درک ESD: نحوه آسیب تخلیه الکترواستاتیک به الکترونیک حساس

فیزیک ESD: پارگی اکسید گیت و پدیده Latch-Up در آی‌سی‌های CMOS

ESD زمانی رخ می‌دهد که الکتریسیته ساکن در یک نقطه تجمع پیدا کرده و سپس بین اشیایی با بارهای الکتریکی متفاوت جهش کند. خطر آن در چیست؟ این نوسانات ناگهانی ولتاژ که به هزاران ولت می‌رسند، کاملاً نامرئی هستند. برای تراشه‌های CMOS، این انرژی ابتدا به ضعیف‌ترین نقاط حمله می‌کند. نوسانات ولتاژ بالا از لایه‌های بسیار نازک اکسید گیت عبور کرده و ترانزیستورها را به سرعت از کار می‌اندازند. مشکل دیگری نیز وجود دارد. SCRهای مزاحم و ناخواسته (یکسوکننده‌های کنترل شده سیلیکونی) که در زیرلایه تراشه پنهان شده‌اند، ممکن است در طول یک رویداد ESD فعال شوند. هنگامی که این اتفاق می‌افتد، مسیرهای کم مقاومتی ایجاد می‌شوند که جریان‌های مخرب را به راحتی عبور می‌دهند و گاهی به چند آمپر جریان می‌رسند. مدارهای مجتمع مدرن روزبه‌روز کوچک‌تر شده و با ولتاژهای بسیار پایین‌تری کار می‌کنند، در برخی موارد تا حدود ۱٫۲ ولت. حتی چیزی به اندازه ۱۰۰ ولت، که بسیار پایین‌تر از آستانه تشخیص حسی ما است، می‌تواند یک تراشه را کاملاً از کار بیندازد. مدل‌های حرارتی نشان می‌دهند که نوسانات کوتاه جریان بیش از ۱۰ آمپر می‌توانند در کمتر از نیم میلیاردم ثانیه، اتصالات بسیار ریز داخل یک تراشه را ذوب کنند. به همین دلیل، محافظت مناسب در برابر ESD دیگر یک گزینه اختیاری نیست؛ بلکه برای جلوگیری از خرابی کامل تجهیزات الکترونیکی ضروری مطلق است.

انواع آسیب ESD: خرابی ناگهانی، خرابی پنهان و خرابی پارامتری

تفريغ الکترواستاتيک به سه شکل اصلی در آسیب دیدن قطعات الکترونيکی خود را نشان می‌دهد و این مشکلات با افزایش عمر دستگاه‌ها به تدریج بدتر می‌شوند. واضح‌ترین نوع، خرابی کامل است که در آن دستگاه بلافاصله و در اثر آسیب‌های قابل مشاهده مانند سوختگی قطعات یا ذوب شدن مسیرهای فلزی از کار می‌افتد و این آسیب‌ها در حین آزمون‌ها قابل مشاهده هستند. نوع بعدی، آسیب پنهان است که بسیار هوشمندانه‌تر عمل می‌کند. سوراخ‌های ریزی در اتصالات نیمه‌هادی ایجاد می‌شوند یا اکسیدهای گیت به مرور زمان تخریب می‌شوند. این مشکلات ممکن است تست‌های اولیه را پشت سر بگذارند، اما در نهایت باعث می‌شوند محصولات در مراحل اولیه کاربری دچار خرابی شوند. گزارش‌های صنعتی نشان می‌دهند که برد‌هایی که دارای آسیب پنهان ESD هستند، اغلب تنها ۴۰ تا ۶۰ درصد از عمر مورد انتظار خود را دوام می‌آورند. نوع دیگری از خرابی، خرابی پارامتری است که در آن خواص الکتریکی بدون خرابی کامل تغییر می‌کنند. به عنوان مثال افزایش جریان نشتی یا تغییر ولتاژ خارج از محدوده مشخص‌شده، که منجر به اختلال در زمان‌بندی و کیفیت سیگنال می‌شود. طبق تحقیقات Ponemon در سال ۲۰۲۳، رفع خرابی‌های کامل به طور متوسط حدود ۵۰۰۰ دلار هزینه دارد، در حالی که مقابله با مشکلات پنهان به بودجه گارانتی آسیب می‌زند، زیرا تشخیص علت خرابی زمان و تلاش بسیاری می‌طلبد. محافظت مناسب در برابر ESD نیازمند پوشش تمامی این سناریوها با لایه‌های متعدد دفاعی در سراسر فرآیند تولید است.

مکانیزم‌های حفاظت اصلی در برابر الکتریسیته ساکن و راه‌حل‌های مؤلفه‌ها

چگونه دیودهای TVS و سرپیچ‌های ضربه‌ای انرژی ESD را منحرف می‌کنند

دیودهای TVS به عنوان مکانیسم دفاعی اولیه در برابر نوسانات الکتریکی عمل می‌کنند و هنگامی که اتفاقی مانند تخلیه الکترواستاتیک 8 کیلوولتی از یک تست مدل بدن انسان رخ می‌دهد، جریان اضافی را از مدارهای حساس منحرف می‌کنند. چیزی که این قطعات را مؤثر می‌کند، توانایی آنها در کاهش سریع نوسانات ولتاژ برحسب فرآیندی به نام شکست شیرینی‌ای با امپدانس پایین است. این قطعات می‌توانند نوساناتی تا 30 آمپر را تحمل کرده و به زمین هدایت کنند، در حالی که مدارهای پایین‌دست در محدوده‌های قابل قبول کار خود را ادامه می‌دهند. زمان پاسخگویی نیز بسیار سریع است، اغلب کمتر از یک نانوثانیه، که توضیح می‌دهد چرا این قطعات به خوبی با اتصالات پرسرعت مدرن مانند درگاه‌های USB 3.0 یا کابل‌های HDMI کار می‌کنند. در مواردی که ضربه‌های انرژی بزرگ‌تری رخ دهد، واریستورهای چندلایه وارد عمل می‌شوند. این قطعات محافظت اضافی در برابر نوسانات بیش از 20 کیلوولت را از طریق مکانیسمی فراهم می‌کنند که در آن الکترون‌ها در داخل دستگاه بر روی مواد اکسید فلزی پراکنده می‌شوند. به همین دلیل، این قطعات معمولاً در محافظت از خطوط تغذیه در محیط‌های صنعتی مختلف که شرایط شدید ممکن است به آسیب منجر شود، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ولتاژ نگه‌داری، زمان پاسخ‌دهی و مشخصه‌یابی TLP در کاربردهای واقعی

هنگامی که حفاظت در برابر تخلیه الکترواستاتیک مطرح می‌شود، سه عامل اصلی اهمیت دارند: ولتاژ کلامپینگ چقدر است، چقدر دستگاه سریع واکنش نشان می‌دهد و آنچه هنگام تست با پالس‌های خط انتقال (TLP) رخ می‌دهد. یک دیود TVS با ولتاژ کلامپینگ 5 ولت را در نظر بگیرید - این ولتاژ باعث محافظت از مدارهای مجتمع حساس می‌شود، زیرا اکسید گیت آنها معمولاً در حدود 10 ولت دچار شکست می‌شود. برای تجهیزات فرکانس رادیویی مانند آنتن‌های 5G، داشتن زمان پاسخگویی کمتر از نیم نانوثانیه تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند. در غیر این صورت، آسیب‌های خرد می‌توانند به مرور زمان انباشته شوند بدون آنکه کسی متوجه شود. تست با روش‌های TLP مطابق استاندارد IEC 61000-4-2 به ما نشان می‌دهد که این دستگاه‌ها دقیقاً چگونه دچار خرابی می‌شوند. بررسی نمودارهای جریان نسبت به ولتاژ به مهندسان کمک می‌کند تا تشخیص دهند آیا دستگاه به صورت ناگهانی واکنش می‌دهد یا به آرامی کلامپ می‌کند. آنچه تولیدکنندگان مشاهده می‌کنند این است که دیودهای خوب TVS حتی در طول پالس‌های بزرگ 30 آمپری نیز مقاومت دینامیکی خود را زیر 10 اهم حفظ می‌کنند. این عملکرد در مقایسه با راه‌حل‌های مبتنی بر پلیمر، هنگام کار با سیگنال‌های فرکانس بالا در الکترونیک مدرن، عملکرد بهتری دارد.

مقایسه فناوری‌های سرکوب ESD

تعادل بین دقت در گیره‌گیری و ظرفیت ناگهانی ضروری است – طراحی اغراق‌آمیز هزینه را افزایش می‌دهد، در حالی که محافظت ناکافی خطر قفل شدن CMOS را به همراه دارد.

طراحی مدارهای موثر محافظت از تخلیه الکترواستاتیک برای الکترونیک مدرن

برای طراحی مدارهای حفاظت مناسب در برابر الکتریسیته ساکن (ESD)، مهم است که قطعات مهارکننده مانند دیودهای TVS را دقیقاً در کنار اتصالات و درگاه‌های ورودی/خروجی قرار دهید که در آن‌جا نوسانات ولتاژ معمولاً اولین بار وارد می‌شوند و قبل از رسیدن به مدارهای مجتمع حساس، باید مهار شوند. ولتاژ قلابی (clamping voltage) باید کمی پایین‌تر از حدی تنظیم شود که به قطعات تحت حفاظت آسیب برساند. در عین حال، نگه داشتن خازن گره در سطح پایین به حفظ کیفیت سیگنال در انتقالات داده با سرعت بالا که در رابط‌های مدرن دیده می‌شود کمک می‌کند. مسیرهای کوتاه‌تر روی برد مدار چاپی (PCB) باعث کاهش القایی مسیر می‌شود و این امر پاسخ بهتر سیستم را در مواقع لزوم ممکن می‌سازد. امروزه بسیاری از مهندسان ترجیح می‌دهند از سیستم‌های حفاظت چندمرحله‌ای استفاده کنند، زیرا این سیستم‌ها در شرایط سخت عملکرد بهتری نسبت به راه‌حل‌های تک‌نقطه‌ای دارند. رعایت استانداردهایی مانند ANSI/ESD S20.20-2021 به تولیدکنندگان اطمینان می‌دهد که محصولاتشان می‌توانند در برابر هر دو نوع خرابی ناگهانی و فرسایش تدریجی در طول زمان مقاومت کنند. این موضوع امروزه حتی اهمیت بیشتری پیدا کرده است، زیرا تراشه‌ها به طور مداوم در حال کوچک‌تر شدن هستند و به ابعاد نانومتری رسیده‌اند که در آن‌جا آن‌ها در واقع مستعد آسیب الکترواستاتیک بیشتری می‌شوند. آزمون در سطح سیستم با روش‌های TLP همچنان بسیار حیاتی است، زیرا نتایج آزمایشگاه همیشه با آنچه در محیط واقعی و با رویدادهای الکتریسیته ساکن غیرمنتظره رخ می‌دهد، مطابقت ندارد.

محیط‌های کاری ضد الکتریسیته ساکن: از ایستگاه‌های کاری تا بسته‌بندی

کفپوش آنتی‌استاتیک و انطباق با استاندارد ISO 6360 در تولید

ایجاد محیطی ایمن در برابر تخلیه الکترواستاتیک (ESD) با استفاده از مواد مناسب برای کف، مانند کاشی‌های EPDM حاوی خواص هدایت الکتریکی آغاز می‌شود. این نوع کف، مقاومت سطحی خود را در محدوده ۱ میلیون تا ۱ میلیارد اهم نگه می‌دارد و به این ترتیب بارهای الکترواستاتیکی به آرامی تخلیه می‌شوند و انباشته نمی‌شوند. طبق استانداردهای ISO 6360-5، تسهیلات باید به‌طور منظم مقاومت کف و اتصالات ارتینگ خود را آزمایش کنند. شرکت‌هایی که از این دستورالعمل‌ها پیروی می‌کنند، طبق تحقیقات ERAI در سال ۲۰۲۳، حدود ۷۵٪ کاهش در موارد تخلیه الکترواستاتیک را نسبت به شرکت‌های غیرمطابق تجربه کرده‌اند. این سیستم با اتصال نقاط ارتینگ بین کف، سطوح کار و زمین واقعی (ارت)، یک مدار کامل ایجاد می‌کند که از افزایش ولتاژ فراتر از ۱۰۰ ولت جلوگیری می‌کند؛ این مقدار عموماً به عنوان آستانه ایمنی برای مدارهای مجتمع حساس که در تولید تجهیزات الکترونیکی استفاده می‌شوند، در نظر گرفته می‌شود.

کیسه‌های دو لایه ضد تخلیه الکترواستاتیک و اصول قفس فارادی برای ذخیره‌سازی ایمن

کیسه‌های محافظ دو لایه بر اساس مفهوم قفس فارادی کار می‌کنند تا قطعات را در حین نگهداری یا جابجایی ایمن نگه دارند. لایه خارجی دارای پوشش فلزی است که هرگونه الکتریسیته ساکن ناشی از منابع خارجی را دفع می‌کند، در حالی که بخش داخلی که از پلاستیک خاصی ساخته شده است، به تخلیه بارهای تجمع‌یافته در داخل خود کیسه کمک می‌کند. این کیسه‌های محافظ، سطح انرژی الکترواستاتیک را حدود ۵۰ دسی‌بل کاهش می‌دهند و بر اساس استانداردهای IEC، از تخلیه‌های بالاتر از حدود ۸۰۰۰ ولت جلوگیری می‌کنند. بستن درز کیسه واقعاً اهمیت زیادی دارد، زیرا اگر به درستی بسته نشود، حفاظت تقریباً ۹۰ درصد کاهش می‌یابد. هنگام کار با قطعات حساس مانند سنسورهای CMOS، قرار دادن آن‌ها در کابینت‌های محیط کنترل‌شده که رطوبت در آن زیر سی درصد باقی می‌ماند، بسیار به پیشگیری از مشکلات پنهان در آینده کمک می‌کند. حفظ سلامت سپر فارادی در تمام مراحل حمل‌ونقل و کار با قطعات بسیار مهم است، زیرا حتی یک لحظه بدون محافظت مناسب می‌تواند تمام تلاش‌های دیگر برای حفاظت از این قطعات ارزشمند را بی‌اثر کند.

سوالات متداول

تخلیه الکترواستاتیک (ESD) چیست؟

تفريغ الکترواستاتيک (ESD) زمانی رخ می‌دهد که جریان ناگهانی الکتریسیته بین دو شیء باردار الکتریکی ایجاد شود که اغلب باعث آسیب به الکترونیک‌های حساس می‌گردد.

چرا حفاظت از الکتریسیته ساکن برای الکترونیک مهم است؟

حفاظت در برابر ESD بسیار مهم است، زیرا تفريغ الکترواستاتيک می‌تواند منجر به خرابی‌های فاجعه‌بار، آسیب‌های پنهان و تغییرات پارامتری در قطعات الکترونیکی شود و در نتیجه عمر مفید قطعه کوتاه‌تر و هزینه‌های تعمیر آن بالاتر می‌رود.

ESD چگونه الکترونیک را آسیب می‌زند؟

ESD می‌تواند اکسیدهای گیت را پاره کند و یکسوسازهای کنترل‌شده با سیلیکون انبوه را در آی‌سی‌های CMOS فعال کند که باعث ایجاد جریان‌های مخرب و آسیب دستگاه می‌شود.

دیودهای TVS چیستند؟

دیودهای TVS قطعات محافظتی هستند که برای هدایت جریان و ولتاژ اضافی از مدارهای حساس استفاده می‌شوند و از آسیب ناشی از تفريغ الکترواستاتيک جلوگیری می‌کنند.

قفس فارادی چیست و چگونه الکترونیک را محافظت می‌کند؟

قفس فارادی ساختاری است که محتویات داخل آن را از میدان‌های الکترواستاتیک و الکترومغناطیسی محافظت می‌کند و اغلب به عنوان راه‌حل بسته‌بندی برای نگهداری ایمن قطعات الکترونیکی استفاده می‌شود.