Descărcări electrostatice

Istoric

Pentru multe persoane, electricitatea statică este puţin mai mult decât şocul suferit atunci când ating un maner metalic după ce au mers de-a lungul unei camere mochetate sau au alunecat de-a lungul unui scaun de maşină. Oricum, electricitatea statică a fost o problemă serioasă în industrie de-a lungul secolelor.

Vârsta electrotehnicii a adus cu ea noi probleme asociate cu electricitatea statică şi descărcări electrice. Odată cu devenirea electronicelor mai rapide şi mai mici, sensibilitatea lor la ESD a crescut. Astăzi, ESD influienţează produtivitatea şi fiabilitatea produselor înaproximativ toate aspectele mediului actual al electrotehnicii. Multe aspecte ale controlului electrostatic din industria electrotehnică se aplică de asemenea în alte industrii precum aplicaţii „clean room” şi artă grafică.

În ciuda marilor eforturi făcute în ultimul deceniu, ESD încă afectează randamentul producţiei, costurile de fabricaţie, calitatea produselor, fiabilitatea produselor şi profitabilitatea.

Descărcarea electrostatică (ESD) este curentul electric subit şi momentan care urmează între două obiecte ce au un diferit potenţial electric cauzat de contactul direct sau indus de un câmp electrostatic. Termenul este frecvent utilizat în electrotehnică sau alte industrii pentru a descrie curenţi momentani nedoriţi care pot cauza daune echipamentelor electronice.

ESD este o problemă serioasă în circuitele integrate. Circuitele integrate sunt compuse din materiale semiconductoare precum silicon şi materiale izolatoare precum dioxid de silicon. Oricare dintre aceste materiale pot suferi daune permanente când sunt supuse la tensiuni înalte, ca rezultat existând în prezent un număr de dispozitive antistatice care previn acumularea de energie statică.

Electricitatea statică

Electricitatea statică este definită ca o sarcină electrică cauzată de un dezechilibru de electroni pe suprafaţa materialelor. Acest dezechilibru de electroni produce un câmp electric care poate fi măsurat şi care poate influienţa alte obiecte aflate la distanţă. Descărcarea electrostatică este definită ca transferul de sarcină între corpuri la un diferit potenţial electric.

Descărcarea electrostatică poate schimba caracteristicile electrice ale unui aparat semiconductor, degradându-l sau distrugându-l. Aceasta poate de asemenea răsturna funcţionarea normală a unui sistem electronic, cauzând defecţiunea echipamentului sau cedarea acestuia. O altă problemă cauzată de electricitatea statică se produce în „clean rooms”. Suprafetele cu sarcină pot atrage sau ţine contaminanţi, făcând îndepărtarea din mediu dificilă. Când sunt atrase de circuitul unui aparat electric, aceste particule pot cauza defectări aleatorii şi reduc randamentul produsului.

Controlarea descărcării electrostatice începe cu înţelegerea modului în care sarcina electrică are loc în primă instanţă. Sarcina electrostatică este cel mai frecvent creată de contactul şi separarea a două materiale. De exemplu, o persoană ce merge de-a lungul unei podele generează electricitatea statică la contactul tălpii papucului şi apoi la separarea de suprafaţa podelei. Un dispozitiv electronic ce alunecă în sau în afara unei pungi, reviste sau tub generează o sarcină electrică în timp ce carcasa şi metalul condus face multiple contacte şi separări cu suprafaşa containerului. În timp ce mărimea sarcinii electrostatice poate fi diferită în aceste exemple,electricitatea statică este întradevăr generată.

Crearea sarcinii electrostatice prin contactul şi separarea materialelor este cunoscută ca „sarcină triboelectrică”. Aceasta implică transferul electronilor între materiale. Atomii unui material ce nu are sarcină statică are un număr egal de protoni pozitivi (+) în nucleu şi elentroni negativi (-) ce orbitează nucleul. În figura 1. Materialul „A” constă în atomi cu numere egale de protoni şi electroni. Materialul „B” constă de asemenea în atomi cu numere egale (deşi posibil diferite) de protoni şi electroni. Ambele materiale sunt neutre electric.

Când cele două materiale se pun în contact şi apoi se separă , electroni încărcaţi negativ sunt transferaţi de la suprafaţa unui material pe suprafaţa celuilalt.Care material va pierde şi care va câştiga electroni va depinde de natura materialelor. Materialul care pierde electroni devine încărcat pozitiv, în timp ce materialul ce câştigă electroni este încărcat negativ. Acest lucru este arătat în figura 2.

Electricitatea statică este măsurată în coulombi. Sarcina „q” a unui obiect este determinată de capacitatea obiectului „C” şi de voltajul potenţial de pe obiect (V):

q =CxV

Uzual, vorbim despre potenţialul electrostatic de pe un obiect, care este expimat în voltaj.

Acest proces de contact al materialelor, transfer de electroni şi separare este de fapt un proces mult mai complex decât este descris aici. Cantitatea de sarcină creată de generarea triboelectrică este afectată de suprafaţa de contact, viteza separării, umiditatea relativă şi alşi factori. Odată ce sarcina este creată pe material, aceasta devine o sarcină „electrostatică” (dacă rămâne pe material ). Această sarcină poate fi transferată de pe material, creând o descărcare electrostatică sau ESD. Factori suplimentari precum rezistenţa reală a circuitului de descărcare şi rezistenţa contactului la interfaţa dintre suprafeţele de contact de asemenea afectează sarcina reală care poate promova daune.