Статическое электричество и полупроводниковая электроника
Митрофан Иванович Горлов, д.т.н., проф. каф. полупроводниковой электроники Воронежского государственного технического ун-та.
В 1966 г. Воронежский завод полупроводниковых приборов начал серийные поставки первых отечественных кремниевых интегральных схем (ИС) диодно-транзисторной логики серии 104 с диэлектрической изоляцией элементов. Но на Казанском заводе, производящем радиоэлектронную аппаратуру, жаловались на их низкое качество: на печатной плате, где размещалось 20 схем, проверенных по электрическим параметрам, после покрытия лаком и сушки одна или две выходили из строя. И это наблюдалось практически на каждой третьей плате. Будучи уверенными в высокой надежности своих схем, воронежцы решили посмотреть технологический процесс нанесения лака на печатные платы. В цехе они увидели: работница держала плату в одной руке, а воздушный краскораспылитель - в другой. Краскораспылитель был заземлен; руки работницы были в резиновых перчатках, которыми пользовались электрики. На вопрос, для чего такая защита, работница ответила, что “здорово бьет”. И только тогда изготовители догадались, что распыление лака создает большой электростатический заряд на плате, который может повреждать ИС. До того, выпуская в основном высоковольтные диоды, сплавные и диффузионные мощные и средней мощности транзисторы, они практически с этим не сталкивались. Здесь же фигурировали маломощные ИС, допускающие напряжение питания всего 5-12 В. Проведенные затем исследования подтвердили предположение, и практически с 1970 г. в отечественной и зарубежной литературе начали появляться статьи об отрицательном воздействии электростатических зарядов на полупроводниковые изделия (приборы и интегральные схемы). Конец истории оказался простым. Было предложено изменить технологию нанесения лака на печатную плату - погружать ее в объем лака - и отказы ИС прекратились.
Восприимчивые к электростатическим зарядам приборы и схемы подвергаются опасности в процессе как производства, так и эксплуатации. Неантистатическая упаковка, недостаточно грамотное обращение с устройствами на входном контроле, в ходе их монтажа при изготовлении электронных блоков и при работе аппаратуры - все эти факторы могут стать причиной выхода полупроводниковых изделий из строя.
Средние ежедневные потери электронной промышленности США от электростатических зарядов составляют от 10 до 18% продукции. За год затраты, обусловленные такими потерями и ремонтом или дополнительным обслуживанием оборудования, доходят до 10 млрд долл. [1].
Поэтому чрезвычайно важно знать причины образования заряда в процессе изготовления и применения приборов, виды их отказов и коллективные и индивидуальные меры защиты.
Как возникает заряд
Обычно носители зарядов обеих полярностей распределены в материале равномерно, поэтому он электрически нейтрален. Разрушение этого нейтрального состояния и локальное накопление частиц одной полярности приведет к тому, что тело станет заряженным. Статическое электричество определяется как явление, вызываемое электрическим зарядом в состоянии покоя. Такие заряды возникают при переносе электронов (или других видов носителей заряда) с одной части тела в другую (поляризация) или же при переходе заряда от одного тела к другому (переносимый заряд). Они могут быть как отрицательными, например, если на предмете электроны присутствуют в избытке, так и положительными, если, наоборот, имеется недостаток электронов [2].
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).
Рис.1. Трибоэлектрическая шкала.
При трении двух материалов тот из них, что расположен в ряду выше,
заряжается положительно и тем сильнее, чем более разнесены материалы по шкале.
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.1 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.. Максимальные значения потенциала, до которых может заряжаться тело человека при контактировании с различными материалами в условиях разной относительной влажности, показаны на рис.2, а также даны в табл.1 в сравнении с величинами для некоторых других “электроопасных” объектов.
Рис.2. Максимальные значения электрических напряжений, до которых может быть заряжено тело человека при контакте с различными материалами.
Чем он опасен
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.2 сопоставляются параметры разряда с участием человека и полупроводниковых изделий, а на рис.3 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.
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 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 [3].
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 [4].
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 A его пробой происходит при приложении к затвору напряжения 80-100 В, то при толщине оксида 400 A напряжение пробоя снижается до 28-45 В. Это еще более осложняет проблему отказов изделий из-за воздействия разрядов, с которой все чаще сталкиваются разработчики.
Рис.3. 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).
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 результате повторяющихся разрядов или уже в процессе эксплуатации.
Явные катастрофы
Катастрофические отказы можно разделить на отказы под действием напряжения, когда пробивается насквозь диэлектрик или разрушается поверхность кристалла, и отказы под действием мощности или тока, которые часто опознают по горячим точкам или расплавленным участкам на кристалле. Разряд может вызвать такую высокую плотность тока на границе оксид-полупроводник, что происходит локальное расплавление полупроводникового материала, а в оксиде образуется точечное отверстие диаметром около 1 мкм.
Элементы, чувствительные к напряжению (тонкий диэлектрик структур металл-диэлектрик-полупроводник, изолирующий оксид и т.д.), отказывают вследствие электрического пробоя. Отказы внутри прибора под действием напряжения происходят из-за разницы постоянных времени разряда в смежных или пересекающихся участках, что приводит к появлению напряжений, превышающих электрическую прочность диэлектрика. Другие элементы (р-n-переходы, металлизированные дорожки и т.д.) чувствительны к мощности. В этом случае критическими параметрами оказываются форма импульса тока, протекающего при разряде, его длительность и амплитуда, которые при соответствующем сочетании могут создать уровень мощности, приводящий к термическому пробою. Отказы под действием мощности или тока происходят обычно между схемной частью и землей или питающей шиной. Шины питания и заземления, как правило, являются проводниками с наибольшей площадью и способны хранить наибольший заряд, высвобождая при разряде максимальную энергию.
Считается, что есть шесть наиболее распространенных и связанных с электростатическим разрядом механизмов отказов: тепловой вторичный пробой, расплавление металлизации, объемный пробой, пробой диэлектрика, поверхностный пробой и газовый дуговой разряд. Первые три механизма определяются током (мощностью) разряда, остальные три - его напряжением. Главный виновник - выделяемое током разряда тепло, которого достаточно, чтобы расплавить используемые материалы. В момент разряда температура внутри микросхемы может достигать 1500°С, что выше точек плавления алюминия, меди и кремния.
Тепловой вторичный пробой известен как выгорание (выжигание) перехода. В этом случае температура на переходе приближается к точке плавления кремния, и начинают плавиться неоднородные “горячие” точки, что приводит к локальному расплавлению участка кремния. Если импульс разряда достаточно продолжителен, горячие точки увеличиваются до возникновения короткого замыкания на переходе. Однако термический или тепловой вторичный пробой может не проявиться немедленным коротким замыканием, а развиться позднее как результат миграции электронов и ионов.
Расплавление металлизации происходит, если разряд обладает достаточной мощностью для расплавления металла соединительных дорожек, так как толщина, а зачастую и ширина металлизированных дорожек настолько малы, что металл расплавляется, как у плавких предохранителей под действием повышенного значения тока.
Объемный пробой возникает в результате изменения параметров перехода из-за воздействия высоких температур под влиянием тока разряда, что приводит в конце концов к быстрой диффузии примесей и замыканию переходов в объеме (рис.4, 5).
Пробой диэлектрика возникает тогда, когда значение электрического поля превышает значение поля, связывающего электроны с ядрами атомов. Освобожденные электроны формируют внутренний ток, который дает лавинный эффект, разрушающий диэлектрик, - в нем образуется отверстие.
Поверхностный пробой, как следует из названия, реализуется на поверхности; он зависит от целого ряда параметров поверхности кристалла изделия. Явление закономерно приводит к утечке на переходе.
Газовый дуговой разряд аналогичен газовому разряду в вакуумных лампах; в конечном счете он вызывает испарение металлических частей изделия.
В большинстве случаев отказы приборов под воздействием разряда происходят не по одной из перечисленных причин, а от совокупности нескольких. Разрушение перехода носит очень сложный характер, и ни напряжение, ни ток по отдельности не играют решающей роли. Их совместное действие влияет на переход, изменяя его состояние, что, в свою очередь, сопровождается воздействием на ток и напряжение. В результате возникает точечное повышение температуры и расплавление кремния.
Анализ биполярных ИС, получивших повреждение из-за разряда, показывает, что у 90% схем были повреждены переходы, у остальных 10% была повреждена металлизация. Одновременно у 27% схем имел место пробой диэлектрика.
Скрытые угрозы
При разряде возможно также возникновение небольшого повреждения, которое тем не менее приводит к отказу устройства при эксплуатации в начальный период. Испытания на принудительный отказ (например, электротермотренировка) не исключают возникновения “электростатических” отказов. Дополнительные манипуляции с изделием при проведении испытаний на принудительный отказ способны увеличить число ранних отказов, если не приняты соответствующие меры для предотвращения возникновения статического электричества. Скрытые дефекты могут проявиться не сразу после воздействия разряда, а спустя месяцы или годы. Их можно разбить на три категории:
- нанесенный ущерб настолько мал, что прибор полностью соответствует паспортным характеристикам. Вероятность безотказной работы в течение всего срока службы высока;
- поврежденный элемент прибора по параметрам слегка выходит за установленные пределы и вполне способен выполнять свои функции в системе. Однако имеется достаточная вероятность преждевременного отказа;
- прибор работоспособен, но не отвечает всем предъявляемым к нему требованиям. Надежность прибора существенно ослаблена.
По физическому принципу скрытые дефекты делятся тоже на три группы.
Дефекты оксида. Прежде всего это проколы, приводящие обычно либо к закороткам, либо к образованию паразитных диодов. В некоторых случаях подобные дефекты могут долго оставаться незамеченными и начинают сказываться лишь при значительном повышении температуры.
Дефекты металлизации, проявляющиеся в виде выброса металла. В результате таких дефектов возрастают токи утечки либо появляются закоротки. Зачастую возникающие проводящие перемычки не влиют на нормальную работу схемы и даже исчезают (плавятся) при перегрузках по напряжению. Но все же считается, что дефекты подобного рода сокращают срок службы: они, в частности, делают приборы более восприимчивыми к импульсным перегрузкам в процессе эксплуатации.
Дефекты, связанные с расплавлением объемных участков кремния, не влияющие на выходные параметры изделия. Пример - пробой диффузионного резистора в месте соединения с алюминиевой дорожкой. Импульс разряда может проплавить дорожку из алюминия через диффузионный резистор.
Испытания на прочность
В отечественной практике устойчивость полупроводниковых устройств к воздействию разряда принято характеризовать опасным (критическим) потенциалом и допустимым потенциалом [1].
Опасный потенциал - это потенциал разряда, при котором происходит отказ изделия, т.е. выход параметров за нормы, указанные в технических условиях (ТУ). В зарубежной технической литературе данный параметр называется порогом чувствительности или напряжением повреждения.
Допустимый потенциал - это потенциал разряда, не превышающий половины опасного, причем он выбирается равным ближайшему из меньших значений: 10; 30; 100; 200; 500; 1000; 2000 В.
Искомые потенциалы находят в две стадии. На первой стадии определяется предварительное значение опасного потенциала. Для каждого типа изделия перед началом эксперимента находят наиболее уязвимое место и электрические параметры, его характеризующие. Перед началом работы измеряют основные электрические параметры, а также специфические для уязвимого места. Далее на испытуемый прибор воздействуют импульсами напряжения, и после каждого воздействия разряда снова проводят электрические измерения. Величина минимального потенциала воздействующего разряда и последовательность его увеличения для каждого типа изделия устанавливаются индивидуально. За опасный потенциал принимается такое значение, при котором у 50% выборки параметры выходят за нормы ТУ.
На второй стадии окончательное значение допустимого потенциала устанавливают после испытаний на надежность, в которых участвуют две партии изделий. Одна из партий перед испытанием подвергается воздействию предполагаемого допустимого потенциала, вторая является контрольной. После работы приборов при повышенной температуре в течение 100 ч сравнивается количество отказов в обеих партиях: число отказов в испытуемой партии не должно превышать число отказов контрольной.
Известно, что отрицательное влияние разряда в первую очередь сказывается на структурах типа металл-оксид-полупроводник (МОП) - устройствах, в которых “работают” носители одной полярности. Однако перечень изделий, особо чувствительных к воздействию разряда, не ограничивается указанными типами. Некоторые биполярные приборы также могут повреждаться разрядами. Например, по этой причине в цифровых ИС наблюдалась деградация входных диодов. Пороги чувствительности некоторых полупроводниковых приборов и ИС приведены в табл.4.
Большие разбросы по порогу чувствительности объясняются зависимостью последнего от размеров испытуемых элементов устройства, его конструкции и технологии изготовления, выбора параметров, характеризующих годность прибора, и от величин последних. Подобные испытания позволяют отбирать более надежные конструктивно-технологические решения. Так, при исследовании двух модификаций цифровых биполярных ИС транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) - с изоляцией р-n-переходом (серия 133) и оксидом (серия 106) - выяснилось, что схемы с диэлектрической изоляцией обладают большей стойкостью к разрядам (табл.5). Удается найти слабые места и в сложной радиоэлектронной аппаратуре. Остановимся на одном, близком всем, примере.
Почему ломаются видеомагнитофоны?
В процессе производства и эксплуатации бытовых видеомагнитофонов “Электроника ВМ-12” выяснилось, что одна из причин выхода их из строя - поломка блока “ТАЙМЕР” (Т) при воздействии разряда. При этом происходит сбой или погасание временного индикатора. Когда стали проверять установленные в блоке полупроводниковые устройства, обнаружились пробой переходов диодов, транзисторов и ИС, перегорание и испарение металлизации на кристалле, а также изменение электрических параметров. Встал вопрос, какой по величине потенциал приводит к параметрическим и катастрофическим отказам составляющих блока Т.
Блок Т выполнен на базе микроЭВМ (БИС типа КР1005ВИ1) и содержит еще 15 диодов, шесть транзисторов и одну гибридную ИС. Испытания осуществлялись по программе, включающей воздействие на каждое изделие блока Т пяти разрядов как положительной, так и отрицательной полярности при различных значениях напряжения (табл.6).
Потенциалы, при которых начинались заметные изменения вольтамперных характеристик (ВАХ), имеют значительно меньшие величины, чем потенциалы, приводящие к катастрофическим отказам приборов. Наиболее чувствительным к разряду элементом блока Т оказалась БИС типа КР1005ВИ1. Потенциалы статического заряда +500 В и -700 В относительно “земляного” вывода ИС способны приводить к существенному изменению ВАХ. Под действием разряда порядка 1000 В независимо от знака практически любой р-n-переход БИС может быть выведен из строя.
Рис. 6. Зависимость количества разрядных импульсов, приводящих к катастрофическим отказам БИС типа КР1005ВИ1, от напряжения разряда.
Анализ многократных воздействий разрядов показал (рис.6), что схема, случается, успешно выдерживает одно или несколько воздействий разрядов и отказывает при следующем воздействии. Таким образом, для ИС данного типа опасность представляет не только однократное действие больших потенциалов, но и многократное - низких.
Но не все компоненты блока Т столь нежны. На рис.7 показаны типичные ВАХ полупроводниковых изделий блока Т до и после воздействия разряда. Хотя характеристики элементов после воздействия отличаются от первоначальных, определилась группа устройств, наиболее устойчивых к воздействию ЭСР: стабилитроны Д814А, КС201Г, КС409А, диод КД522Б. Перечисленные приборы вывести из строя в процессе эксперимента не удалось вплоть до подачи потенциала величиной 12 кВ..
Рис. 7. Вольтамперные характеристики диода КД522Д (а) и БИС типа КР1005ВИ1 (б):
1 - до воздействия разряда; 2, 3 - после воздействия (кривая 3 соответствует более сильному воздействию).
Линии обороны
В принципе 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 [5].
Первые два способа отнесем 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.8 приведен пример схемы защищенного рабочего места.
Рис. 8. 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.
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 (табл.3), 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.
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 [6].
* * *
Итак, электростатическая защита полупроводниковых устройств необходима, ее надо тщательно планировать и эффективно реализовывать. Тогда дорогостоящая радиоэлектронная аппаратура будет надежно и долго служить.
Список литературы
1. Горлов М.И., Андреев А.В., Воронцов И.В. Воздействие электростатических зарядов на изделия полупроводниковой электроники и радиоэлектронную аппаратуру. Воронеж, 1997.
2. Хорват Т., Берта И. Нейтрализация статического электричества / Пер. с англ. М., 1987.
3. Сигунова А.В. // Радиотехника за рубежом. 1981. Вып.18. С.1-11.
4. Горлов М.И., Емельянов А.В., Плебанович В.И. Электростатические заряды в электронике. Минск, 2006.
5. Грошева Г.Д. Защита полупроводниковых приборов и интегральных схем от статического электричества // Обзоры по электронной технике. Сер.2. Полупроводниковые приборы. 1980. Вып.4.
6. Вольдман С. Громоотводы для наноэлектроники // В мире науки. Февраль 2003. С.61-67.
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://vivovoco.rsl.ru