадь контакта между ними, относительная влажность воздуха, скорость разделения объектов, а также другие факторы.

Переносимый заряд обычно протекает в виде искры между двумя проводящими объектами по мере их сближения. Этот эффект известен уже сотни лет и может привести к серьёзным проблемам, если его не контролировать. Например, на протяжении веков военные использовали устройства и материалы, такие как латунные пороховницы, чтобы предотвратить случайное воспламенение пороха от ESD в полевых условиях. 

Помимо производства боеприпасов и взрывчатых веществ, статический заряд и ESD также могут влиять на процессы в фармацевтике, нефтехимии, текстильной промышленности, окраске, производстве пластмасс, полиграфии и многих других областях. Развитие и продолжающаяся миниатюризация современных электронных устройств также усилили негативное воздействие ESD на всех уровнях цепочки поставок электроники. Это может отрицательно сказаться на выходе годной продукции, стоимости, качестве, надёжности и, в конечном счёте, на прибыльности. 

Влияние ESD на электронику

ESD может повредить множество различных электронных компонентов, из-за чего они перестают соответствовать заявленным характеристикам или вовсе полностью выходят из строя. Уязвимые компоненты варьируются от простых диодов до дорогостоящих интегральных микросхем (ИС). Напряжение ESD может составлять от нескольких вольт до киловольт, но даже разряды напряжением 100 В или менее могут вызывать проблемы. Учитывая, что простое поднятие пластикового пакета со стола может генерировать от 1200 до 20000 вольт, масштаб проблемы становится очевиден.

В ИС-устройствах ток ESD может прожигать отверстия в чипах, вызывать повреждение контактов и интерфейсов, а также выгорание. Повреждения от ESD также могут усиливать выделение тепла в ИС и вызывать термическое повреждение соседних компонентов на плате.

Накопление статического заряда на устройстве также означает, что вокруг него формируется электростатическое поле и силовые линии. Другие проводящие устройства, приближающиеся к этому полю, могут поляризоваться за счёт индукции. Если другое устройство, чувствительное к ESD, попадает в это поле, находясь в заземлённом состоянии, может произойти перенос заряда.

Повреждение чувствительных компонентов от ESD обычно вызывается разрядом от материала или человека на уязвимое устройство, разрядом от самого уязвимого устройства или зарядами, наведёнными полем. Произойдёт ли повреждение, определяется способностью уязвимого устройства выдерживать соответствующее напряжение или его способностью рассеивать энергию разряда. Некоторые современные решения по предотвращению и снижению ESD мы рассматриваем в отдельной статье.

Виды повреждений компонентов, вызванных ESD

К видам повреждений компонентов, которые может вызвать событие ESD, относятся:

• Параметрические отказы — когда событие ESD изменяет один или несколько заявленных рабочих параметров затронутого компонента, но не делает компонент неработоспособным.
• Катастрофический отказ — происходит, когда событие ESD полностью повреждает уязвимый компонент, делая его неработоспособным.
• Скрытое повреждение — повреждение компонента от ESD, не выявляемое при измерении или визуальном осмотре, но способное со временем привести к деградации и отказу устройства из-за эксплуатационной нагрузки на компонент и сокращения срока службы.

Дополнительная информация

Наши друзья из CircuitBread располагают большим количеством полезной информации о работе с электронными компонентами, включая заземление и защиту цепей. Ознакомиться с их материалами можно по адресу www.circuitbread.com. Мы также рекомендуем ознакомиться с тем, что CircuitBread говорит по этому вопросу: Что такое электростатический разряд?

Вы также можете углубить свои знания об ESD с помощью доступной на этом сайте статьи «Как предотвратить электростатический разряд». 

Резюме

Практически все материалы, как и человек, способны накапливать статический заряд, который при внезапном высвобождении может повредить объекты. Величина этого заряда определяется составом материалов, скоростью их контакта и разделения, влажностью воздуха и другими факторами. 

ESD может повреждать устройства, включая электронные компоненты. Такое повреждение может произойти на любом этапе цепочки поставок — от производства до тестирования, обработки, транспортировки и последующей установки в другую систему или в эксплуатацию на месте. Такое повреждение может быть дорогостоящим не только с точки зрения самих повреждённых компонентов, но и с точки зрения ремонта и переработки платы, частью которой они являются. Восприимчивость к ESD может существенно различаться в зависимости от типа компонента. Процедуры и системы предотвращения и снижения ESD полезны и рассматриваются в другой статье на этом сайте.