آشنایی با پدیده تخلیه الکترواستاتیک (ESD) و اهمیت آن در بروز آسیب به دستگاه‌های الکترونیکی

ممکن است تاکنون برای شما نیز پیش آمده باشد که در حال نزدیک کردن دست و یا قسمتی از بدن خود به جسم رسانای دیگری می‌باشید که ناگهان جرقه‌ای الکتریکی در بین دو سطح اتفاق می‌افتد، اما تا به حال از خود پرسیده‌اید که آیا رخداد این مهم خطرات مختلفی را به دنبال دارد؟ پدیده فوق که تحت عنوان “تخلیه الکترواستاتیک” شناخته می‌شود به‌طور کلی در قالب یکی از اصلی‌ترین دلایل بروز آسیب‌های جدی و غیرقابل جبران به تراشه‌های نیمه‌هادی و سخت‌افزارهای الکترونیکی به شمار می‌رود، اما علت بروز آن چیست و چگونه می‌توان وسایل مختلف را برابر آن ایمن ساخت؟ آیا بدن انسان در زمینه تولید رویداد فوق می‌تواند ایفای نقش نماید؟

پدیده تخلیه الکترواستاتیک یا به عبارتی دیگر ESD که از کوتاه شده عبارت Electrostatic Discharge تشکیل شده است به‌طور کلی به انتقال پیوسته و بسیار سریع بارهای ایستای الکتریکی در بین دو جسم گفته می‌شود که اغلب در هنگام نزدیکی و یا تماس دو سطح میزبان پتانسیل‌های مختلف با یکدیگر رخ داده و برای مدت زمان محدودی و تنها یک مرتبه به وقوع می‌پیوندد. رویداد فوق که در قالب اصلی‌ترین دلایل بروز خرابی‌های مکرر در تراشه‌های نیمه‌هادی طبقه‌بندی می‌گردد از عوامل گوناگونی نشأت می‌گیرد که تولید نوعی میدان الکترواستاتیک قوی در فیمابین دو جسم در فاصله نزدیک به یکدیگر (بدون تماس فیزیکی) از جمله این موارد به شمار می‌رود، اما چرا و چگونه؟ پیش از پرداختن به مبحث اصلی موضوع پدیده‌ای تحت عنوان “اثر برق مالشی” یا به عبارتی دیگر “Triboelectric Charging” را در نظر داشته باشید.
بدن انسان بر طبق ساختار خود و فعالیت سیستم عصبی و برخی از اندام‌های داخلی از خاصیت ذاتی ویژه‌ای در هدایت و انتقال جریان الکتریکی برخوردار می‌باشد. حتماً شما نیز آزمایش‌های بسیار ساده کتاب علوم دوران دبستان در خصوص باردار نمودن یک خط‌کش و یا شانه و سپس جذب تکه‌های کاغذ توسط آن در هنگام نزدیکی به یکدیگر را به خاطر دارید. طرح غیر پیچیده فوق که علم بسیار ساده‌ای را نیز در پس پرده خود نهفته دارد به‌صورت کلی شالوده اصلی تولید پدیده تخلیه الکترواستاتیک و اطلاعات جسته و گریخته موجود در پیرامون آن را تشکیل می‌دهد.
هنگامی‌که بدن انسان در نتیجه انجام فعالیت‌های حرکتی مختلفی نظیر حرکت بر روی فرش، مالش تقریباً سریع دو دست بر روی یکدیگر و … دست‌خوش تولید بارهای الکتریکی قرار می‌گیرد، پدیده اثر برق مالشی در قالب آن پدیدار می‌‎گردد. بارهای الکتریکی فوق که اغلب از جنس الکترون می‌باشند بر روی بدن انسان باقی‌مانده و پتانسیل سطح پوست را نسبت به دیگر اجسام مجاور در اطراف منفی‌تر می‌نمایند (به دلیل بار منفی الکترون). اگر به خاطر داشته باشید پیشتر گفته شد که رویداد تخلیه الکترواستاتیک در نتیجه نزدیکی دو جسم دربردارنده پتانسیل‌های مختلف با یکدیگر رخ می‌دهد، بر همین اساس بدن انسان اکنون از بار منفی بیشتری نسبت به اجسام دیگر برخوردار بوده و هنگامی‌که بخشی از اندام (به‌عنوان مثال دست) در تماس با سطح دیگری قرار می‌گیرد (به‌عنوان مثال دستگیره در و دست شخص دیگری)، اختلاف پتانسیل موجود در بین دو جسم سبب حرکت بسیار سریع الکترون‌ها از بدن انسان به سمت سطح دیگر و بروز پدیده ESD می‌گردد. این مهم از استاندارد  ثابتی برخوردار نبوده و حرکت بارهای مثبت و منفی در بین سطوح مختلف کاملاً امکان‌پذیر می‌باشد، لذا دست شخص که در ابتدا حامل بارهای منفی بوده است اکنون الکترون‌های خود را از دست داده و پتانسیلی مثبت به خود گرفته و دستگیره در عکس این مهم را میزبان می‌باشد، بر همین اساس حرکت یک‌باره الکترون‌ها از بدن انسان به سمت جسم دیگر سبب بروز پدیده‌ای لحظه‌ای و افزایش ناگهانی میزان ولتاژ و جریان می‌شود که شدت آن در سخت‌افزارهای الکترونیکی ظریف و حساس آسیب‌های جدی و جبران‌ناپذیری را با خود به ارمغان می‌آورد.

بزرگی پدیده تخلیه الکترواستاتیک با میزان بار الکتریکی تولیدی بر روی اجسام نسبت مستقیم داشته و هرچقدر این مهم از افزایش بیشتری برخوردار باشد، رویداد حاصله نیز با فزونی دوچندانی همراه می‌گردد. در صورت وجود تعداد بارهای الکتریکی بسیار فراوان، هنگامی‌که دو سطح در نزدیکی یکدیگر قرار می‌گیرند، تماس فیزیکی آن دو دیگر عاملی لازم و ضروری به شمار نرفته و شدت بارهای مثبت و یا منفی سبب تولید یک میدان الکتریکی بزرگ می‌شوند که شار به‌راحتی از طریق آن انتقال می‌یابد. این مهم اغلب همراه با تولید نوعی جرقه الکتریکی و صدایی همانند رعد و برقی کوچک صورت می‌پذیرد، زیرا شدت بارهای الکتریکی به قدری از گستردگی برخوردار می‌باشند که انتقال یک‌باره و سریع آن‌ها از طریق میدان حاصله و بدون تماس فیزیکی دو جسم با یکدیگر امکان‌پذیر می‌گردد. رؤیت جرقه الکتریکی اغلب نیازمند تخلیه الکترواستاتیکی به بزرگی 40 کیلوولت یا به عبارتی دیگر 40 هزار ولت بر سطحی به‌اندازه یک سانتی‌متر مربع می‌باشد که افزایش این مهم به فزونی شدت پدیده منجر می‌شود.
پدیده تخلیه الکترواستاتیک همیشه در فیمابین بدن انسان با سطوح دیگر رخ نداده و دو جسم در تماس با یکدیگر نیز ممکن است در بروز این مهم تأثیرگذار باشند. علاوه بر آن برهنه بودن بخشی از بدن انسان جهت حفظ بارهای الکتریکی نیز به‌عنوان یک مؤلفه مهم مطرح نمی‌باشد، بلکه اگر وسیله مربوطه از قابلیت هدایت جریان الکتریکی برخوردار بوده و اجازه عبور الکترون‌ها از طریق خود را صادر نماید، رویداد ESD در قالب آن قابل رخداد می‌باشد. جهت درک بهتر موضوع فرض کنید که با شلواری پارچه‌ای بر روی فرش، مبل، کاناپه، صندلی اتومبیل و … نشسته و سپس اقدام به جا به جایی و مالش نشیمنگاه خود بر روی سطح می‌نماید، این مهم خود منجر به تولید بار الکتریکی می‌شود که بزرگی آن با شدت حرکت رابطه مستقیم دارد. علاوه بر آن در مثال پیشتر اشاره شد، عکس سناریو، یعنی تولید و نشست الکترون‌ها بر روی دستگیره در و سپس انتقال آن‌ها به دست شخص در نتیجه اختلاف پتانسیل دو سطح و بر هم خوردن تعادل الکترون‌ها نیز صادق می‌باشد.
اکنون یکی از بزرگ‌ترین سؤالاتی که هنوز پاسخی را برای آن در نوشته فعلی ارائه نکردیم بروز آسیب به سخت‌افزارهای رایانه‌ای می‌باشد. چگونه پدیده الکترواستاتیک می‌تواند در ایجاد خرابی‌های دائمی و غیرقابل جبران در المان‌های الکترونیکی تأثیرگذار باشد؟ در پاسخ باید گفت که اگرچه تبادل بسیار سریع بارهای الکتریکی در بین دو جسم دارای استقامت بالا خرابی‌های هنگفتی را از خود پدیدار نمی‌سازد، اما این مهم در قطعات الکترونیکی ظریف و حساس نظیر تراشه‌های نیمه‌هادی و به‌خصوص مدارات مجتمع IC بسیار مخرب می‌باشد.

همان‌طور که مستحضر هستید بسیاری از سخت‌افزارهای رایانه‌ای نظیر کارت گرافیک، مادربرد، دیسک سخت و به‌صورت کلی وسایل و دستگاه‌های دربردارنده مدارات الکترونیکی از ترکیب انواع و اقسام المان‌های مختلف مانند مقاومت، خازن و … تشکیل شده‌اند. بسیاری از تراشه‌های نیمه‌هادی نظیر میکروکنترلرها، مدارات مجتمع و … بر پایه منطق‌های استاندارد و از پیش تعیین شده‌ای همانند ترانزیستور – ترانزیستور (TTL)، مقاومت – ترانزیستور (RTL)، ترانزیستورهای مکمل اکسید فلزی نیمه‌رسانا (CMOS) و … طراحی و توسعه یافته‌اند. این دسته از قطعات اغلب در سطوح ولتاژی محدود و به‌خصوصی نظیر 3.5 تا 5 ولت (برای منطق CMOS) و … به فعالیت پرداخته و خروج اختلاف پتانسیل الکتریکی به خارج از این محدوده منجر به خاموش گشتن و یا آسیب به مدارات داخلی IC می‌شود.
همان‌طور که مشاهده می‌کنید، بازه ولتاژی بسیاری از تراشه‌های نیمه‌هادی توسعه یافته بر پایه منطق‌های استاندارد بسیار محدوده بوده و حداکثر به 5 تا 12 ولت افزایش پیدا می‌نمایند، حال تصور کنید که میدانی به بزرگی 40 کیلوولت به یک‌باره در یک IC تخلیه گردد، آیا سالم ماندن آن قابل تضمین است؟ همان‌طور که پیشتر نیز اشاره شد، بزرگی پدیده ESD با توجه به اثر برق مالشی و همچنین دیگر اثرات موجود متفاوت بوده و تولید و مشاهده جرقه الکتریکی در تمامی اوقات امکان‌پذیر نمی‌باشد، بنابراین پدیده فوق در هنگام کار به‌وسیله سخت‌افزارهای رایانه‌ای نظیر سرهم‌بندی چهارچوب کیس، حمل قطعات و … ممکن است در بین سطح بدن و مدارات مجتمع و المان‌های الکترونیکی موجود رخ داده و زمینه بروز آسیب را فراهم آورده باشد، اما شدت آن قابل مشاهده توسط شخص نبوده است. بروز رویداد تخلیه الکترواستاتیک با توان مناسب در برخی از تراشه‌های حافظه غیر فرار نظیر بایوس و … منجر به حذف اطلاعات آن می‌گردد (در صورت عدم بروز آسیب به مدارات داخلی).

همان‌طور که پیشتر نیز اشاره شد، پدیده تخلیه الکترواستاتیک در قالب یکی از مهم‌ترین علت‌های بروز آسیب‌های جدی به تراشه‌های نیمه‌هادی به شمار رفته و رعایت نکات ایمنی در هنگام کار با سخت‌افزارهای رایانه‌ای و قطعات الکترونیکی بسیار حیاتی به شمار می‌رود. حمل چهارچوب کیس به‌تنهایی در مخاطره‌آمیز بودن این مهم آن‌چنان تأثیرگذار نمی‌باشد، زیرا سطح وسیع آن اغلب منجر به پخش بارهای الکتریکی و عدم انتقال آن‌ها در فواصل طولانی می‌شود، اما دسترسی مستقیم به سخت‌افزارهای داخلی و مدارات بدون پوشش نظیر کارت گرافیک، مادربرد برد و … بلا استثناء نیازمند پیشگیری و دقت به موارد ایمنی نظیر عدم پوشش لباس‌های پشمی و پارچه‌ای، عدم قرارگیری قطعات بر روی فلش، مبل، کاناپه و …، سرهم‌بندی رایانه بر روی میز، تخلیه کامل بدن از بارهای الکترواستاتیک پیش از اقدام به حمل و یا لمس سخت‌افزارهای الکترونیکی، اتصال بخشی از بدن به زمین و … می‌باشد.
آشنایی با پدیده تخلیه الکترواستاتیک (ESD) و اهمیت آن در بروز آسیب به دستگاه‌های الکترونیکی

دانلود آخرین ورژن برنامه