ESD کو سمجھنا: الیکٹرواسٹیٹک ڈسچارج حساس الیکٹرانکس کو کیسے نقصان پہنچاتا ہے

ESD کی طبیعیات: CMOS ICs میں گیٹ آکسائیڈ رپچر اور لیچ اَپ

ای سی ڈی اس وقت ہوتا ہے جب سٹیٹک بجلی جمع ہو جاتی ہے اور پھر مختلف برقی چارجز والی اشیاء کے درمیان چھلانگ لگا دیتی ہے۔ اس کے خطرناک ہونے کی وجہ کیا ہے؟ ویسے، یہ اچانک وولٹیج کے جھٹکے ہزاروں میں ماپے جاتے ہیں لیکن ہم انہیں بالکل نہیں دیکھ سکتے۔ سی-موس چپس کے لیے، یہ توانائی سب سے کمزور مقامات کو نشانہ بناتی ہے۔ زیادہ وولٹیج کے جھٹکے ان انتہائی پتلی گیٹ آکسائیڈ لیئرز کو عبور کرتے ہیں، جس سے ٹرانزسٹرز فوری طور پر تباہ ہو جاتے ہیں۔ ایک اور مسئلہ بھی ہے۔ چپ کے سبسٹریٹ میں چھپے ہوئے مصروف سلیکان کنٹرول ریکٹیفائرز ای سی ڈی کے واقعے کے دوران فعال ہو سکتے ہیں۔ جب وہ فعال ہوتے ہیں، تو وہ کم مزاحمت کے راستے تشکیل دیتے ہیں جو تباہ کن کرنٹس کو آزادانہ بہنے دیتے ہیں، جو کبھی کبھی کئی ایمپیئر تک کی طاقت تک پہنچ جاتے ہیں۔ جدید انضمامی سرکٹس چھوٹے ہوتے جا رہے ہیں اور اب بہت کم وولٹیج پر کام کرتے ہیں، کچھ معاملات میں تقریباً 1.2 وولٹ تک۔ صرف 100 وولٹ جتنا چھوٹا وولٹیج، جو ہماری حسیات کے احساس سے کہیں کم ہے، چپ کو مکمل طور پر تباہ کر سکتا ہے۔ حرارتی ماڈلز ظاہر کرتے ہیں کہ 10 ایمپیئر سے زائد عارضی کرنٹ کے جھٹکے ایک سیکنڈ کے ایک اربواں حصے سے بھی کم وقت میں چپ کے اندر موجود چھوٹے رابطوں کو پگھلا سکتے ہیں۔ اسی وجہ سے مناسب ای سی ڈی تحفظ صرف ایک اضافی سہولت نہیں رہ گیا ہے بلکہ اب الیکٹرانکس کو تباہی سے بچانے کے لیے بالکل ضروری ہے۔

ESD نقص کی اقسام: تباہ کن، پوشیدہ، اور پیرامیٹرک ناکامیاں

الیکٹرو سٹیٹک ڈسچارج تین اہم طریقوں سے الیکٹرانکس کو نقصان پہنچاتا ہے، اور جیسے جیسے آلات کی عمر بڑھتی ہے، یہ مسائل مزید خراب ہوتے جاتے ہیں۔ سب سے نمایاں قسم تباہ کن ناکامی ہے جہاں آلہ نظر آنے والے نقصان جیسے جلے ہوئے پرزے یا دھاتی راستوں کے پگھلنے کی وجہ سے فوری طور پر کام کرنا بند کر دیتا ہے، جو جانچ کے دوران دیکھا جا سکتا ہے۔ اس کے بعد چھپا ہوا نقصان آتا ہے جو بہت زیادہ پیچیدہ ہوتا ہے۔ سیمی کنڈکٹر کنکشنز میں چھوٹے چھوٹے سوراخ تشکیل پاتے ہیں یا گیٹ آکسائیڈ وقتاً فوقتاً خراب ہوتے جاتے ہیں۔ یہ مسائل ابتدائی ٹیسٹ تو پاس کر سکتے ہیں لیکن آخرکار میدان میں آلات کی جلد ناکامی کا سبب بن سکتے ہیں۔ صنعت کی رپورٹس کے مطابق، چھپے ہوئے ESD نقصان والے بورڈز اکثر اپنی مقررہ عمر کا صرف 40 سے 60 فیصد ہی چلتے ہیں۔ پیرامیٹرک ناکامیاں ایک اور قسم ہیں جہاں الیکٹریکل خصوصیات میں تبدیلی آتی ہے بغیر مکمل ناکامی کے۔ سوچیں بڑھتی ہوئی رساؤ کرنٹ یا وولٹیج کی سطحوں کا مخصوص حد سے باہر ہو جانا، جو ٹائمنگ اور سگنل کی معیار کو متاثر کرتا ہے۔ 2023 کی پونیمن کی تحقیق کے مطابق، تباہ کن ناکامیوں کی اصلاح کی قیمت تقریباً ہر ایک کی 5,000 ڈالر ہوتی ہے، جبکہ چھپے ہوئے مسائل سے نمٹنا وارنٹی بجٹ کو متاثر کرتا ہے کیونکہ یہ جاننا کہ کیا خرابی ہوئی، بہت زیادہ وقت اور کوشش لیتا ہے۔ اچھی ESD حفاظت کو تیاری کے عمل کے دوران دفاع کی متعدد تہوں کے ذریعے ان تمام صورتحال کا احاطہ کرنے کی ضرورت ہوتی ہے۔

مرکزی ESD حفاظتی طریقے اور جزو کے حل

ٹی وی ایس ڈائیوڈز اور سرج سپریسرز ESD توانائی کو کیسے موڑتے ہیں

ٹی وی ایس ڈائیوڈز برقی جھٹکوں کے خلاف بنیادی دفاعی حربہ کے طور پر کام کرتے ہیں، جب انسانی جسم کے ماڈل ٹیسٹ سے 8kV اسٹیٹک ڈسچارج جیسا واقعہ رونما ہوتا ہے تو نازک سرکٹری سے زائد کرنٹ کو موڑ دیتے ہی ہیں۔ ان اجزاء کی مؤثر عملداری ان کی وولٹیج اسپائیکس پر فوری کنٹرول کرنے کی صلاحیت کی وجہ سے ہوتی ہے، جو کم مزاحمت والے ایونچیور بریک ڈاؤن کے عمل پر منحصر ہوتی ہے۔ یہ 30 ایمپئر تک کے جھٹکوں کو برداشت کر سکتے ہیں اور انہیں محفوظ طریقے سے زمین پر منتقل کر دیتے ہیں، جبکہ اس دوران نیچے والے سرکٹس کو قابل قبول حدود کے اندر کام کرتے رہنے کی اجازت دیتے ہیں۔ ردعمل کا وقت بھی نہایت تیز ہوتا ہے، اکثر ایک نینو سیکنڈ سے بھی کم، جو اس بات کی وضاحت کرتا ہے کہ وہ جدید ہائی اسپیڈ کنکشنز کے ساتھ کیوں اتنے مؤثر ہوتے ہیں، جیسے USB 3.0 پورٹس یا HDMI کیبلز میں پائے جاتے ہیں۔ اس سے بھی بڑے توانائی کے دھماکوں کے معاملات میں، ملٹی لیئر ویرسٹرز کو استعمال کیا جاتا ہے۔ یہ 20kV سے زیادہ عارضی وولٹیج کے خلاف اضافی تحفظ فراہم کرتے ہیں، اس کا مختلف طریقہ کار ہوتا ہے جہاں الیکٹرانز ڈیوائس کے اندر موجود دھاتی آکسائیڈ مواد پر بکھر جاتے ہیں۔ اس قابلیت کی وجہ سے، مختلف صنعتی ماحول میں بجلی کی سپلائی لائنوں کی حفاظت کے لیے عام طور پر ان کا استعمال کیا جاتا ہے، جہاں شدید حالات ورنہ نقصان پہنچا سکتے ہیں۔

حقیقی دنیا کے اطلاقات میں کلیمپنگ وولٹیج، ردعمل کا وقت، اور TLP کی تشخیص

بجلی کے جھٹکے سے بچاؤ کے حوالے سے، تین اہم پہلو ہوتے ہیں: وولٹیج کی مقدار جو کلیمپ کی جاتی ہے، آلے کے ردعمل کی رفتار، اور ٹرانسمیشن لائن پلسز (TLP) کے ذریعے اس کی جانچ کرنے پر کیا ہوتا ہے۔ ایک 5 وولٹ کلیمپنگ والے ٹی وی ایس ڈایود کو مثال لیں—یہ نازک انضمامی سرکٹس کو محفوظ رکھتا ہے کیونکہ ان کی گیٹ آکسائیڈ عام طور پر تقریباً 10 وولٹ پر خراب ہونے لگتی ہے۔ 5 جی اینٹینا جیسی آر ایف چیزوں کے لیے آدھے نینو سیکنڈ سے کم ردعمل کی رفتار حاصل کرنا واقعی فرق ڈالتی ہے۔ ورنہ وقتاً فوقتاً نقصان کے چھوٹے چھوٹے ذرّے جمع ہوتے رہتے ہیں جس کا کسی کو علم نہیں ہوتا۔ IEC 61000-4-2 معیارات کے مطابق TLP طریقوں سے جانچ کرنا ہمیں بالکل بتاتا ہے کہ یہ آلے کس طرح ناکام ہوتے ہیں۔ کرنٹ اور وولٹیج کے پلاٹس کا جائزہ لینے سے انجینئرز یہ تمیز کر سکتے ہیں کہ کیا کوئی چیز اچانک واپس آتی ہے یا نرمی سے کلیمپ ہوتی ہے۔ جو کچھ پروڈیوسرز کو ملتا ہے وہ یہ ہے کہ اچھے ٹی وی ایس ڈایود 30 ایمپئر کے بڑے پلسز کے دوران بھی اپنی متحرک مزاحمت کو 10 اوہم سے کم رکھتے ہیں۔ جدید الیکٹرانکس میں اعلیٰ فریکوئنسی سگنلز کے ساتھ نمٹتے وقت یہ پولیمر بنیاد حل کو بھی پیچھے چھوڑ دیتا ہے۔

ایس ڈی کے دباؤ کی ٹیکنالوجیز کا موازنہ

کلیمپنگ درستگی اور جھٹکے کی صلاحیت کے درمیان توازن قائم کرنا نہایت ضروری ہے۔ بہت زیادہ انجینئرنگ لاگت بڑھاتی ہے، جبکہ کم حفاظت CMOS لیچ اَپ کا خطرہ پیدا کرتی ہے۔

جدید الیکٹرانکس کے لیے مؤثر ESD حفاظتی سرکٹس کی ترکیب

اچھے ESD حفاظتی سرکٹس کی ڈیزائن کرنے کے لیے، انہیں ٹی وی ایس ڈائیوڈز جیسے سپریشن کمپونینٹس کو ان کنیکٹرز اور ان پٹ/آؤٹ پٹ پورٹس کے قریب رکھنا ضروری ہے جہاں سرجرز عام طور پر نازک انٹیگریٹڈ سرکٹس تک پہنچنے سے پہلے داخل ہوتے ہی ہیں۔ کلیمپنگ وولٹیج کو اس حد سے تھوڑا کم رکھنا چاہیے جو محفوظ کیے جانے والے کمپونینٹس کو نقصان پہنچا سکے۔ اسی طرح، جنکشن کیپیسیٹنس کو کم رکھنا جدید انٹرفیسز میں تیز ڈیٹا ٹرانسفر کے لیے سگنل کی معیار برقرار رکھنے میں مدد دیتا ہے۔ پی سی بی بورڈ پر چھوٹے راستے ٹریس انڈکٹنس کو کم کرتے ہیں جس سے پورا سسٹم ضرورت پڑنے پر بہتر طریقے سے ردعمل ظاہر کرتا ہے۔ بہت سارے انجینئرز اب ملٹی اسٹیج حفاظتی ترتیبات کو ترجیح دیتے ہیں کیونکہ وہ سنگل پوائنٹ حل کے مقابلے میں مشکل صورتحال کو بہتر طریقے سے سنبھالتی ہیں۔ این ایس آئی/ESD S20.20-2021 جیسے معیارات پر عمل کرنا پروڈیوسرز کو یقین دلانے کا ذریعہ ہے کہ ان کی مصنوعات اچانک خرابیوں اور وقت کے ساتھ آہستہ آہستہ پھٹنے دونوں کو برداشت کر سکتی ہیں۔ یہ اس لیے بھی زیادہ اہم ہے کہ آج چپس مسلسل چھوٹی ہوتی جا رہی ہیں، نینومیٹر سائز تک نوبت پہنچ گئی ہے جہاں وہ درحقیقت الیکٹرو سٹیٹک نقصان کے لیے زیادہ نقصان دہ ہو جاتی ہیں۔ TLP طریقوں کے ساتھ سسٹم لیول پر ٹیسٹنگ اب بھی انتہائی اہم ہے، کیونکہ لیب کے نتائج ہمیشہ میدان میں غیر متوقع اسٹیٹک واقعات کے ساتھ جو کچھ ہوتا ہے اس سے مطابقت نہیں رکھتے۔

ایس ایس ڈی محفوظ کام کے ماحول: ورک اسٹیشنز سے لے کر پیکیجنگ تک

تصنیع میں سٹیٹک-ڈسپیسیٹو فرش اور آئی ایس او 6360 کی پابندی

ایس ایس ڈی کے لحاظ سے محفوظ ماحول تخلیق کرنا جیسے کنڈکٹو خصوصیات کے ساتھ ای پی ڈی ایم ٹائلز کے استعمال سے مناسب فرش کے مواد کے ساتھ شروع ہوتا ہے۔ یہ فرش اپنی سطح کی مزاحمت کو 1 ملین سے 1 بلین اوہمز کی حد تک برقرار رکھتے ہیں، جس سے سٹیٹک چارجز جمع ہونے کے بجائے محفوظ طریقے سے منتشر ہو سکتے ہی ہیں۔ آئی ایس او 6360-5 معیارات کے مطابق، سہولیات کو اپنے فرش کی مزاحمت اور گراؤنڈنگ کنکشنز کی باقاعدہ جانچ کرنی چاہیے۔ 2023 میں ایرائی کی تحقیق کے مطابق، ان ہدایات پر عمل کرنے والی کمپنیوں میں ان کمپنیوں کے مقابلے میں تقریباً 75 فیصد کم الیکٹرو سٹیٹک ڈسچارج واقعات دیکھے گئے ہیں جو معیارات پر عمل نہیں کرتیں۔ یہ نظام فرش، کام کی سطحوں اور اصل زمینی گراؤنڈ کے درمیان گراؤنڈنگ پوائنٹس کو جوڑ کر کام کرتا ہے۔ اس طرح ایک مکمل سرکٹ تشکیل دی جاتی ہے جو وولٹیج کو 100 وولٹ سے زیادہ بڑھنے سے روکتی ہے، جسے عام طور پر الیکٹرانکس کی تیاری میں استعمال ہونے والے نازک انضمامی سرکٹس کے لیے حفاظتی حد کے طور پر سمجھا جاتا ہے۔

محفوظ اسٹوریج کے لیے ڈیوئل-لیئر شیلڈنگ بیگز اور فیراڈے کیج کے اصول

دو لیئرز والے شیلڈنگ بیگز فاراڈے کیج کے تصور پر کام کرتے ہیں تاکہ اجزا کو ذخیرہ کرنے یا منتقل کرنے کے دوران محفوظ رکھا جا سکے۔ بیرونی لیئر دھاتی کوٹنگ سے بنی ہوتی ہے جو بیرونی ذرائع سے آنے والی سٹیٹک بجلی کو باہر دھکیلتی ہے، جبکہ اندر کا حصہ خصوصی پلاسٹک سے بنایا گیا ہوتا ہے جو بیگ کے اندر جمع ہونے والے چارجز کو ختم کرنے میں مدد کرتا ہے۔ یہ حفاظتی بیگ الیکٹرو سٹیٹک توانائی کی سطح کو تقریباً 50 ڈیسبیل تک کم کر دیتے ہی ہیں، جس سے IEC معیارات کے مطابق تقریباً 8,000 وولٹ سے زائد ڈس چارجز روکے جاتے ہیں۔ دراصل سیل کو صحیح طریقے سے بنانے کی بہت اہمیت ہے کیونکہ اگر اسے مناسب طریقے سے بند نہیں کیا گیا تو حفاظت تقریباً 90 فیصد تک کم ہو جاتی ہے۔ جب حساس چیزوں جیسے CMOS سینسرز کی بات آتی ہے، تو انہیں ایسے ماحولیاتی کیبنٹس میں رکھنا جہاں نمی تیس فیصد سے کم رہے، بعد میں پیدا ہونے والی پوشیدہ مسائل کو روکنے میں واقعی مدد دیتا ہے۔ شپنگ اور ہینڈلنگ کے دوران فاراڈے شیلڈ کو متاثر شدہ رکھنا انتہائی اہم رہتا ہے کیونکہ مناسب حفاظت کے بغیر صرف ایک لمحہ بھی قیمتی اجزاء کی حفاظت کے لیے کی گئی تمام کوششوں کو ضائع کر سکتا ہے۔

اکثر پوچھے گئے سوالات

ایلیکٹرواسٹیٹک ڈسچارج (ESD) کیا ہے؟

ایلیکٹرو سٹیٹک ڈسچارج (ESD) اس وقت ہوتا ہے جب دو بجلی سے چارج شدہ اشیاء کے درمیان بجلی کا اچانک بہاؤ ہو، جو حساس الیکٹرانکس کو نقصان پہنچا سکتا ہے۔

الیکٹرانکس کے لیے ESD حفاظت کیوں ضروری ہے؟

ESD کے تحفظ کی اشد ضرورت ہوتی ہے کیونکہ الیکٹرو سٹیٹک ڈسچارج الیکٹرانک اجزاء میں تباہ کن ناکامیاں، پوشیدہ نقصان اور پیرامیٹرک تبدیلیاں پیدا کر سکتا ہے، جس کی وجہ سے آلات کی عمر کم ہو جاتی ہے اور مرمت کی لاگت زیادہ آتی ہے۔

ESD الیکٹرانکس کو کیسے نقصان پہنچاتا ہے؟

ESD CMOS ICs میں گیٹ آکسائیڈز کو پھاڑ سکتا ہے اور پیراسائٹک سلیکان کنٹرول ریکٹیفائرز کو فعال کر سکتا ہے، جس سے تباہ کن کرنٹس پیدا ہوتی ہیں جو آلات کو نقصان پہنچاتی ہیں۔

TVS دوائیز کیا ہیں؟

ٹی وی ایس ڈائیودز وہ حفاظتی اجزاء ہیں جو نازک سرکٹری سے زائد کرنٹ اور وولٹیج کے طوفان کو موڑنے کے لیے استعمال ہوتے ہیں، جس سے الیکٹرو سٹیٹک ڈسچارج کے نتیجے میں ہونے والے نقصان کو روکا جا سکے۔

فائراڈے کیج کیا ہے، اور یہ الیکٹرانکس کی حفاظت کیسے کرتی ہے؟

فائراڈے کیج ایک ایسی ساخت ہے جو اپنے اندر موجود اشیاء کو سٹیٹک اور الیکٹرومیگنیٹک فیلڈز سے تحفظ فراہم کرتی ہے، جسے اکثر الیکٹرانک اجزاء کو محفوظ طریقے سے ذخیرہ کرنے کے لیے پیکیجنگ حل کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے۔