تخلیۀ الکترواستاتیک (الکتریسیتۀ ساکن، ایستا برق، شوک ساکن)[1]

احتمالاً برای شما هم پیش آمده باشد که وقتی با کفش­ های ورزشی خود بر روی فرشی راه می­ روید و بعد دست خود را با فلزی تماس می­ دهید احساس شوک می­ کنید. در این فرایند چه رخ داده است؟ در واقع، این عمل همان تخلیۀ بار الکتریکی ساکن (electrostatic discharge) است که به طور اختصاری آن را ESD می ­نامند که همان انتقال الکترون است. علم الکترواستاتیک با نام ­های دیگر الکتریسیتۀ ساکن و یا ایستا برق نیز شناخته می­ شود. این فرایند ESD اگرچه ساده به نظر می­ رسد اما اثرات قابل ملاحظه­ ای در الکترونیک، میکروالکترونیک و نانوالکترونیک و به طور کلی در هر صنعتی که از ادوات الکترونیکی استفاده شود، دارد. در بسیاری از صنایع همین فرایند کوچک می­ تواند سبب انفجار و رخ دادهای بزرگی شود که هم از لحاظ مالی و هم جانی آن صنعت را تحت تاثیر قرار دهد. در کنار ESD، رخ دادهای دیگری مانند استرس بیش از حد الکتریکی (EOS)، تداخل الکترومغناطیس (EMI) و الکترومغناطیس سازگار (EMC) در هر صنعتی با توجه به کارکرد آن ممکن است به وجود آید که شناسایی و رفع عوامل ایجاد آنها یک ضرورت مهم است. در این مقالۀ کوتاه به بررسی و شناخت پدیدۀ ESD پرداخته خواهد شد.

      هنگامی که دو جسم باردار الکتریکی مانند بدن انسان و یک وسیله الکترونیکی با یکدیگر تماس پیدا می ­کنند، الکتریسیته ساکن تخلیه می­ شود. همانطور که اشاره شد، این پدیده ESD (تخلیه الکترواستاتیک) نامیده می­ شود. ESD تولید شده از بدن انسان می ­تواند در حد چند هزار ولت باشد که همیشه توسط انسان قابل حس کردن نیست. مشکل ESD در ارتباط با ابزارهای الکترونیکی این است که اگرچه انسان انتقال ESD کمتر از 3500 ولت را احساس نمی ­کند، اما اکثر دستگاه­ های الکترونیکی مانند کامپیوتری الکترونیکی به شارژ کمتر از نیمی از این سطح حساس هستند. این پالس ولتاژ بالا، با لمس هر دستگاه الکترونیکی وارد آن می ­شود و در نتیجه مدارهای آی سی داخل آن دچار اختلال می­ شوند یا حتی از بین می­ روند. به منظور جلوگیری از تخریب یک محصول یا سیستم به دلیل نفوذ ESD به دستگاه الکترونیکی، لازم است که قطعۀ متقابلی نصب شوند که ESD را سرکوب یا حذف می ­کنند. این نکته نیز هائز اهمیت است که همین ولتاژ غیر قابل لمس توسط انسان می­تواند اثرات مضری بر سلامت هر موجود زنده­ای داشته باشد که در مقالۀ https://ntp-electronic.com/ArticleCategory/%D8%A7%D8%AB%D8%B1-%D8%AA%D8%AE%D9%84%DB%8C%DB%80-%D8%A8%D8%A7%D8%B1-%D8%B3%D8%A7%DA%A9%D9%86-%D8%A8%D8%B1-%D8%B3%D9%84%D8%A7%D9%85%D8%AA-%D8%A8%D8%AF%D9%86 مورد بررسی قرار گرفته است.

مهمترین مواردی که منجر به تخلیه الکترواستاتیک (ESD) می­شوند عبارتند از:

● تماس با انسان: هنگامی که شخصی با یک قطعه یا ابزار الکتریکی تماس می گیرد، ممکن است الکتریسیته ساکن به دلیل اصطکاک بین پوست، لباس و سطح آن قطعه ایجاد شود. هنگامی که این شارژ ساکن با قطعه الکترونیکی تماس پیدا می کند، ممکن است در آن تخلیه شود و شاید منجر به آسیب ناشی از ESD شود.

● جداسازی مواد: جداسازی مواد، مانند برداشتن پوشش های محافظ یا جداسازی اجزا، ممکن است الکتریسیته ساکن تولید کند. جداسازی مواد با پتانسیل های الکتریکی مختلف می تواند منجر به ایجاد الکتریسیته ساکن شود که می تواند در اجزای الکترونیکی اطراف تخلیه شود و منجر به آسیب ناشی از ESD شود.

● وسایل الکترونیکی: در حین استفاده، وسایل الکترونیکی مانند ترانسفورماتورها، سوئیچ ها و موتورها می توانند الکتریسیته ساکن تولید کنند و ممکن است به دلیل حرکت اجزا یا تعامل مواد مختلف این اتفاق بیفتد که به طور بالقوه منجر به رویدادهای ESD می­ شود.

● مواد بسته بندی: بسته بندی مورد استفاده برای محافظت از وسایل و قطعات الکتریکی نیز می­تواند باعث بروز ESD شود. به عنوان مثال، مواد بسته بندی عایق ممکن است بار استاتیکی ایجاد کنند، که هنگام دست زدن یا باز کردن، ممکن است به تجهیزات یا قطعات الکترونیکی تخلیه شود و منجر به آسیب ناشی از ESD شود.

     فقدان یا وجود بیش از حد الکترون­ ها پیش زمینه لازم برای یک رویداد ESD است، اما تنها شرط لازم برای وقوع ESD نیست. روش اصلی ایجاد اقلام دارای بار استاتیکی با مالش یا جدا کردن مواد است که معمولاً به عنوان روش تریبوالکتریک شناخته می­ شود. اصطلاح تریبوالکتریک از کلمه یونانی باستان تریبو به معنای مالیدن گرفته شده است. بار تریبوالکتریک به این صورت تعریف می‌شود: «بار الکتریکی که در اثر حرکت اصطکاکی یا جداسازی دو سطح ایجاد می‌شود». تریبوالکتریفیکاسیون مواد در هر زمانی که دو ماده غیرمشابه با یکدیگر در تماس باشند اتفاق می ­افتد. اتم­ های بیرونی یکی از مواد برخی از الکترون­ها را از دیگری جدا می­ کنند. انرژی اضافی مالش باعث تبادل بیشتر الکترون ­ها می شود و بار بیشتری ایجاد می­ کند. حرکت سریع باعث افزایش این اثر می­ شود. روش دیگری برای ایجاد یک آیتم باردار استاتیکی، روش القایی است که بار الکتریکی موجود را در یک جسم، ناشی از تأثیر میدان الکتریکی مجاور، دوباره توزیع می‌کند. مشخصه­های روش های تریبوالکتریک و القایی در زیر خلاصه می­ شوند.  

روش تریبوالکتریک:

·        ایجاد بار استاتیکی در اثر اصطکاک؛

·        تولید بار استاتیک از طریق تماس و جداسازی مواد؛

·        روش پرایم که به وسیله آن وسایل الکترونیکی در تولید به صورت استاتیک شارژ می­ شوند.

روش القایی:

·        عدم تماس فیزیکی بین اشیاء؛

·        تعامل میدان الکتریکی با اجسام باردار الکترواستاتیکی؛

·        جذب یا دفع الکترون­ها مطابق با قطبیت میدان؛

·        قطبی شدن خود جسم قطبی.

      تخلیه استاتیکی در آزمایشگاه الکترونیک یا محیط تولید لازم نیست به اندازه یک صاعقه برای آسیب رساندن به قطعات یا سیستم های الکتریکی پرانرژی باشد زیرا اندازه و خواص مواد ویژگی های حساس به ESD بسیار کوچک است و به راحتی جریان الکتریکی را هدایت می کند. بسیاری از رویدادهای ESD که منجر به آسیب به وسایل الکترونیکی می شوند برای اپراتورها و تجهیزات آزمایشی در صورت وقوع غیرقابل محسوس هستند. هر چه رطوبت بیشتر باشد بار استاتیکی تولید شده کمتر است. رطوبت موجود در هوا مقاومت سطحی مواد را با ایجاد یک فیلم رسانا بر روی سطح عایق کاهش می دهد. این فیلم اجازه می دهد تا بار سطحی دوباره توزیع شود و غلظت بار کاهش یابد. وقوع الکترواستاتیک رایج در شکل زیر قابل مشاهده است:

*** در مطالعات مربوط به ESD باید توجه داشته باشیم که آن را با نوسانی که با زدن کلید روشن هر دستگاهی ممکن است رخ دهد اشتباه نگیریم.

برای بهره مندی از مشاورۀ فنی در این حوزه و همچنین، خرید انواع کالاهای آنتی استاتیک با مشاوران خبره در شرکت «نیکان توان پژوهان» تماس حاصل فرمایید. 

مروری بر تخلیه الکترواستاتیک[1]:

ESD مخفف ElectroStatic Discharge است. اختلاف پتانسیل زیاد باعث ایجاد پالس های ولتاژ بالای الکتریکی در قطعات یا دستگاه های الکترونیکی می شود و این امر خود سبب جرقه یا خرابی در ادوات الکتریکی می گردد. هر یک از ما قبلا ESD را تجربه کرده ایم. بهترین درک شناخته شده احساس شوک الکتریکی هنگام لمس دستگیره در است. با این حال، بسیاری از تخلیه های الکترواستاتیک زیر آستانه درک انسان هستند، اما می توانند برای قطعات الکترونیکی مضر باشند. به عنوان مثال، مردم فقط می توانند یک تخلیه را در حدود 3000 ولت احساس کنند. در مقابل، 35 ولت برای از بین بردن یک جزء نیمه هادی کافی است.

ESD چگونه رخ می دهد؟

ESD زمانی رخ می دهد که مواد عایق به یکدیگر مالیده یا از یکدیگر جدا شوند. برای مثال، در طول حرکات روزمرۀ زیر این پدیده ممکن است بارها رخ دهد:

قدم زدن روی کفپوش های پلاستیکی

اصطکاک روی لباس های مصنوعی

جابجایی ظروف پلاستیکی

باز کردن رول نوارهای چسب

حرکت تسمه نقاله

منظور از ESD چیست؟

شناخته شده ترین نمونه های تخلیه الکترواستاتیک عبارتند از:

رعد و برق (رعد و برق)

تخلیه درب خودرو یا اجسام بزرگ فلزی (رادیاتور)

هنگام درآوردن ژاکت مصنوعی – موهای شما به سمت بیرون جهت گیری می کنند

برداشتن فویل بسته بندی - فویل به بدنه می چسبد

ESD یک خطر نامرئی است

علل تخلیه های الکترواستاتیک چندگانه هستند و در برخی موارد قابل مشاهده یا محسوس نیستند. به عنوان مثال، شارژ الکترواستاتیکی را می توان تنها در ولتاژ حدوداً 3000 ولت احساس کرد. در مقایسه، ولتاژهای کمتر از 35 ولت می توانند اجزای الکترونیکی مانند یک دستگاه نیمه هادی را از بین ببرند. به منظور جلوگیری از آسیب به این اجزای حساس، مهم است که برخی از اقدامات حفاظتی ESD را در شرکت خود معرفی و به طور مداوم اجرا کنید.

چرا ESD برای قطعات الکترونیکی خطرناک است؟

تخلیه الکترواستاتیکی که معمولاً برای انسان بی ضرر است، اکنون یکی از بزرگترین مشکلات در تولید لوازم الکترونیکی است. اگر این جنبه نادیده گرفته شود، می تواند منجر به مشکلات جدی کیفیت شود که ممکن است تنها روزها، هفته ها یا حتی ماه ها پس از تحویل محصول به مشتری رخ دهد و می تواند هزینه های بالایی مانند موارد زیر ایجاد کند:

شکایات و عدم رضایت مشتری

هزینه های تعمیر و تعویض

از دست دادن شهرت

از دست دادن مشتریان