Статическое электричество и полупроводниковая электроника
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).
