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.