Электростатический разряд (ElectroStatic Discharge, ESD) — это внезапный и быстрый переход статического электрического заряда между двумя объектами с разными электростатическими потенциалами. В электронной промышленности ESD является одним из наиболее серьёзных факторов, вызывающих повреждение или полное разрушение чувствительных полупроводниковых компонентов и печатных плат (printed board).
Физика явления и генерация статического заряда
Заряд возникает в результате трибоэлектрического эффекта — разделения электрических зарядов при контакте и последующем разделении двух разнородных материалов (например, одежды, пластика, бумаги). При разделении один материал теряет электроны и заряжается положительно, другой приобретает их и заряжается отрицательно. Величина напряжения может достигать десятков киловольт даже при низкой энергии, но её достаточно для пробоя воздушного зазора или тонких диэлектриков в микросхемах.
Модели и виды повреждений
Существует несколько стандартных моделей, описывающих ESD-события. Модель человеческого тела (Human Body Model, HBM) имитирует разряд от человека через типичную ёмкость и сопротивление. Модель механизированного тела (Machine Model, MM) моделирует разряд от заряженного оборудования. Модель заряженного устройства (Charged Device Model, CDM) описывает разряд с самого заряженного компонента. Повреждения могут быть катастрофическими (необратимый пробой перехода (junction)) или скрытыми (деградация параметров, приводящая к преждевременному отказу).
Чувствительность компонентов и стандарты
Чувствительность компонентов к ESD классифицируется в соответствии со стандартом ANSI/ESD S20.20 и IEC 61340-5-1. Компоненты делятся на классы по пороговому напряжению, при котором они могут быть повреждены. Современные компоненты, выполненные по субмикронным технологиям, могут быть чувствительны к разрядам всего в несколько сотен вольт или даже менее.
Методы защиты (ESD Control)
Для предотвращения ESD-повреждений на всех этапах — от производства до эксплуатации — внедряется программа контроля электростатики (ESD Control Program). Она включает заземление персонала через браслеты (wrist strap) и антистатическую обувь (heel strap), использование антистатических рабочих поверхностей (dissipative work surface) и заземлённых ковриков (grounded mat), хранение и транспортировку компонентов в проводящей (conductive) или рассеивающей (dissipative) упаковке, а также поддержание относительной влажности воздуха на уровне 40–60%.
Проектирование печатных плат для защиты от ESD
На уровне платы для защиты цепей ввода/вывода применяют TVS-диоды (Transient Voltage Suppressor), варисторы (varistor) и RC-снабберы (snubber). Критичные линии экранируют и максимально сокращают их длину. Важную роль играет правильная организация заземления (grounding) и разделение аналоговых и цифровых земель.
Тестирование на устойчивость
Устойчивость готовых изделий к ESD проверяется в соответствии со стандартом IEC 61000-4-2, который определяет методы испытаний и уровни строгости. Испытания проводятся как контактным методом, так и методом воздушного разряда.
Источники: Требования к программам контроля электростатики и методы испытаний установлены стандартами ANSI/ESD S20.20, IEC 61340-5-1 и IEC 61000-4-2.