Принципи утворення електростатичних зарядів

Принципи утворення електростатичних зарядів

Майже кожна людина відчувала на собі статичну електрику, наприклад, під час розчісування пластиковим гребінцем, коли волосся стає дибки в прямому смислі цього слова, або при злипанні синтетичного одягу, ходінні по килиму чи знятті вовняних джемперів, якщо в цей час ще й доторкнутися до дверної ручки, що часто призводить до появи короткочасного розряду.

В повсякденному житті людина призвичаїлась і часто не усвідомлює, що статика і ESD (електростатичні розряди) шкодять електронним компонентам кожен день. Інтегральна схема (ІС) може коштувати недорого, але сам ремонт електронного пристрою буде більш дорогим і вимагає значних фінансових витрат.

Феномен статичної електрики і її ефекти відомі людству давно, але описано їх лише в часи промислової революції. В 1400-х роках при будівництві багатьох Європейських та Карибських фортифікаційних споруд розробляли і використовували пристосування для запобігання статичного розряду, що призводять до займання чорного пороху. Однак тільки в XVII-XVIII ст. багато вчених почали експериментувати з накопиченням, збереженням зарядів і займанням різних речовин за допомогою іскрового розряду. Досліди в цій галузі проводили вчені Отто фон Геріке, Шарль Франсуа Дюфе, Олександро Вольт та інші. Після винаходу батареї постійного струму, інтерес до вивчення статичної електрики згас.

Статика розглядалася як незначне явище. З розвитком механізації виробничих процесів з’явилося безліч машин, що працюють на великих швидкостях і використовують ремінні передачі, генеруючи тим самим велику кількість статичної електрики. Статичні розряди вражали працівників, сприяли виникненню пожеж на фабриках і заводах, тому забезпечення безпеки вимагало більш детального вивчення цього питання.

Пізніше статичний заряд став використовуватися в різних областях: при копіюванні документів, у фарбувальних виробництвах, технологіях очищення, харчовій промисловості (хлібопекарське і ковбасне виробництво) тощо.

У 50-х роках XX століття розпочинається виробництво і використання пластиків, більшість з яких можуть накопичувати статичні заряди, притягувати до себе різні забруднення.

В 1947 році винахід транзисторів призводить до нової епохи в електроніці. Їх широке поширення і використання потребувало обліку наслідків дії статичної електрики.

В цей час військові фахівці розробили вимоги (стандарт MIL, IPC ) для роботи і упаковки статично чутливих пристроїв. У 1958 році винайдена перша інтегральна схема, яка містила транзистори, резистори, конденсатори та інші елементи на одному кристалі з напівпровідникового матеріалу, через два десятки років інтегральні схеми налічували тисячі транзисторів на одному кристалі.

Оскільки розмір пристрою було скорочено, то чутливість таких компонентів до впливу статичної електрики зростала. У 1979 році заснована EOS / ESD асоціація для дослідження проблем статики та проведення навчання персоналу.

У 80-х роках були представлені ще менші пристрої. Тисячі затворів польових транзисторів вже були поміщені на одному чипі. ІС отримували все більшого поширення через побутову техніку і промислову електроніку. Сучасні інтегральні схеми можуть включати в себе мільярди елементів на одному кристалі (МІС-до 100, СІС-до 1000, БІС-до 10000, НВІС-до 1 мільйона, УБІС-до 1 мільярда, ГВІС-більше 1 мільярда, проте ГВІС в даний час практично не використовуються).

Так версії процесорів Intel Pentium 4 містять всього кілька сотень мільйонів транзисторів на одному чипі. Результат мініатюризації виробів призвели до того, що чипи працюють швидше, витрачають менше енергії, коштують дешевше.

Принципи утворення електростатичних зарядів
Закон Мура

Відстань між компонентами зменшується і електростатичному розряду легше пробити більш тонку ізоляцію, що приводить до пошкодження або руйнування пристроїв. Тобто, чим менше елементи електронних компонентів, тим більше ризик ушкодження пристрою електростатичним розрядом. У таблиці 1 наведена залежність максимально допустимої напруги від довжини затвора польового транзистора в різні роки.

Таблиця 1. Залежність максимально допустимої напруги від довжини затвора польового транзистора в різні роки

Рік 1995 1998 2001 2004 2005 2006 2009 2011 2013 2015
Довжина затвора польового транзистора (мкм) 0,35 0,25 0,18 0,12 0,09 0,065 0,045 0,032 0,022 0,010
Напруга (В) 3,52 3,51,5 1,91 1,51,0 3,52 Менше 1

В майбутньому будуть створені схеми, що містять більшу кількість елементів, які матимуть ще більшу чутливість до статики і електростатичного заряду. Статистика втрат від статичної електрики відповідно до закону Мура (один із засновників Intel), виведеного в 1965 році на підставі емпіричних спостережень, – число транзисторів на кристалі подвоюється кожні 18-24 місяці. Ця тенденція спостерігається вже понад півстоліття. Експерти оцінюють середні втрати через статичну електрику в діапазоні 8-33%. Щорічний сумарний збиток світової галузі оцінюється в мільярди доларів США. Тому важливо знати, як виникає статична електрика і електростатичний заряд, а найголовніше, вміти користуватися  даними явищами.

Таблиця 2. Статистика втрат від статичної електрики

Назва Втрати
Min Max підтверджені
Виробники компонентів 4% 97% 16 -22 %
Субпідрядники 3% 70% 9-15%
Виробники електроніки 2% 35% 8-14%
Споживачі 5% 70% 27-33%

Фізичні основи виникнення статичної електрики. На виробничому обладнанні, предметах побуту, на тілі або одязі внаслідок контактного чи індуктивного впливу накопичуються заряди електрики. Таку електрику називають статичною. Для порівняння: статичний заряд не переміщується, динамічний заряд рухається з постійною напругою в проводах, що йдуть від батареї або іншого джерела електроенергії.

Атом складається з електронів, протонів і нейтронів. Протони мають позитивний заряд, електрони – негативний, протони – позитивний, нейтрони не заряджені. Атом нейтральний, якщо кількість електронів дорівнює кількості протонів. Якщо атом отримує електрон, він стає негативно зарядженим, якщо атом втрачає електрон, він відповідно стає позитивно зарядженим.

Принципи утворення електростатичних зарядів
Типи атомів

Візуально електростатичне поле можна представити як групу силових ліній, які починаються на позитивних зарядах і закінчуються на негативних. Всі заряджені об’єкти мають навколо себе поле (рис.3).

Принципи утворення електростатичних зарядів
Дія електричного поля

Способи зарядки об’єктів. Більшість статичної електрики генерується трібоелектрізацією. Трібоелектрика (від грецького Tribos – тертя) – виникнення електричних зарядів під час тертя. При цьому електризуються обидва тіла, заряди їх стають однаковими за величиною і протилежними за знаком.

Трібоелектричний заряд з’являється тоді, коли два матеріали (тверді, рідкі або газоподібні) контактують між собою, а потім відокремлюються один від одного. Заряди (електрони) перерозподіляються між матеріалами.

Принципи утворення електростатичних зарядів
Трібоелектричний заряд (передача електрона)

Кожен об’єкт має мільярди електронів, тому величина заряду на об’єктах може досягати значних значень. Трібоелектричний заряд є найбільш поширеним при утворенні і накопиченні статичного заряду (мал. 5).

Принципи утворення електростатичних зарядів
Утворення трібоелектричного заряду

Прикладами можуть служити елементарні дії: ходьба є одним з найбільших джерел трібоелектричного заряду. При ходьбі відбувається контакт підошви з покриттям підлоги. Людське тіло є хорошим провідником, проводить і накопичує заряди.

Принципи утворення електростатичних зарядів
Утворення електростатичного заряду трібоелектичним способом

Таблиця 3. Приклади утворення електростатичного заряду і рівень потенціалу, що утворився при виконанні людиною звичайних дій

Дія / Найменування операції Рівень відносної вологості
10% 40% 55%
Ходіння по килимовому покриттю 35000 В 15000 В 7500 В
Ходіння по вініловому лінолеуму 12000 В 5000 В 3000 В
Робота за столом 6000 В 800 В 400 В
Витяг DIP компонентів з пластикового пенала 2000 В 700 В 400 В
Витяг DIP компонентів з вінілового піддону 11500 В 4000 В 2000 В
Витяг DIP компонентів з пенопластової тари 14500 В 5000 В 3500 В
Видалення блістерної упаковки з ПП 26000 В 20000 В 7000 В
Упаковка ПП в упаковку з повітрянимибульбашками 21000 В 11000 В 5500 В

Кількість генерованого заряду залежить від типу матеріалів, навколишнього середовища і швидкості поділу матеріалів. Пластик генерує статичну електрику інтенсивніше, ніж провідні матеріали. Скотч виготовляють з пластику: бруд чіпляється до пластикової стрічки всякий раз, коли відбувається відділення її від рулону. На стрічці генерується статичний заряд під час поділу матеріалів.

Принципи утворення електростатичних зарядів
Утворення електростатичного заряду
Принципи утворення електростатичних зарядів
Трібоелектричний ряд матеріалів

Поляризація – це зміщення позитивних і негативних електричних зарядів в протилежні напрямки. При цьому матеріал повинен мати властивість електропровідності. Поляризація відбувається під дією електричного поля або деяких інших зовнішніх факторів, наприклад, механічної напруги, коли всі позитивні заряди перетікають в одну область, а всі негативні – в іншу.

Приклад. Спочатку незаземлений матеріал (інтегральну мікросхему) поміщено в поле зарядженого об’єкта, наприклад, пластиковий стакан (рис. 9). Електростатичне поле склянки викликає поляризацію на інтегральній схемі, що призводить до перерозподілу зарядів на її корпусі.

Якщо мікросхема, перебуваючи в електростатичному полі, торкнеться землі чи руки оператора із заземлювальним браслетом або іншого зарядженого об’єкта з іншим потенціалом, то поляризаційний заряд піде в землю. При цьому відбудеться порушення рівноваги раніше нейтрального об’єкта і він стане зарядженим.

Принципи утворення електростатичних зарядів
Полярізація

Індукція – процес, при якому електромагнітне поле наводить заряд на близько розташований об’єкт, що проводить заряд без безпосереднього контакту з ним. Коли частина провідника знаходиться перпендикулярно полю, то в провіднику генерується електричний струм. Індукція, як генератор, перетворює механічний рух в електрику.

Принципи утворення електростатичних зарядів
Індукція

Провідність – фізична величина, що кількісно характеризує здатність тіла пропускати електричний струм під впливом електричного поля.

У даній статті були розглянуті принципи утворення електростатичних зарядів. Це необхідно для розуміння небезпеки даного явища, наслідків, яке воно викликає і для вироблення стратегії захисту від статичної електрики.

Див. також Український винахідник зміг приручити статичну електрику

Be the first to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published.


*