متنوع

ما هو التفريغ الكهروستاتيكي: أساسيات البيئة والتنمية المستدامة

ما هو التفريغ الكهروستاتيكي: أساسيات البيئة والتنمية المستدامة

يعتبر التفريغ الكهروستاتيكي أو ESD حقيقة من حقائق الحياة اليومية وله أهمية خاصة في صناعة الإلكترونيات هذه الأيام.

منذ سنوات عندما تم استخدام الصمامات الحرارية / الأنابيب المفرغة ، لم تكن هذه مشكلة ، وحتى مع إدخال الترانزستورات ، اعتبرها القليلون مشكلة. ومع ذلك ، عندما تم إدخال MOSFETs ، ارتفعت معدلات فشلها ، وتم التحقيق في المشكلة ووجد أن التراكم الثابت كان كافياً لإحداث فشل طبقة الأكسيد في الجهاز.

منذ ذلك الحين ، ازداد الوعي حول البيئة والتنمية المستدامة بشكل كبير لأنه ثبت أن له تأثير على العديد من الأجهزة. في الواقع ، يعتبر العديد من الشركات المصنعة اليوم أن جميع المكونات حساسة للكهرباء الساكنة ، وليس فقط أجهزة MOS الأكثر عرضة للتلف.

نتيجة للأهمية التي تعلق على مصنعي ESD للمعدات الإلكترونية ، ينفقون عدة آلاف من الجنيهات لضمان حماية أماكن عملهم من تأثيرات الكهرباء الساكنة. إنهم يضمنون أن المنتجات التي يصنعونها لا تحتوي على معدلات فشل عالية أثناء اختبار التصنيع ، ويمكنهم إثبات موثوقية عالية على مدار فترة زمنية طويلة.

ما هو ESD؟

الثابت هو ببساطة تراكم الشحن بين سطحين. ينشأ عندما تحتك الأسطح ببعضها وينتج عن ذلك زيادة في الإلكترونات على أحد الأسطح ونقص في السطح الآخر.

يمكن اعتبار الأسطح التي تتراكم عليها الشحنة بمثابة مكثف. ستبقى الشحنة في مكانها ما لم يكن لها مسار يمكن أن تتدفق من خلاله. نظرًا لعدم وجود مسار حقيقي في كثير من الأحيان يمكن للشحنة أن تتدفق من خلاله ، فقد يظل الجهد الناتج في مكانه لبعض الوقت وهذا يؤدي إلى ظهور مصطلح "الكهرباء الساكنة".

ومع ذلك ، عند وجود مسار التوصيل ، سيتدفق التيار وسيتم تقليل الشحنة. هناك ثابت زمني مرتبط بالتفريغ. ستعني المقاومة العالية أن تيارًا أصغر سوف يتدفق لفترة أطول. ستؤدي المقاومة المنخفضة إلى تفريغ أسرع بكثير.

من الواضح أن مستويات الجهد والتيار التي يتم إنتاجها تعتمد على مجموعة كبيرة ومتنوعة من العوامل. حجم الشخص ، ومستوى النشاط ، والشيء الذي يتم على أساسه التفريغ ، وبالطبع رطوبة الهواء. كل هذه لها تأثير واضح لذلك يكاد يكون من المستحيل التنبؤ بحجم التفريغ الدقيق الذي سيحدث.

ومع ذلك ، فإن أحد العوامل الرئيسية التي تؤثر على الفولتية التي يتم إنتاجها هو أنواع المواد التي يتم فركها معًا. لقد وجد أن المواد المختلفة تعطي جهدًا مختلفًا. يعتمد الجهد الناتج على موضع المادتين في سلسلة تعرف باسم سلسلة Tribo-electric.

سلسلة Tribo-electric

كلما تباعدوا عن بعضهم البعض في السلسلة ، زاد الجهد الكهربائي. الشحنة الأعلى في السلسلة ستتلقى شحنة موجبة ، والشحنة السفلية أقل شحنة سالبة. بالنظر إلى قائمة سلسلة Tribo-electric أدناه ، يمكن ملاحظة أن تمشيط الشعر بمشط بلاستيكي سيؤدي إلى شحنة موجبة على الشعر ، وسيصبح المشط سالبًا.

سلسلة تريبو الكهربائية

شحنة موجبة
بشرة
شعر
صوف
الحرير
ورق
قطن
خشب
ممحاة
رايون
البوليستر
بوليثين
بولي كلوريد الفينيل
تفلون
شحنة سالبة

هناك العديد من الطرق التي يمكن من خلالها تكوين الشحنات. حتى المشي على السجادة يمكن أن يؤدي إلى بعض الفولتية الكبيرة جدًا. قد يؤدي هذا عادةً إلى ظهور إمكانات تبلغ 10 كيلو فولت. في الحالات السيئة ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى إمكانات تبلغ ثلاثة أضعاف هذه القيمة. حتى فعل المشي على أرضية من الفينيل قد يؤدي إلى توليد إمكانات تبلغ حوالي 5 كيلو فولت. في الواقع ، فإن أي شكل من أشكال الحركة حيث يتم فرك الأسطح معًا سيؤدي إلى توليد الكهرباء الساكنة. يمكن لأي شخص يعمل على مقعد باستخدام مكونات إلكترونية أن يولد بسهولة إمكانات ثابتة تبلغ 500 فولت أو أكثر.


أمثلة عملية من التعليم من أجل التنمية المستدامة

أحد الأمثلة الأكثر شيوعًا لتوليد الشحن هو المشي عبر الغرفة. حتى هذا الحدث اليومي يمكن أن يولد بعض الفولتية العالية بشكل مدهش. تختلف الفولتية الفعلية اعتمادًا على مجموعة متنوعة من العوامل ، ولكن يمكن إعطاء تقديرات لتوضيح مدى المشكلة.

لتوضيح حجم المشكلة ، تم تفصيل مجموعة متنوعة من الحالات في الجدول أدناه:


الفولتية على الأرجح ESD الناجمة عن الأعمال اليومية
سبب توليد الشحنالجهد المتولد المحتمل (kV) *
يمشي عبر سجادة30
التقاط كيس بوليثين20
المشي على سطح بلاط الفينيل15
العمل على مقاعد البدلاء5

* هذه أرقام تقريبية وتفترض رطوبة نسبية تصل إلى 25٪. مع ارتفاع الرطوبة ، تنخفض هذه المستويات: مع رطوبة حوالي 75٪ ، يمكن أن تنخفض المستويات الساكنة بعامل للغاية ما يقرب من 25 أو أكثر. كل هذه الأرقام تقريبية للغاية ، لأنها تعتمد بشكل كبير على الظروف الخاصة ، ولكنها تعطي دليلًا لترتيب الحجم لمستويات ESD المتوقعة.

على الرغم من أن الناتج عن ESD يبدو مرتفعًا جدًا ، إلا أنه عادة ما يمر دون أن يلاحظه أحد. أصغر تفريغ كهربائي يمكن الشعور به هو حوالي 5 كيلوفولت ، وحتى في هذه الحالة ، يمكن الشعور بهذا الحجم من التفريغ في المناسبات فقط. والسبب هو أنه على الرغم من أن تيارات الذروة الناتجة قد تكون عالية جدًا ، إلا أنها تدوم فقط لفترة قصيرة جدًا ولا يكتشفها الجسم لأن الشحنة خلفها صغيرة نسبيًا. الفولتية بهذا الحجم من المعدات الإلكترونية أو الكهربائية حيث يمكن أن يكون مصدر التيار أكثر ولفترة أطول سيكون لها تأثير أكبر بكثير ويمكن أن تكون خطيرة للغاية.


نقل ثابت

هناك عدة طرق يمكن من خلالها نقل الشحنات الاستاتيكية إلى أجهزة أشباه الموصلات مما يؤدي إلى تلف من التفريغ الكهروستاتيكي. الأكثر وضوحًا هو عندما يتم لمسها بواسطة عنصر مشحون وموصل. من المحتمل أن يكون المثال الأكثر وضوحًا على ذلك يحدث عندما يكون أحد أشباه الموصلات على طاولة العمل ويمشي شخص ما عبر الأرضية لبناء شحنة ثم يلتقطها.

ثم ينقل الإصبع المشحون الشحنة الساكنة بسرعة كبيرة إلى أشباه الموصلات مع احتمال حدوث تلف. يمكن أن تكون الأدوات أكثر ضررًا. تعتبر مفكات البراغي المعدنية أكثر قدرة على التوصيل وستقوم بنقل الشحنة بشكل أسرع وهذا يؤدي إلى مستويات أعلى من تيار الذروة.

ومع ذلك ، ليس من الضروري لمس المكونات لإلحاق الضرر بها. تحمل عناصر مثل الأكواب البلاستيكية شحنة عالية جدًا ، ويمكن أن يؤدي وضع أحدها بالقرب من IC إلى "تحفيز" شحنة معاكسة في IC. يمكن أن يؤدي هذا أيضًا إلى إتلاف جهاز أشباه الموصلات. تشكل الروابط المصنوعة من الألياف الاصطناعية أيضًا خطرًا على البيئة والتنمية المستدامة لأنها يمكن أن تشحن وتعلق بسهولة بالقرب من المعدات الإلكترونية الحساسة.

آليات فشل ESD

هناك عدد من الطرق التي يمكن من خلالها أن يتلف ESD مكونات أشباه الموصلات. تظهر النتائج الأكثر وضوحًا من الجهد الساكن المرتفع جدًا ، مما يؤدي إلى ارتفاع مستويات تيار الذروة التي يمكن أن تسبب احتراقًا محليًا. على الرغم من أن التيار يتدفق لفترة قصيرة جدًا من الوقت ، فإن أحجام الميزة الدقيقة في الدائرة المتكاملة تعني أن الضرر يحدث بسهولة شديدة. يمكن دمج روابط الأسلاك المترابطة أو المناطق الموجودة في الشريحة نفسها بواسطة تيار الذروة العالي.

هناك طريقة أخرى يمكن أن يحدث بها الضرر نتيجة التفريغ الكهروستاتيكي وهي عندما يتسبب المستوى العالي للجهد في حدوث انهيار في أحد المكونات في الجهاز نفسه. قد يؤدي إلى تحطيم طبقة أكسيد في الجهاز مما يجعل الجهاز غير صالح للعمل. مع وجود أبعاد في بعض الدوائر المتكاملة أقل بكثير من الميكرون ، فليس من المستغرب أنه حتى الفولتية المنخفضة نسبيًا يمكن أن تسبب انهيارًا.

في حين أن التلف الناتج عن ESD يمكن أن يدمر الأجهزة على الفور ، فمن الممكن أيضًا لها إنشاء ما يسمى بالفشل الكامن. يحدث هذا لأن ESD لا يدمر الجهاز تمامًا ، ولكن الضرر الذي تسببه يضعف فقط ، مما يعرضه لخطر الفشل لاحقًا في حياته. لا يمكن عادة اكتشاف هذه العيوب الكامنة. والنتيجة هي أن المستوى العام للاعتمادية قد انخفض بشكل كبير ، أو (أكثر في حالة الأجهزة التماثلية) قد يتدهور الأداء. يمكن أن تكون حالات الفشل الكامنة التي تسببها ESD مكلفة للغاية لأن الإصلاح أثناء وجود عنصر في الخدمة يكون أكثر تكلفة بكثير من إصلاح عنصر فشل في المصنع. والسبب في ذلك هو أن فني الإصلاح يحتاج عادةً إلى إصلاح العنصر في الموقع ، أو يحتاج إلى شحنه إلى منشأة إصلاح.

قد تحدث حالات فشل كامنة عندما يتم دمج التوصيل البيني جزئيًا بواسطة ESD. غالبًا ما يتم تدمير جزء من الموصل بسبب التفريغ الساكن مما يجعله عرضة للخطر لاحقًا. هناك طريقة أخرى تتلف بها الرقائق وهي عندما تنتشر المادة الناتجة عن التلف على سطح أشباه الموصلات ، وقد ينتج عن ذلك مسارات توصيل بديلة.

نتيجة لحقيقة أن المكونات يمكن أن تتلف بسهولة بواسطة ESD ، فإن معظم الشركات المصنعة تتعامل مع جميع أشباه الموصلات كأجهزة حساسة للكهرباء الساكنة ، وإلى جانب هذا العديد من الأجهزة تتعامل مع جميع الأجهزة بما في ذلك المكونات السلبية مثل المكثفات والمقاومات باعتبارها حساسة للكهرباء الساكنة أيضًا. عند النظر إلى هذا ، يجب أن نتذكر أن معظم قطع المعدات التي يتم إنتاجها بكميات كبيرة اليوم تستخدم مكونات مثبتة على السطح حيث تكون الأبعاد أصغر بكثير من المكونات التقليدية وهذا يجعلها أكثر عرضة للتلف من ESD.


شاهد الفيديو: الأسبوع الاقتصادي الجزء 1. المغرب: نموذج للتنمية المستدامة في خدمة البيئة (ديسمبر 2021).