ГОСТ Р 53734.1-2014 (МЭК 61340-1:2012). Национальный стандарт Российской Федерации. Электростатика. Часть 1. Электростатические явления. Физические основы, прикладные задачи и методы измерения

5. Проблемы и опасные проявления статического электричества

 

5.1 Общие положения

Электростатический разряд (ЭСР) различают по типу и по воздействию, поскольку причины электростатических проблем могут быть различными и определяться их природой. Разряды между металлическими структурами, искровые и поверхностные кистевые разряды наиболее опасны. Разряды с наэлектризованных объектов из изолирующих материалов также могут представлять опасность и могут быть источником зажигания огнеопасных газовых смесей или причиной нанесения ущерба электронным компонентам. Пробой изолирующих слоев полупроводникового устройства может произойти при напряжении менее 50 В, а для других повреждений, таких как плавление материала полупроводника, требуется энергия всего в несколько микроджоулей. Заряд жидкости или твердого объекта создает проблему при разряде на другое тело или на землю.

В хирургических отделениях или при производстве фармацевтических препаратов важно соблюдать особые требования по соблюдению чистоты. При этом может возникнуть проблема контроля заряжения частиц.

5.2 Электронные компоненты и системы

5.2.1 Общие положения

ЭСР - серьезная угроза для электронных компонентов и систем. Диапазон чувствительности электронных компонентов к воздействию ЭСР широк. Наиболее чувствительными являются, например, полупроводники, считывающие (MR) головки и тонкие пленочные резисторы.

Из-за высокой чувствительности предполагают, что все типы электростатических разрядов могут повреждать чувствительные электронные компоненты.

5.2.2 Типы повреждений

Повреждение от ЭСР может привести к катастрофическому отказу и скрытым дефектам.

Катастрофическое повреждение может привести к отказу или дефекту компонента и вызывать прекращение функционирования компонента или системы или несоответствие предъявляемым к ним требованиям.

У компонента со скрытым дефектом могут возникнуть изменения характеристик, которые не обязательно выйдут за пределы нормативных допусков. Однако это может быть следствием ослабленного воздействия ЭСР. Компонент со скрытым дефектом может быть более восприимчив к последующим разрядам или любому другому воздействию напряжения. И вследствие этого увеличится вероятность сокращения его срока службы.

Неявные последствия воздействия разрядов на программируемый компонент (на компонент, задействованный в программе) или воздействия электрических помех, возникающих при разряде, могут проявиться в форме искажения хранящихся данных. Ложный сигнал может появиться из-за наложения наводимых токов или электромагнитных излучений, источником которых служит разряд статического электричества.

Уровень повреждения компонента в зависимости от типа механизма повреждения определяется или напряжением, или мощностью. Различные типы компонентов и полупроводника восприимчивы к различным видам механизмов повреждения.

Компонентами, особо чувствительными к пробою изоляции, являются например, полевые транзисторы (дискретный пробой оксидного затвора), интегральные микросхемы с полной металлизацией и конденсаторы. Типичными видами отказов являются короткие замыкания и или возрастание тока утечки (изменение вольтамперной характеристики).

Примеры компонентов, особенно восприимчивых к повреждению металлизации, включают СВЧ-транзисторы и интегральные микросхемы. Типичный вид отказа - обрыв цепи.

Поскольку все эти механизмы повреждения зависят от геометрического размера диэлектрического слоя, другого слоя изоляции, ширины и толщины металлизации и т.д., предполагается, что со временем проявляется тенденция увеличения чувствительности полупроводников к воздействию ЭСР. Однако для некоторых типов компонентов улучшение защищенности цепей от их воздействия обеспечивается их изготовлением в булавочном формате, что снижает их чувствительность к ЭСР.

5.2.3 Проблемы и угрозы на различных этапах жизненного цикла

Все электронные системы в процессе применения уязвимы для ЭСР. Прямое поражение сильным разрядом любой части системы может создать токи, не протекающие непосредственно в землю.

Даже разряд вблизи системы может повредить ее. Разряд излучает электромагнитное поле, способное инициировать токи в системе. Эти токи могут быть разрушительными или приводить к "скрытым дефектам", например, к искажению информации спровоцированными импульсами. Программирование определенных компонентов может быть также безвозвратно искажено.

Электростатический разряд может произойти на кабель, расположенное далеко от системы, и волна перенапряжения (импульс высокого напряжения) может проникнуть в систему.

Во время изготовления электронных устройств обработка чувствительных электронных компонентов и сборка должны быть очень деликатны. В окружающей среде рабочего места есть много угроз электронике: заряженные операторы, одежда, незаземленные узлы механизмов, пластиковая упаковка и мусорные ведра, пластмассовые компоненты, и т.д. Наиболее разрушителен искровой разряд. Такой разряд может произойти при соприкосновении с печатной платой наэлектризовавшегося оператора.

Заряд самого компонента также может вызвать повреждения. Заключенный в пластмассовую капсулу полупроводник легко заряжается при трении о ее поверхность, например, об уплотнитель или пластиковый пакет. Этот заряд на пластмассовой поверхности капсулы индуцирует напряжение на проводниках полупроводника и на его соединениях (на вводах и выводах). При соприкосновении соединений компонента или компонента с металлическим инструментом, или пальцем происходит разряд. Поскольку емкость этих объектов мала и емкость инструмента или пальца оператора намного больше, разряд происходит очень быстро и вызывает протекание сильного тока. Даже если разряжается очень низкая энергия, для очень мелких элементов цепи ток может быть разрушительным.

В процессе производства компонентов возникают и другие проблемы, связанные с электростатическим заряжением. Полупроводники в процессе производства должны быть чрезвычайно чистыми и поверхность должна быть защищена. Если полупроводник заряжен, он притягивает пыль из воздуха. Та же самая проблема существует и в отношении других деталей электроники, например, в связи с загрязнением дисков, дисководов и электронной оптики.

Уровень, на котором компонент поврежден ЭСР, зависит от дизайна компонента и характеристик разряда. Могут возникать различные условия возникновения разрядов, но в качестве представительных, даже если они не перекрывают все возможные влияющие на разряд обстоятельства, выделены три типа моделей: модель человеческого тела (МЧТ), модель механического устройства (ММ) и модель заряженного устройства (МЗУ). Модели используют, чтобы определить максимальное значение напряжения, которое, будучи реализованным, не нанесет ущерба испытываемому компоненту.

5.3 Опасность зажигания от статического электричества

5.3.1 Общие положения

Разряды статического электричества могут зажигать горючие газы, пыль, пары или аэрозоли. Зажигание вызывает сильно нагревающийся канал разряда.

5.3.2 Искровые разряды с электропроводящих объектов

Приблизительное вычисление энергии искрового разряда может быть сделано, например, для незаземленного металлического барабана, заполненного продуктом размола.

Пример - В этом случае зарядный ток I мог бы быть равен 10^-7 А. Сопротивление земле барабана R могло быть 10¹¹ Ом и емкостью приблизительно 50 пФ. Тогда возможное максимальное напряжение на барабане V_max приблизительно через 15 с загрузки равно:

 

V_max = I·R = 10 кВ

 

Максимальная энергия, W, реализованная при искровом разряде равна:

 

 

Крутизна переднего фронта, амплитуда и продолжительность импульса разрядного тока при разряде - важные факторы, влияющие на уровень опасности. Высокая крутизна переднего фронта и амплитуда импульса тока определяет адиабатичность теплопередачи, наиболее способствующей зажиганию газовоздушной смеси. Наоборот, более длительная продолжительность разряда, иногда приводит к увеличению вероятности зажигания пылевоздушной смеси. Включения высокого импеданса в цепь разрядного тока достаточно, чтобы уменьшить ток разряда и увеличить его продолжительность, что может снизить потенциальную опасность зажигания большинства огнеопасных смесей.

5.3.3 Коронные разряды с электропроводящих объектов

Плотность энергии в разряде намного меньше, чем в искре, и по этой причине коронные разряды обычно не способны стать источником зажигания. Однако, при определенных обстоятельствах, например, если происходит увеличение потенциала заостренного проводника, корона может перейти в искру между этим проводником и другим, способствующим образованию искрового разрядного промежутка.

5.3.4 Кистевые разряды с изолирующих поверхностей

Если энергии вполне достаточно, кистевые разряды могут зажигать большинство взрывоопасных газов и паров. Зажигающая способность зависит от полярности разрядов и конфигурации электродов. Пока еще нет уверенности в том, что кистевые разряды способны зажигать пылевоздушные смеси.

5.3.5 Скользящие кистевые разряды с изолирующих поверхностей

Для возникновения скользящих кистевых разрядов требуется высокая поверхностная плотность зарядов, которая обычно формируется там, где частицы сыпучих материалов взаимодействуют со стенками или покрытиями с высоким удельным сопротивлением, например, при пневмотранспорте сыпучих материалов по трубам из материалов с высоким удельным сопротивлением или по металлическим трубам с покрытиями из таких материалов. Скользящие кистевые разряды наблюдались, когда проводящие жидкости пульсировали (импульсно прокачивались) по шлангам из изолирующих материалов с сухой (наружной) поверхностью. В других случаях при определенных обстоятельствах значительное трение может происходить между упакованным продуктом и упаковкой. Высокая поверхностная плотность зарядов может также стать результатом осаждения ионов на стенках или покрытиях с высоким удельным сопротивлением. Большое количество ионов может проявляться в производственных условиях, например, во время увеличения объемной плотности зарядов (при уплотнении в процессе осаждения) сыпучих материалов с высоким удельным сопротивлением. Такие разряды не возникают в слоях сыпучих материалов.

Судить о зажигающей способности скользящих кистевых разрядов можно, поскольку в каждом отдельном разряде реализуется большая часть заряда и запасенную энергию можно сравнить с минимальной энергией зажигания (МЭЗ) данного порошкообразного продукта. Разряды с такой энергией при непосредственном воздействии на электронные системы или устройства могут приводить к катастрофическим последствиям. Следует отметить, что разряд на землю через человека при такой энергии оказывает на него значительное физиологическое воздействие и представляет опасность.

5.3.6 Разряды с тела человека

Заряды на теле человека обычно вызывают опасность. Человек, изолированный от земли, может легко наэлектризоваться и оставаться в заряженном состоянии. Изоляция от земли может обеспечиваться напольным покрытием или подошвами обуви, выполненными из изоляционного материала. Существует много механизмов, обеспечивающих электризацию человека: для этого достаточно походить по полу, подняться с сиденья, снять одежду, воспользоваться пластмассовыми изделиями, слить жидкость или собрать заряженный материал в емкость, или постоять в поле заряженного объекта, например, приводного ремня или изолирующей упаковки.

Если электростатически заряженный человек коснется электропроводящего объекта (например, ручки двери, перил, и т.д.), то произойдет искровой разряд. Такие разряды могут быть незаметными или неслышимыми и даже не ощутимыми человеком.

Потенциал 3 кВ на характерной для тела человека емкости в 200 пФ соответствует запасенной энергии 0,9 мДж. Искровой разряд с человека при таком значении энергии способны зажечь газы (МЭЗ смеси водород/воздух - 0,02 мДж), пары (МЭЗ смеси углеводород/воздух - 0,2 мДж) и даже некоторые пыли (менее 1 мДж). И, конечно, такие разряды способны повредить незащищенные электронные устройства.

5.3.7 Зажигающая способность электростатических разрядов

5.3.7.1 Общие положения

Если в опасных зонах могут возникать разряды статического электричества, то следует учесть их способность зажигать взрывоопасную среду, в которой они возникают.

5.3.7.2 Искровые разряды

Опасность зажигания искровым разрядом можно оценить путем сравнения затраченной при разряде энергии с МЭЗ среды, в которой разряд происходит (см. 5.3.2).

5.3.7.3 Коронные разряды

Плотность энергии при таких разрядах обычно не достаточна для зажигания (см. 5.3.3).

5.3.7.4 Кистевые разряды

Пока нет еще никаких доказательств, свидетельствующих том, что даже самая чувствительная пыль (кроме инициирующих взрывчатых веществ) может быть зажжена кистевыми разрядами. Теоретически, при этом, такую возможность нельзя отрицать, потому что эквивалентная энергия кистевых разрядов может быть до 4 мДж (см. 5.3.4).

Огнеопасные газы и пары могут быть зажжены кистевыми разрядами.

Оценка вероятности появления кистевых разрядов, способных вызвать зажигание газа или пара, может быть сделана по значениям величины заряда в единичных импульсах разрядного тока при кистевом разряде.

Минимальные значения заряда в единичных импульсах разрядного тока при кистевом разряде, способные вызвать зажигание газов и паров различных групп взрывоопасное, оцениваются как:

- 60 нКл - для групп взрывоопасное I или IIA;

- 30 нКл - для групп взрывоопасное IIB;

- 10 нКл - для групп взрывоопасное IIC.

Дополнительная информация о группах взрывоопасности - по ГОСТ IEC 60079-10-1 и ГОСТ IEC 60079-10-2.

Для регистрации кистевых разрядов, длящихся в течение наносекунд, требуются соответствующие измерительные приборы. На рисунке 4 два примера. Примеры таких устройств - быстродействующие запоминающие осциллографы с высокочастотным шунтирующим резистором. Обычно их полоса пропускания 300 МГц, частота дискретизации >= 1 Гвыб/с.

 

 

4 а) Слабый разряд < 20 нКл

 

 

4 б) Сильный разряд > 60 нКл

 

Рисунок 4 - Примеры форм импульса кистевого разряда

на экране быстродействующего цифрового

запоминающего осциллографа

 

Соотношение между величиной заряда в единичных импульсах разрядного тока при кистевом разряде и вероятностью зажигания не учитывает ни пространственного, ни временного распределению энергии в разряде. Значения заряда в импульсе следует рассматривать как приближение, а не как абсолютную меру безопасности материалов в разнообразных формах их применения.

5.3.7.5 Скользящие кистевые разряды

Очевидно, что скользящие кистевые разряды способны зажигать горючие газы и пары, как и большинство пыли (см. 5.3.5).

5.3.7.6 Конические разряды

Известно, что конические разряды способны зажигать горючие газы и пары. Следует учитывать, что они могут зажигать и некоторые пыли (см. 4.7.6).

5.4 Физиологическое воздействие

Хорошо известно явление, особенно в дни с низкой влажностью воздуха, когда человек электризуется, пройдясь по коврику или поднявшись с сиденья автомобиля, и при прикосновении к электропроводящим объектам ощущает электрический удар.

Уровни восприятия людьми электростатического заряда и ответной реакции приведены в таблице 3.

 

Таблица 3

 

Уровни восприятия людьми электростатического заряда

и ответной реакции при емкости тела в 200 пФ

 

Энергия разряда, мДж	Реакция	Потенциал тела, В
0,1	Разряд ощутим	1000
0,9	Четко ощутим	3000
6,4	Неприятный шок	8000

 

Изолированный человек может зарядиться до высоких значений потенциала, особенно при обращении с сильно заряженными объектами. Примеры таких ситуаций включают:

- процесс заправления постели: покрывала заряжены и человек приобретает индуцированный потенциал, который нейтрализуется при искровом разряде в момент соприкосновения с проводящим объектом;

- упаковку и распаковку в случае применения хорошо электризующихся упаковочных материалов;

- одевание и снимание свитера: свитер сильно заряжен и на человека происходят разряды (кистевые разряды);

- грузовик с изолированными пластмассовыми колесами зарядился при движении, и касание кузова может вызвать неприятный шок.

5.5 Моделирование электростатических разрядов

5.5.1 Общие положения

Разряды статического электричества обычно моделируются простой электрической цепочкой, в которой электростатический заряд накапливается при заряжении емкости конденсатора до определенного напряжения. Когда требуется моделирование разряда, запасенная электростатическая энергия разряжается через электрическую цепь на нагрузку, которой может быть искровой разряд или испытуемое электронное устройство. Разряд обычно характеризуется параметрами, относящимися к форме волны тока, I, хотя запасенная перед разрядом электростатическая энергия также может быть важным параметром. Принципиальная схема устройства для моделирования разрядов статического электричества приведена на рисунке 5.

 

 

Рисунок 5 - Принципиальная схема устройства

для моделирования разрядов статического электричества

 

Эта упрощенная модель цепи позволяет получать для различных целей широкий варьируемый диапазон формы волны, в зависимости от значения емкости C, сопротивления R и индуктивности L. Такие компоненты существуют в любой электрической цепи, хотя практически некоторые из них могут присутствовать как непредусмотренные, но неизбежные "паразитные" компоненты. Во многих цепях малые "паразитные" компоненты могут иметь существенное влияние на конечную моделируемую форму волны, получаемой на выходе.

Получаемый на выходе ток вычисляют по формуле:

 

, (6)

 

где

 

, (7)

 

и

 

. (8)

 

Если - действительное число, то цепь дает униполярную форму волны, как правило, с крутым передним фронтом и последующим длительным экспонентным затуханием.

Если , то цепь критически заглушена и формируется короткий униполярный импульс.

Если - комплексное число, то форма волны - убывающая "циклическая" синусоида.

5.5.2 Емкостные разряды для определения энергии зажигания

Цепи с разряжающейся емкостью обычно применяют при определении энергии зажигания горючих смесей. В типовой схеме, чтобы задать определенную энергию, применяют емкость. Сопротивление цепи R и индуктивность L обычно неконтролируемы и находятся на уровне "паразитных" значений.

Во многих случаях определяемым параметром служит запасенная перед разрядом энергия, а не форма получаемой волны тока разряда. Как правило, форма получаемой волны - убывающая синусоида.

В некоторых случаях в цепь могут быть включены индуктивность, L, или сопротивление R, например, в установках для определения минимальной энергии зажигания пыли, где часто включается индуктивность 1 мГн. Типичные значения представлены в таблице 4.

 

Таблица 4

 

Типовые значения, используемые при моделировании ЭСР

 

Модель	Область применения	R, Ом	C, пФ	L, нГн
Определение энергии зажигания	Зажигание облака пыли	Паразитное значение	5 - 1000	Паразитное значение или 1 мГн
	Зажигание пара	Паразитное значение	5 - 1000	Паразитное значение
Модель Человеческого Тела (МЧТ)	Испытание электронного устройства	1000 - 3000	100 - 300	Паразитное значение
Модель Механического Устройства (ММ)	Испытание электронного устройства	8,5 (типично)	200	0,5 (типично)
Модель Заряженного Устройства (МЗУ)	Испытание электронного устройства	< 10 (типично)	3 - 30 (типично)	< 10 (типично)

 

5.5.3 Модель человеческого тела

Важное значение отводится модели разряда статического электричества, имитирующей разряд с наэлектризованного человека на испытуемое устройство или на систему и называемой моделью человеческого тела (МЧТ). Эта модель обычно используется и для того, чтобы проверить чувствительность к воздействию разрядов статического электричества электронных компонентов и систем в процессе их производства или эксплуатации по ГОСТ Р 53734.3.1. Эту модель также применяют в других ситуациях, где могут возникнуть разряды статического электричества тела человека, например, в оценке чувствительности к зажиганию пиротехнической пыли.

В этом случае емкость C выбирают такой, чтобы быть типичной для диапазона значений человеческого тела. Сопротивление R включено в цепь, но индуктивность L остается в пределах неконтролируемых "паразитных" значений. Получаемая волна имеет униполярную форму с крутым передним фронтом и медленно убывающим последующим значением тока. Типичные значения параметров представлены в таблице 4.

5.5.4 Модель механического устройства

Модель применяют при определении чувствительности электронных компонентов к ЭСР с больших металлических объектов, таких как узлы и части машин по ГОСТ Р 53734.3.2. Эту модель называют "модель механического устройства (ММ)".

В этом случае емкость C, индуктивность L и форма получаемой волны обычно заданы. Типичная форма волны - циклическая синусоида заданной частоты, длительности и амплитуды. Типичные значения параметров представлены в таблице 4.

5.5.5 Модель заряженного устройства

Модель заряженного устройства (МЗУ) моделирует ситуацию, когда ЭСР происходят при сближении небольшого наэлектризованного устройства или объекта с заземленной поверхностью. Модель применяют при испытании чувствительности электронных устройств к воздействию ЭСР. Как правило, в устройстве применена малая емкость, а индуктивность L и сопротивление R ограничены на уровне "паразитных" значений. Модель обычно формирует волну, характерную для очень короткого и быстро протекающего униполярного разряда. Типичные значения параметров представлены в таблице 4.