שונות

מהי פריקה אלקטרוסטטית: יסודות ESD

מהי פריקה אלקטרוסטטית: יסודות ESD

פריקה אלקטרוסטטית או ESD היא עובדה בחיי היומיום ויש לה חשיבות מיוחדת בתעשיית האלקטרוניקה בימינו.

לפני שנים, כאשר נעשה שימוש במסתמים / צינורות ואקום תרמיים, זו לא הייתה בעיה, ואפילו עם כניסת טרנזיסטורים מעטים ראו בכך בעיה. עם זאת, כאשר הוצגו MOSFET שיעורי הכשל שלהם עלו, הבעיה נבדקה ונמצא כי הצטברות סטטית מספיקה בכדי לגרום לשכבת התחמוצת במכשיר להיכשל.

מאז המודעות ל- ESD עלתה במידה ניכרת מכיוון שהוכח כי היא משפיעה על מכשירים רבים. למעשה יצרנים רבים כיום רואים בכל הרכיבים רגישים לסטטיות, ולא רק מכשירי MOS המועדים לנזק.

כתוצאה מהחשיבות המיוחסת ליצרני ESD של ציוד אלקטרוניקה מוציאים אלפי קילוגרמים רבים כדי להבטיח שמקומות העבודה שלהם מוגנים מפני השפעות סטטיות. הם מבטיחים כי המוצרים שהם מייצרים אינם בעלי שיעורי כשל גבוהים במהלך בדיקת הייצור, ומסוגלים להפגין אמינות גבוהה לאורך תקופה ארוכה.

מה זה ESD?

סטטי הוא פשוט הצטברות המטען בין שני משטחים. זה נוצר כאשר משטחים מתחככים זה לזה וזה גורם לעודף אלקטרונים על משטח אחד ומחסור על השני.

המשטחים שעליהם מצטבר המטען עשויים להיחשב כקבל. המטען יישאר במקומו אלא אם כן יהיה לו נתיב דרכו הוא יכול לזרום. מכיוון שלעתים קרובות אין נתיב אמיתי דרכו יכול המטען לזרום המתח המתקבל עשוי להישאר במקומו זמן מה וזה מוליד את המונח "חשמל סטטי".

אולם כאשר קיים נתיב הולכה זרם יזרום והמטען יופחת. יש קבוע זמן הקשור לפריקה. התנגדות גבוהה תביא לכך שזרם קטן יותר יזרום לזמן ארוך יותר. עמידות נמוכה תוליד פריקה מהירה הרבה יותר.

ברור שרמות המתח והזרם המיוצרים תלויים במגוון גדול של גורמים. גודל האדם, רמת הפעילות, האובייקט שנגדו מתרחשת הפריקה וכמובן לחות האוויר. לכולם יש השפעה בולטת ולכן כמעט בלתי אפשרי לחזות את הגודל המדויק של הפרשות שיתרחשו.

עם זאת אחד הגורמים העיקריים המשפיעים על המתחים המיוצרים הוא סוגי החומרים שנמרחים יחד. נמצא שחומרים שונים נותנים מתח שונה. המתח המיוצר תלוי במיקום שני החומרים בסדרה המכונה סדרת החשמלית הטריבו.

סדרת טריבו-חשמלית

ככל שהסדרה רחוקה יותר זה מזה, כך המתח גדול יותר. זה שנמצא גבוה יותר בסדרה יקבל מטען חיובי, וזה נמוך יותר מטען שלילי. כשמסתכלים על רשימת הסדרות החשמליות מטה להלן ניתן לראות כי סירוק שיער עם מסרק פלסטי יוליד מטען חיובי על השיער, והמסרק יהפוך לטעון שלילי.

סדרת הטריבו-חשמלית

מטען חיובי
עור
שיער
צֶמֶר
משי
עיתון
כותנה
עץ
גוּמִי
זְהוֹרִית
פּוֹלִיאֶסטֶר
פוליתן
Pvc
טפלון
מטען שלילי

ישנן דרכים רבות בהן ניתן לבנות חיובים. גם מעבר לשטיח יכול להוליד כמה מתחים גדולים מאוד. בדרך כלל זה עשוי להוליד פוטנציאלים של 10 קילו וולט. במקרים גרועים זה יכול אפילו להוביל לפוטנציאלים בערך פי שלושה מהערך הזה. אפילו פעולת ההליכה על רצפת ויניל עשויה להוביל ליצירת פוטנציאלים בסביבות 5 קילו וולט. למעשה כל צורה של תנועה בה משטחים מתחככים יחד תוביל לייצור חשמל סטטי. מי שעובד על ספסל המשתמש ברכיבים אלקטרוניים יכול לייצר בקלות פוטנציאלים סטטיים של 500 וולט ומעלה.


דוגמאות מעשיות ל- ESD

אחת הדוגמאות הנפוצות ביותר להפקת מטען היא בעת מעבר לחדר. אפילו התרחשות יומיומית זו יכולה לייצר כמה מתח גבוה להפליא. המתחים בפועל משתנים במידה ניכרת במגוון גורמים, אך ניתן לתת הערכות כדי להמחיש את מידת הבעיה.

כדי להמחיש את היקף הבעיה, מגוון מקרים מפורטים בטבלה שלהלן:


ככל הנראה מתח ESD הנגרם על ידי פעולות יומיומיות
סיבה לייצור מטעניםמתח שנוצר כנראה (kV) *
עוברים על פני שטיח30
להרים שקית פוליאתילן20
הולכים על משטח רעפים ויניל15
עובדים על ספסל5

* מדובר בנתונים משוערים ומניחים לחות יחסית של עד 25%. ככל שהלחות עולה, כך רמות אלה יורדות: עם לחות של כ 75%, הרמות הסטטיות יכולות לרדת בפקטור של מאוד בערך 25 ומעלה. כל הנתונים הללו הם מקורבים מאוד מכיוון שהם תלויים מאוד בתנאים הספציפיים, אך הם נותנים מדריך לסדר גודל לרמות ה- ESD הצפויות.

למרות שהתוצאה כתוצאה מ- ESD נראית גבוהה מאוד, הם בדרך כלל עוברים ללא תשומת לב. הפריקה האלקטרוסטטית הקטנה ביותר שניתן לחוש היא בסביבות 5kV, וגם אז ניתן להרגיש את מידת הפריקה הזו רק בהזדמנויות. הסיבה היא שלמרות שזרמי השיא הנובעים מכך עשויים להיות גבוהים מאוד, הם נמשכים רק זמן קצר מאוד והגוף אינו מזהה אותם מכיוון שהמטען מאחוריהם קטן יחסית. מתחים בסדר גודל כזה מציוד אלקטרוני או חשמלי שבו הזרם יכול להיות יותר ויותר זמן ישפיע הרבה יותר ויכול להיות מאוד מסוכן.


העברה סטטית

ישנן מספר דרכים בהן ניתן להעביר מטענים סטטיים להתקני מוליכים למחצה וכתוצאה מכך נזק מ- ESD. הברור ביותר הוא כאשר נגע בהם פריט טעון ומוליך. הדוגמה הברורה ביותר לכך עשויה להתרחש כאשר מוליך למחצה נמצא על ספסל עבודה ומישהו עובר על הרצפה ובונה מטען ואז מרים אותו.

האצבע הטעונה מעבירה את המטען הסטטי במהירות רבה למוליך למחצה עם אפשרות לנזק. כלים עשויים להזיק עוד יותר. מברגים ממתכת מוליכים עוד יותר ויעניקו את הטעינה עוד יותר מהר וזה גורם לרמות גבוהות יותר של זרם שיא.

עם זאת אין צורך לגעת ברכיבים כדי לגרום להם נזק. פריטים כמו כוסות פלסטיק נושאים מטען גבוה מאוד, והצבת אחד כזה ליד IC יכולה "לגרום" למטען הפוך לתוך ה- IC. גם זה יכול לפגוע בהתקן המוליך למחצה. קשרים עשויים סיבים מעשה ידי אדם מהווים גם סכנה ל- ESD מכיוון שהם יכולים להיטען ולהיתלות בקלות ליד ציוד אלקטרוני רגיש.

מנגנוני כשל ב- ESD

ישנן מספר דרכים בהן ESD יכול לפגוע ברכיבי מוליכים למחצה. התוצאות הברורות ביותר מהמתח הסטטי הגבוה מאוד, מה שמוליד רמות זרם שיא גבוהות שעלולות לגרום לשריפה מקומית. למרות שהזרם זורם לפרק זמן קצר מאוד, גודל התכונות הדקות במעגל המשולב גורם לכך שנזק נגרם בקלות רבה. קישורי החוטים האזורים או האזורים בשבב עצמו יכולים להתמזג בזרם השיא הגבוה.

דרך נוספת בה נזק יכול להתרחש כתוצאה מ- ESD היא כאשר רמת המתח הגבוהה גורמת להתמוטטות ברכיב בהתקן עצמו. זה עלול לפרק שכבת תחמוצת במכשיר ולהפוך את המכשיר לבלתי פעיל. עם מימדים בחלק ממכשירי IC בהרבה פחות ממיקרון, אין זה מפתיע שאפילו מתחים נמוכים יחסית עלולים לגרום להתמוטטות.

אמנם נזק מ- ESD עלול להרוס מכשירים באופן מיידי, אך גם להם ניתן ליצור מה שמכונה כשלים סמויים. זה קורה מכיוון ש- ESD אינו משמיד את המכשיר לחלוטין, אך הנזק שנגרם רק מחליש אותו, ומשאיר אותו בסיכון להיכשל בהמשך חייו. בדרך כלל לא ניתן לגלות פגמים סמויים אלה. התוצאה היא שרמת האמינות הכוללת מופחתת במידה ניכרת, או (יותר במקרה של מכשירים אנלוגיים) הביצועים עשויים להיות מושפלים. תקלות סמויות הנגרמות על ידי ESD יכולות להיות יקרות מאוד מכיוון שהתיקון בזמן פריט בשירות הוא הרבה יותר יקר מאשר תיקון פריט שנכשל במפעל. הסיבה לכך היא שבדרך כלל טכנאי תיקונים צריך לתקן את הפריט במקום, או שיש לשלוח אותו למתקן תיקונים.

תקלות סמויות עלולות להיגרם כאשר חיבור הדדית ממוזג באופן חלקי על ידי ESD. לעתים קרובות חלק מהמוליך נהרס בגלל הפריקה הסטטית שהותירה אותו פגיע מאוחר יותר. דרך נוספת לפגיעה בשבבים היא כאשר חומר הנובע מנזק מתפשט על פני מוליך למחצה, וזה עלול לגרום לנתיבי הולכה חלופיים.

כתוצאה מהעובדה שרכיבים יכולים להינזק בקלות על ידי ESD, רוב היצרנים מתייחסים לכל המוליכים למחצה כאל התקנים רגישים לסטטיים, ויחד עם זה רבים מטפלים בכל המכשירים כולל רכיבים פסיביים כמו קבלים ונגדים כרגישים לסטטי גם כן. כשמסתכלים על זה צריך לזכור שרוב פיסות הציוד המיוצרות כיום משתמשות ברכיבי הרכבה על פני השטח שבהם המידות קטנות בהרבה מהרכיבים המסורתיים והדבר הופך אותם לרגישים הרבה יותר לנזקים מ- ESD.


צפו בסרטון: Capacitor Charging and Discharging Electronics u0026 Communication.avi (אוֹקְטוֹבֶּר 2021).