Diversen

Wat is elektrostatische ontlading: ESD-basisprincipes

Wat is elektrostatische ontlading: ESD-basisprincipes

Elektrostatische ontlading of ESD is een feit in het dagelijks leven en is tegenwoordig van bijzonder belang in de elektronica-industrie.

Jaren geleden, toen thermionische kleppen / vacuümbuizen werden gebruikt, was dit geen probleem, en zelfs met de introductie van transistors beschouwden weinigen het als een probleem. Toen MOSFET's werden geïntroduceerd, stegen hun uitvalpercentages, het probleem werd onderzocht en er werd vastgesteld dat de opbouw van statische elektriciteit voldoende was om de oxidelaag in het apparaat te laten falen.

Sindsdien is het bewustzijn van ESD aanzienlijk toegenomen omdat is aangetoond dat het op veel apparaten effect heeft. In feite beschouwen veel fabrikanten tegenwoordig alle componenten als statisch gevoelig, niet alleen MOS-apparaten die het meest vatbaar zijn voor beschadiging.

Vanwege het belang dat aan ESD wordt gehecht, besteden fabrikanten van elektronische apparatuur vele duizenden ponden om ervoor te zorgen dat hun werkplekken worden beschermd tegen de effecten van statische elektriciteit. Ze zorgen ervoor dat de producten die ze vervaardigen geen hoge uitvalpercentages hebben tijdens fabricagetests en een hoge betrouwbaarheid kunnen aantonen gedurende een lange periode.

Wat is ESD?

Statisch is gewoon het opbouwen van lading tussen twee oppervlakken. Het ontstaat wanneer oppervlakken tegen elkaar wrijven en dit resulteert in een teveel aan elektronen op het ene oppervlak en een tekort aan het andere.

De oppervlakken waarop de lading zich opbouwt, kunnen als een condensator worden beschouwd. De lading blijft op zijn plaats tenzij hij een pad heeft waardoor hij kan stromen. Omdat er vaak geen echt pad is waar de lading doorheen kan stromen, kan de resulterende spanning enige tijd op zijn plaats blijven en ontstaat de term "statische elektriciteit".

Als er echter een geleidingspad is, zal er stroom vloeien en zal de lading worden verminderd. Er is een tijdconstante verbonden aan de ontlading. Een hoge weerstand betekent dat er gedurende langere tijd een kleinere stroom zal vloeien. Een lage weerstand zorgt voor een veel snellere ontlading.

Het is duidelijk dat de niveaus van spanning en stroom die worden geproduceerd afhangen van een grote verscheidenheid aan factoren. De grootte van de persoon, het niveau van activiteit, het object waartegen de ontlading plaatsvindt en natuurlijk de vochtigheid van de lucht. Deze hebben allemaal een uitgesproken effect waardoor het bijna onmogelijk is om de exacte omvang van de lozingen die zullen optreden te voorspellen.

Een van de belangrijkste factoren die de geproduceerde spanningen beïnvloeden, zijn de soorten materiaal die tegen elkaar worden gewreven. Het blijkt dat verschillende materialen verschillende spanningen geven. De geproduceerde spanning is afhankelijk van de positie van de twee materialen in een reeks die bekend staat als de tribo-elektrische reeks.

Tribo-elektrische serie

Hoe verder ze uit elkaar staan ​​in de serie, hoe hoger de spanning. Degene die zich hoger in de reeks bevindt, ontvangt een positieve lading en degene die lager in de reeks staat een negatieve lading. Als je de onderstaande lijst met tribo-elektrische series bekijkt, kun je zien dat het kammen van je haar met een plastic kam zal leiden tot een positieve lading op het haar en dat de kam negatief wordt geladen.

De tribo-elektrische serie

Positieve lading
Huid
Haar
Wol
Zijde
Papier
Katoen
Hout
Rubber
Rayon
Polyester
Polyethyleen
PVC
Teflon
Negatieve lading

Er zijn veel manieren waarop ladingen kunnen worden opgebouwd. Zelfs als u over een tapijt loopt, kan dit tot zeer hoge spanningen leiden. Dit kan doorgaans aanleiding geven tot potentialen van 10 kV. In slechte gevallen zou het zelfs kunnen leiden tot potentialen van drie keer deze waarde. Zelfs het lopen over een vinylvloer kan leiden tot het genereren van potentialen van ongeveer 5 kV. In feite zal elke vorm van beweging waarbij oppervlakken tegen elkaar wrijven, leiden tot het opwekken van statische elektriciteit. Iemand die op een werkbank werkt met elektronische componenten, kan gemakkelijk statische potentialen van 500 V of meer genereren.


Praktische voorbeelden van ESD

Een van de meest zichtbare voorbeelden van het genereren van lading is wanneer u door een kamer loopt. Zelfs deze alledaagse gebeurtenis kan verrassend hoge spanningen genereren. De feitelijke spanningen variëren aanzienlijk, afhankelijk van een aantal factoren, maar er kunnen schattingen worden gegeven om de omvang van het probleem te illustreren.

Om de omvang van het probleem te illustreren, worden verschillende gevallen in de onderstaande tabel gedetailleerd:


Waarschijnlijk ESD-spanningen veroorzaakt door alledaagse handelingen
Oorzaak van ladingopwekkingWaarschijnlijk opgewekte spanning (kV) *
Lopen over een tapijt30
Een plastic zak ophalen20
Lopen op een met vinyl betegeld oppervlak15
Werken op een bank5

* Dit zijn cijfers bij benadering en gaan uit van een relatieve luchtvochtigheid tot 25%. Naarmate de luchtvochtigheid stijgt, dalen deze niveaus: bij een luchtvochtigheid van rond de 75% kunnen de statische niveaus met een factor dalen heel ongeveer 25 of meer. Al deze cijfers zijn erg bij benadering, omdat ze erg afhankelijk zijn van de specifieke omstandigheden, maar ze geven een indicatie van de grootteorde van de te verwachten ESD-niveaus.

Hoewel de gevolgen van ESD erg hoog lijken, blijven ze meestal onopgemerkt. De kleinste elektrostatische ontlading die kan worden gevoeld, is ongeveer 5 kV, en zelfs dan is deze omvang van de ontlading mogelijk slechts af en toe voelbaar. De reden is dat, hoewel de resulterende piekstromen erg hoog kunnen zijn, ze slechts een zeer korte tijd aanhouden en het lichaam ze niet detecteert omdat de lading erachter relatief klein is. Spanningen van deze grootte van elektronische of elektrische apparatuur waar de meeste stroom kan worden geleverd en veel langer zal een veel groter effect hebben en zeer gevaarlijk kunnen zijn.


Statische overdracht

Er zijn verschillende manieren waarop statische ladingen kunnen worden overgedragen op halfgeleiderapparaten, wat kan leiden tot schade door ESD. Het meest voor de hand liggende is wanneer ze worden aangeraakt door een item dat is opgeladen en geleidend. Het meest voor de hand liggende voorbeeld hiervan is mogelijk wanneer een halfgeleider op een werkbank ligt en iemand over de vloer loopt en een lading opbouwt en deze vervolgens oppakt.

De geladen vinger brengt dan zeer snel de statische lading over op de halfgeleider met kans op beschadiging. Tools kunnen mogelijk nog schadelijker zijn. Metalen schroevendraaiers zijn zelfs nog beter geleidend en zullen de lading nog sneller overbrengen, wat resulteert in hogere piekstroomniveaus.

Het is echter niet nodig om componenten aan te raken om ze te beschadigen. Voorwerpen zoals plastic bekers hebben een zeer hoge lading, en het plaatsen van een van deze in de buurt van een IC kan een tegengestelde lading in de IC "induceren". Ook dit kan de halfgeleiderinrichting beschadigen. Banden van synthetische vezels vormen ook een ESD-gevaar omdat ze kunnen worden opgeladen en gemakkelijk in de buurt van gevoelige elektronische apparatuur kunnen blijven hangen.

ESD-faalmechanismen

Er is een aantal manieren waarop ESD halfgeleidercomponenten kan beschadigen. De meest voor de hand liggende resultaten van de zeer hoge statische spanning, die aanleiding geeft tot hoge piekstroomniveaus die plaatselijke doorbranden kunnen veroorzaken. Ook al vloeit de stroom voor een zeer korte tijdspanne, de minuscule kenmerkgroottes in het geïntegreerde circuit betekenen dat schade zeer gemakkelijk wordt veroorzaakt. De onderling verbonden draadverbindingen of gebieden in de chip zelf kunnen worden gesmolten door de hoge piekstroom.

Een andere manier waarop schade kan optreden als gevolg van ESD, is wanneer het hoge spanningsniveau ervoor zorgt dat een onderdeel in het apparaat zelf defect raakt. Het kan een oxidelaag in het apparaat afbreken, waardoor het apparaat onbruikbaar wordt. Met afmetingen in sommige IC's van veel minder dan een micron, is het niet verwonderlijk dat zelfs relatief lage spanningen storingen kunnen veroorzaken.

Hoewel schade door ESD apparaten onmiddellijk kan vernietigen, is het ook mogelijk dat ze zogenaamde latente storingen veroorzaken. Dit komt omdat ESD het apparaat niet volledig vernietigt, maar de veroorzaakte schade verzwakt het alleen, waardoor het risico loopt om later in zijn leven te falen. Deze latente defecten kunnen meestal niet worden gedetecteerd. Het resultaat is dat de algehele betrouwbaarheid aanzienlijk wordt verminderd, of (meer in het geval van analoge apparaten) dat de prestaties kunnen verslechteren. Latente storingen veroorzaakt door ESD kunnen erg duur zijn omdat reparatie terwijl een item in gebruik is veel duurder is dan het repareren van een item dat in de fabriek defect is geraakt. De reden hiervoor is dat een reparatietechnicus het artikel normaal gesproken ter plaatse moet repareren, of dat het naar een reparatiefaciliteit moet worden verzonden.

Latente storingen kunnen worden veroorzaakt wanneer een interconnectie gedeeltelijk is gezekerd door ESD. Vaak is een deel van de geleider vernietigd door de statische ontlading, waardoor deze later kwetsbaar is. Een andere manier waarop chips worden beschadigd, is wanneer materiaal dat het gevolg is van beschadiging, wordt verspreid over het oppervlak van de halfgeleider, en dit kan resulteren in alternatieve geleidingspaden.

Als gevolg van het feit dat componenten gemakkelijk kunnen worden beschadigd door ESD, behandelen de meeste fabrikanten alle halfgeleiders als statisch gevoelige apparaten, en samen met al die apparaten behandelen ze alle apparaten, inclusief passieve componenten zoals condensatoren en weerstanden, ook als statisch gevoelig. Als je dit bekijkt, moet je bedenken dat de meeste in massa geproduceerde apparaten tegenwoordig componenten voor opbouwmontage gebruiken waarvan de afmetingen veel kleiner zijn dan de traditionele componenten, waardoor ze veel gevoeliger zijn voor schade door ESD.


Bekijk de video: ESD-Schutz bei Produktionssystemen (Januari- 2022).