Površinski elektrostatski efekti – vraški brze ubojice

Karakteristike materijala - kako oni utječu na statički naboj

Stvarno svi materijali, uključujući vodu i kontaminante u zraku, mogu biti nabijani procesom dodira i odvajanja. Koliko je naboja generirano, gdje naboj odlazi i kako brzo su funkcije električnih karakteristika materijala.

IZOLATORI
Materijal koji onemogućava ili ograničava tok elektrona preko površine ili kroz volumen se naziva izolator. Izolatori imaju ekstremno velik električni otpor no dosta velika količina naboja može biti generirana na površini izolatora. Zbog toga što izolator gotovo ne dozvoljava tok elektrona, pozitivni i negativni naboji mogu ostati na površini izolatora u isto vrijeme iako na različitim lokacijama. Velik broj elektrona u negativnom nabijenoj točci bi moglo biti dovoljno da zadovolji odsutnost elektrona u pozitivnoj točci. Ipak, kako elektroni ne mogu lako strujati preko površine izolatora, pozitivni i negativni naboji mogu ostati na površini dugo vrijeme.

VODIČI
Vodljivi materijal zbog toga što ima mali električni otpor dozvoljava lako strujanje elektrona preko površine ili kroz volumen. Ukoliko nabijeni vodljivi materijal dođe u kontakt sa drugim vodljivim materijalom prijelaz elektrona između njih će biti veoma lagan. Ako je pak drugi materijal uzemljen elektroni će strujati prema uzemljenju i višak naboja će biti neutraliziran. Elektrostatički naboj može biti izazvan dodirivanjem ploha na vodičima isto kao i kod izolatora. Dok god je vodič izoliran od drugih vodiča ili uzemljenja statički naboj će ostati na vodiču. Do prijelaza naboja će doći samo u slučaju uzemljenja ili dodira sa drugim vodičem.

STATIČKI DISIPATIVNI MATERIJALI
Statički disipativni materijali imaju električnu otpornosti između izolatora i vodiča. Može doći do strujanja elektrona preko ili kroz disipativni materijal no to je kontrolirano površinskom ili volumnom otpornošću materijala. Kao i kod ostala dva tipa materijala naboj može biti generiran dodirivanjem i razmicanjem površina statičko disipativnog materijala. Kao i vodljivi materijal i SDM će dopuštati transfer naboja na uzemljenje i na druge vodljive materijale. Prijenos naboja od strane SDM će trajati malo duže od vodljivih materijala ekvivalentnih veličina ali puno brže od izolatora.

Serije

Kada se dva naboja dodirnu i razdvoje, polaritet i magnituda generiranog naboja ovisi o pozicijama materijala u takozvanim “triboelectric” serijama. Serije govore o relativnim “triboelectric” nabojnim karakteristikama. Kod tog procesa materijal bliži vrhu generira pozitivan naboj a onaj drugi negativan. Materijali koji su dalje u tablici generiraju veći naboj od onih koji su u tablici bliži (vidi tablicu ispod).

Elektrostatski izboj - kako uređaji zataje?

Elektrostatski kvarovi elektroničkih uređaja mogu se dogoditi u bilo kojem stadiju od proizvodnje do njegovog korištenja. Kvar je rezultat skladištenje uređaja u nekontroliranim uvjetima ili kad je korištena slaba ESI praksa. Kvarovi se dijele kao katastrofalan defekt ili latentni defekt.

KATASTROFALAN DEFEKT
Kada je elektronički uređaj izložen ESI događaju to može značiti da više neće funkcionirati. ESI događaj može uzrokovati topljenje metala, prekid spoja ili kvar oksida. Uređaj je permanentno oštećen pa se ti kvarovi u većini slučajeva otkriju testiranjem uređaja prije slanja. Ako se to dogodi nakon testa kvar neće biti detektiran dok se uređaj ne pusti u rad.

LATENTI DEFEKT
Latentni defekt je mnogo teže otkriti. Uređaj izložen ESI događaju može biti samo parcijalno degradiran, tj. sposoban izvršavati svoje funkcije ali njegov radni vijek može biti dramatično smanjen. Uređaj ili sistem koji se sastoji od dijelova sa latentnim defektom može prerano zatajiti nakon što se počne koristiti. Takvi kvarovi su veoma skupi za popravak i u nekim primjenama mogu dovesti do osobnog rizika. Sa podobnom opremom je relativno lako otkriti katastrofalan defekt dok je kod latentnog to veoma teško pogotovo ukoliko je dotični dio integriran u neki proizvod.

Osnovni ESD događaji - što dovodi do kvara?

ESI kvar je obično uzrokovan trima događajima: direktno elektrostatičko izbijanje na uređaj, DEI iz uređaja i poljem uzrokovanim izbijanjem.

IZBOJ NA UREĐAJ
ESI događaj se javlja kada se bilo koji nabijeni vodič (uključujući ljudsko tijelo) izbije na ESIO (elektrostatski izbojno osjetljiv) uređaj. Najrašireniji uzrok ESI događaja je direktni transfer elektrostatskog naboja između ljudskog tijela ili nabijenog materijala na ESIO uređaj. Kada osoba hoda preko poda elektrostatski naboj se akumulira na tijelu. Jednostavni kontakt prsta sa vodom ESIO uređaja ili više njih dopušta da se tijelo izbije uzrokujući kvar na uređaju. Model koji se koristi da se simulira taj događaj je HMB (human body model) . Slično izbijanje se događa od strane nabijenog vodljivog objekta kao što su metalni alati, itd. Model koji karakterizira taj događaj je poznat kao strojni model (MM- machine model).

Human body model - crtano u Electronics Workbenchu

IZBOJ IZ UREĐAJA
Transfer naboja iz ESIO uređaja je isto ESI događaj. Automatiziranog sastavljanje se činilo kao da će riješiti problem HBM ESI događaja. Nažalost, pokazalo da je osjetljivost na kvar nekih dijelova automatiziranim sastavljanjem još i veća. Uređaj se recimo može nabiti kretanjem kroz tvorničku traku i onda rapidno izbiti na neki drugi vodljivi dio. Događaj se opisuje kao CDM (Charged Device Model) i može biti destruktinvniji nego HBD (za neke uređaje). Iako je vrijeme izbijanja manje od jedne nanosekunde pik struje može doseći i nekoliko desetina ampera.

POLJEM INDUCIRANO IZBIJANJE
Još jedan događaj koji može direktno ili indirektno pokvariti uređaje je poljem inducirano izbijanje. Kada god objekt postane elektrostatski nabijen postoji elektrostatsko polje stvoreno tim nabojem. Ako se ESIO uređaj stavi u elektrostatsko polje naboj može biti induciran na uređaju. Ako se uređaj uzemlji dok je pod utjecajem elektrostatskog polja dolazi do transfera naboja iz uređaja.

OSLJETLJIVOST UREĐAJA – KOLIKO JE ZAŠTITE POTREBNO
Šteta na ESIO uređaju zbog ESD događaja je određena mogućnošću uređaja da disipira energiju izboja ili da se odupre vrijednostima napona. To je poznato kao ESD osjetljivost uređaja. Neki su uređaji više osljetljivi na HBM model dok su drugi osjetljiviji na CMD. Definiranje osjetljivosti je jedan od prvih koraka u određivanju potrebne zaštite. Mnoge od eletroničkih komponenata su osjetljive na ESD kvar već pri malim naponskim vrijednostima. Neki na vrijednostima od 100V, a mnogi diskovi i ispod 10V. Današnji trend u proizvodnji dizajniranja i stvaranja sve više integriranih krugova u tim malim uređjima dodatno povećava postojeći problem.

Zaključak

U ovom članku o elektrostatskom izboju diskutirali smo o osnovama elektrostatskog izboja, tipovima, kvarovima, ESD događajima i o osjetljivosti naših uređaja pa možemo postaviti nekoliko zaključaka: