3.9. Комплекс мер по защите компонентов и узлов от воздействия статического электричества
Существует три основных процесса электризации материалов: добавление зарядов, удаление зарядов и разделение зарядов. Заряды на предмете могут появиться под действием электрического поля, но не только. Так, если привести в соприкосновение два тела из различных материалов, между ними произойдет обмен зарядами, приводящий к образованию двойных электрических слоев. Каждый из последних состоит из двух слоев зарядов противоположной полярности, расположенных на поверхности или вблизи от нее и удаленных друг от друга на несколько межатомных расстояний. После разъединения двух тел разделение зарядов может частично остаться: на одном теле будут преобладать положительные, а на другом – отрицательные заряды. Разделение зарядов наблюдается и между двумя одинаковыми поверхностями, если какой–либо участок одной из поверхностей трется о значительно большую часть другой.
Когда в контакте находятся материалы, обладающие высоким сопротивлением, только носители зарядов в непосредственной близости к области соприкосновения принимают участие в электризации, и они останутся в той же точке, в которой изначально сформировались, даже если материал будет заземлен. Статические же заряды на незаземленных проводниках распространяются практически мгновенно по всей поверхности контактирующих тел (с заземленного проводника заряд стечет на землю). Общее условие электризации какого–либо тела – электрический заряд при разделении (или другом способе получения) должен возрастать быстрее, чем компенсироваться из окружающей среды (компенсации заряда способствует, например, влажная атмосфера).
При производстве полупроводниковых изделий электростатический заряд чаще всего возникает из–за трения поверхностей различных материалов, что называется трибоэлектрическим эффектом. Если осуществить контакт двух материалов трибоэлектрической серии, то более высокий в серии материал заряжается положительно, другой получит такой же отрицательный заряд. Величина заряда зависит от силы сжатия при контакте и от способа и качества контакта между материалами. На рис.3.7 в качестве примера приведены некоторые трибоэлектрические материалы, способствующие образованию статических зарядов. Разность потенциалов при трении материалов трибоэлектрического ряда будет тем большей, чем дальше расположены материалы друг от друга в списке. Например, человек, идущий по сухому ковру, может заряжаться до 5 кВ.; автомобиль, движущийся по сухой дороге, – до 10 кВ., а ремень, движущийся по шкиву, – до 25 кВ.. На операторах, работающих с полупроводниками и одетых в одежду из синтетических материалов, могут возникать потенциалы, превышающие 6 кВ.
Рисунок 3.7. Трибоэлектрические материалы
Накопление заряда человеком – не единственный источник опасного для приборов и схем электростатического разряда. Значительные по величине заряды могут возникать непосредственно на поверхности прибора. Такие заряды бывают подвижными, если они накапливаются на проводящих элементах конструкции, или неподвижными, когда они образуются на изолированных деталях. Собственно, наличие и накопление заряда на любом изделии, как правило, не ведет к его повреждению или изменению характеристик до тех пор, пока через это изделие не произойдет электростатический разряд, возникающий при соединении тел с различными электростатическими потенциалами. В момент, когда тот или иной вывод прибора касается проводящего тела, происходит импульсный разряд, который может полностью или частично повредить прибор. Характер воздействия разряда на полупроводниковые изделия в производственных условиях зависит от ряда случайных факторов: емкости, величины накопленного заряда, сопротивления человека, величины переходных сопротивлений в цепи разряда и др. В табл.3.3 сопоставляются параметры разряда с участием человека и полупроводниковых изделий, а на рис.3.8 показаны примеры воздействия разряда на ИС и формы импульсов токов разряда, протекающих через ИС при этом. Время нарастания тока зависит от сопротивления и емкости и обычно бывает меньше 10 нс, время спада – от 50 до 300 нс.
Таблица 3.3
Таблица 3.4
При технологических процедурах, сопровождающихся трением или нарушением контакта между различными материалами (например, на сборочных автоматах), возникают разности потенциалов, вызванные появлением электростатических зарядов. В табл.3.4 приведены приблизительные данные об уровнях разностей потенциалов при различных операциях. В сухом воздухе разности потенциалов могут достигать очень высоких значений. При обычной или повышенной влажности разности потенциалов значительно понижаются, но все же остаются достаточными, чтобы вызвать повреждение чувствительных полупроводниковых изделий.
Так, в процессе работы конвейера вращающиеся фторопластовые ролики заряжаются до потенциалов порядка 3000 В, фторопластовая и пенопластовая тара может заряжаться до 8000 В, а пластмассовая – до 2500 В. Нужно помнить, что электронно–лучевые трубки телевизоров, осциллографов, дисплеев служат источниками большого электростатического поля. Поэтому оператор, случайно коснувшись экрана трубки, может зарядиться до десятков киловольт. Даже не касаясь экрана, оператор, находящийся перед включенным телевизором на некотором расстоянии, задев шину земли, может приобрести значительный заряд, противоположный по знаку заряду экрана. На полупроводниковые изделия, находящиеся вблизи экрана трубки, также будет воздействовать ее электрическое поле.
Миниатюризация в микроэлектронике заставляет делать металлизированные дорожки все более узкими, а оксидные слои – все более тонкими. Сегодня в основном применяются дорожки шириной 1 мкм, но уже сообщается об изготовлении ИС с шириной дорожки 0.5–0.2 мкм. Если для обычно используемой толщины затворного оксида 1000 А его пробой происходит при приложении к затвору напряжения 80–100 В, то при толщине оксида 400 А напряжение пробоя снижается до 28–45 В. Это еще более осложняет проблему отказов изделий из–за воздействия разрядов, с которой все чаще сталкиваются разработчики.
Непосредственно перед разрядом и в течение первых десятков наносекунд разряда устройство попадает под наведенное высокое напряжение, т.е. на изделие действует и потенциал электрического заряда, и ток разряда. В итоге у полупроводниковых приборов и ИС могут иметь место два типа повреждений:
катастрофические, которые обнаруживаются наиболее легко, потому что поврежденные изделия не выполняют своих функций;
скрытые, которые затрагивают только один из параметров – усиление, утечку и т.д. – или вызывают некоторые изменения начальных характеристик, иногда не выходящие за рамки допустимых отклонений. Эти повреждения обнаружить труднее, так как зачастую они проявляются лишь в результа повторяющихся разрядов или уже в процессе эксплуатации.
Рисунок 3.8. Примеры воздействия электростатического разряда на ИС и формы импульсов тока разряда, протекающих через устройство.
Обозначения на эквивалентных схемах: 1 – заземленная поверхность; 2 – емкость тела человека; 3 – сопротивление тела человека; 4 – сопротивление контакта; 5 – емкость ИС. В одном случае разряд происходит через тело человека (а), в другом – через заземленную поверхность (б; здесь используется модель “заряженного прибора”, поэтому учитываются все его элементы, в том числе индуктивность проводников).
Имеются три способа защиты полупроводниковых изделий от повреждения и помех при воздействии разрядов: вообще предупредить возникновение электростатического заряда, не допустить попадания заряда на устройства и увеличить стойкость аппаратуры и ее комплектующих к воздействию разряда.
Первые два способа относятся к коллективным мерам защиты от воздействия разряда.
Методы защиты от статического электричества, применяемые в радиоэлектронной промышленности, подразделяются на химические, физико–механические и конструктивно–технологические. Первые и вторые стараются предотвратить возникновение статических зарядов и ускорить их стекание, третьи – только защищают приборы от опасных воздействий заряда, но не оказывают влияния на утечку зарядов. Способствовать утечке могут коронный разряд, объемная и поверхностная проводимость материала, на котором скапливается заряд. Следовательно, наиболее общее решение проблемы – ионизация воздуха плюс увеличение поверхностной и объемной проводимости материалов. Практические методы обычно состоят в создании организованных путей утечки зарядов, чтобы не допустить попадания опасных потенциалов на приборы.
Прежде всего, это метод заземления. Цепь утечек на землю работает удовлетворительно, если ее сопротивление не превышает 106 Ом. Заземление эффективно только для материалов, имеющих удельное сопротивление не более 1010 Ом·м. Изолятор с удельным сопротивлением свыше 1014 Ом·м способен хранить высокий заряд, что может привести к разряду при его связи с землей. Такой изолятор следует защищать другими способами. Необходимо очень тщательно продумывать эффективность электростатической защиты всех деталей оснащения рабочего места оператора. На рис. 3.9 приведен пример схемы защищенного рабочего места.
Следующий метод заключается в подавлении статического электричества, так как заземление не позволяет эффективно снимать заряды с поверхности диэлектриков, которые широко применяются в так называемых чистых комнатах. Электризация подобных материалов резко снижается при увеличении влажности воздуха, однако при этом ухудшаются условия работы. Поэтому влажность устанавливается равной 40%. Для разрядки диэлектрических поверхностей применяют ионизаторы воздуха, способные генерировать ионы обеих полярностей. Такие ионизаторы используются для локальной нейтрализации зарядов непосредственно на рабочих местах или же ими дополняют вентиляционные системы чистых комнат, чтобы поток отфильтрованного воздуха ионизировался и происходила нейтрализация зарядов на стенах, потолках, поверхностях оборудования и др.
Рисунок 3.9. Схема защищенного рабочего места:
1 – клемма заземления; 2 – поверхность стола; 3 – источник ионизированного воздуха; 4 – проводящий коврик; 5 – заземляющий провод;
6 – клемма заземления; 7 – заземление; 8 – проводящая обувь; 9 – проводящая обивка стула; 10 – соединительный провод.
Еще один путь уменьшить электростатическую опасность – применять в помещении токопроводящие материалы, содержащие металлические или углеродные частицы. Стены, потолок и пол чистых комнат предложено облицовывать электропроводящими покрытиями, имеющими по отношению к земле электросопротивление порядка 107 Ом, при котором заряды на них уменьшаются до безопасных значений в течение 0.02 с. В помещениях, где расположена аппаратура с чувствительными к заряду компонентами, полы должны быть покрыты проводящими коврами, предназначенными прежде всего для рассеивания зарядов с входящих туда лиц. Ковры также создают “заземленный” фон во всем помещении. Они изготавливаются из пластмасс, насыщенных углем, или из проводящего винилового материала и подсоединяются к заземлению. Столы, рабочие места также должны иметь проводящее покрытие из пропитанного углем пластика, проводящего дивинила или антистатического материала. Эти покрытия обычно заземляются с помощью шин, прокладываемых на столах под покрытием. Аналогичные покрытия должны иметь и стулья.
Транспортировку полупроводниковых приборов и печатных плат следует проводить в электропроводящей таре. При этом контейнеры для транспортировки защищают изделия от трех видов электрических воздействий: от трибоэлектричества; от наводок, вызываемых искровыми разрядами; от электрических полей; при этом сам материал контейнеров не должен накапливать заряды. Для упаковки печатных плат и чувствительных к заряду устройств следует применять проводящий пенопласт. Такой же пенопласт с малой плотностью используется в качестве амортизатора при транспортировке.
Наконец, нужно стремиться уменьшить заряд тела человека. Для этого используются заземление и антистатическая одежда. Одно из наиболее эффективных средств рассеяния накапливающегося заряда – проводящие браслеты. Они создают электропроводный путь, по которому заряд может стекать на землю. Браслет состоит из проводящей полосы, укрепляемой на запястье, и пряжки, которой браслет соединяется с заземленным проводом. Для создания безопасных условий работы провод должен иметь последовательно соединенное сопротивление величиной от 1 до 100 МОм, чтобы протекающий через человеческий организм ток не превышал 1 мА. На человека токи статического электричества воздействуют так: токи силой 0–1 мА создают незначительные ощущения; 1–10 мА причиняют боль; 10 мА вызывают шок; 100 мА могут привести к летальному исходу.
Большое значение при заземлении имеет скорость стекания зарядов на землю. Так, время снятия электростатического потенциала с оператора до безопасного уровня не должно превышать 1 с. Чтобы выполнить это условие, покрытия пола должны иметь малое сопротивление по отношению к земле (это могут быть заземленные металлические листы). Как показывает практика, сопротивление покрытия по отношению к земле 1000 МОм гарантирует разряд статического электричества потенциалом 5000 В до уровня 100 В в течение 1 с. Замедляют стекание зарядов с оператора диэлектрические поверхности пола, резиновые коврики, подошвы обуви. Некоторые типы подошв, например из толстого каучука, могут значительно замедлить процесс снятия статического электричества.
Нельзя пренебрегать и таким методом защиты полупроводниковых приборов и электронных блоков, как шунтирование выводов изделий, выводных клемм печатных плат на тех операциях, где это принципиально возможно. Монтаж следует производить заземленным инструментом, пайку – паяльниками с заземленными паяльными головками.
Таким образом, защита от воздействия статистического электричества является важным мероприятием при осуществлении сборки аппаратуры. Следование основным правилам позволит избежать проблем. [4]
|
