التفريغ الكهروستاتيكي

التفريغ الكهروستاتيكي ( ESD ) هو تدفق مفاجئ ولحظي للتيار الكهربائي بين جسمين مشحونين بشكل مختلف عند تقريبهما من بعضهما البعض أو عند انهيار العازل بينهما، مما يؤدي غالبًا إلى ظهور شرارة مرئية مرتبطة بالكهرباء الساكنة بين الجسمين.

يمكن أن يُحدث التفريغ الكهروستاتيكي شرارات كهربائية هائلة ( يُعدّ البرق ، المصحوب بصوت الرعد ، مثالًا على حدث تفريغ كهروستاتيكي واسع النطاق)، ولكنه قد يُحدث أيضًا أشكالًا أقل وضوحًا، قد لا تُرى ولا تُسمع، ومع ذلك فهي كبيرة بما يكفي لإلحاق الضرر بالأجهزة الإلكترونية الحساسة. تتطلب الشرارات الكهربائية شدة مجال كهربائي تزيد عن 4 ملايين فولت/متر تقريبًا في الهواء، كما يحدث بشكل ملحوظ في ضربات البرق. تشمل الأشكال المشابهة للتفريغ الكهربائي التفريغ الهالي من الأقطاب الكهربائية الحادة، والتفريغ الناتج عن الاحتكاك من الأقطاب الكهربائية غير الحادة، وما إلى ذلك.

يمكن أن يتسبب التفريغ الكهروستاتيكي في آثار ضارة بالغة الأهمية في الصناعة، بما في ذلك الانفجارات في الغاز وأبخرة الوقود وغبار الفحم، فضلاً عن تلف مكونات الإلكترونيات الصلبة مثل الدوائر المتكاملة . ^{[ 1 ]} وقد تتعرض هذه المكونات لتلف دائم عند تعرضها لفولتيات عالية. ولذلك، يقوم مصنّعو الإلكترونيات بإنشاء مناطق حماية من الشحنات الكهروستاتيكية خالية من الكهرباء الساكنة، باستخدام تدابير لمنع الشحن، مثل تجنب المواد عالية الشحن، وتدابير لإزالة الكهرباء الساكنة مثل تأريض العمال، وتوفير أجهزة مضادة للكهرباء الساكنة ، والتحكم في الرطوبة.

يمكن استخدام أجهزة محاكاة التفريغ الكهروستاتيكي لاختبار الأجهزة الإلكترونية، على سبيل المثال باستخدام نموذج لجسم الإنسان أو نموذج لجهاز مشحون.

أحد أسباب حوادث التفريغ الكهروستاتيكي هو الكهرباء الساكنة . غالبًا ما تتولد الكهرباء الساكنة من خلال الاحتكاك الكهربائي ، وهو فصل الشحنات الكهربائية الذي يحدث عند تلامس مادتين ثم فصلهما. تشمل أمثلة الاحتكاك الكهربائي المشي على سجادة، أو فرك مشط بلاستيكي بشعر جاف، أو فرك بالون بكنزة، أو النزول من مقعد سيارة قماشي، أو إزالة بعض أنواع التغليف البلاستيكي. في جميع هذه الحالات، يؤدي انقطاع التلامس بين المادتين إلى الاحتكاك الكهربائي، مما يخلق فرقًا في الجهد الكهربائي قد يؤدي إلى حدوث تفريغ كهروستاتيكي.

من أسباب تلف التفريغ الكهروستاتيكي الحث الكهروستاتيكي . يحدث هذا عندما يوضع جسم مشحون كهربائيًا بالقرب من جسم موصل معزول عن الأرض. يُنشئ وجود الجسم المشحون مجالًا كهروستاتيكيًا يُعيد توزيع الشحنات الكهربائية على سطح الجسم الآخر. ورغم أن الشحنة الكهروستاتيكية الكلية للجسم لم تتغير، إلا أنه يحتوي الآن على مناطق ذات شحنات موجبة وسالبة زائدة. قد يحدث التفريغ الكهروستاتيكي عند ملامسة الجسم لمسار موصل. على سبيل المثال، يمكن للمناطق المشحونة على أسطح أكواب أو أكياس الستايروفوم أن تُحدث جهدًا كهربائيًا على المكونات الحساسة للتفريغ الكهروستاتيكي القريبة عبر الحث الكهروستاتيكي، وقد يحدث التفريغ الكهروستاتيكي إذا لُمس المكون بأداة معدنية.

يمكن أن يحدث التفريغ الكهروستاتيكي أيضًا نتيجة اصطدام جسيمات مشحونة عالية الطاقة بجسم ما. وهذا يؤدي إلى زيادة الشحن السطحي والعميق. وهذا خطر معروف لمعظم المركبات الفضائية . ^{[ 2 ]}

تتفاوت ظواهر التفريغ الكهروستاتيكي في تعقيدها وشدتها، وتُعد الشرارة الكهربائية المثال الأبرز والأكثر وضوحًا. يحدث هذا عندما يُؤيّن مجال كهربائي قوي الهواء، مُنشئًا قناة موصلة قادرة على نقل التيار الكهربائي. قد يشعر البعض بوخزة كهربائية خفيفة، لكن التفريغ الكهروستاتيكي قد يُلحق أضرارًا جسيمة بالمكونات الإلكترونية، مما قد يؤدي إلى أعطال وتوقفات. في البيئات الخطرة التي تحتوي على غازات قابلة للاشتعال أو جزيئات غبار، قد يُؤدي التفريغ الكهروستاتيكي إلى نشوب حرائق أو انفجارات.

مع ذلك، لا يصاحب جميع حوادث التفريغ الكهروستاتيكي شرارة مرئية أو ضوضاء. فمن الممكن أن يحمل الشخص شحنة كهربائية، وإن كانت غير محسوسة بالحواس البشرية، إلا أنها قد تكون قوية بما يكفي لإلحاق الضرر بالأجهزة الإلكترونية الحساسة. قد تتضرر بعض المكونات بتفريغات كهربائية خافتة تصل إلى 30  فولت، وقد لا يظهر هذا الضرر أحيانًا إلا بعد استخدام مكثف، مما يؤثر على عمر الأجهزة وأدائها.

أحداث تفريغ الكابلات (CDEs) هي عمليات تفريغ تحدث عند توصيل الكابلات الكهربائية بجهاز ما.

سباركس

تحدث شرارة كهربائية عندما تتجاوز شدة المجال الكهربائي حوالي 4-30 كيلوفولت/سم ^{[ 3 ]} ، وهي شدة المجال العازل للهواء . قد يؤدي ذلك إلى زيادة سريعة جدًا في عدد الإلكترونات والأيونات الحرة في الهواء، مما يجعل الهواء موصلًا كهربائيًا بشكل مفاجئ في عملية تُسمى الانهيار العازل .

لعلّ أشهر مثال على الشرارة الطبيعية هو البرق . في هذه الحالة، يكون الجهد الكهربائي بين السحابة والأرض، أو بين سحابتين، عادةً مئات الملايين من الفولتات . ويتسبب التيار الناتج الذي يسري عبر قناة البرق في نقل هائل للطاقة . وعلى نطاق أصغر بكثير، يمكن أن تتشكل الشرارات في الهواء أثناء التفريغ الكهروستاتيكي من الأجسام المشحونة بجهد منخفض يصل إلى 380 فولت ( قانون باشين ).

يتكون الغلاف الجوي للأرض من 21% أكسجين (O₂ ₎ و78% نيتروجين (N₂ ₎ . أثناء التفريغ الكهروستاتيكي، مثل ومضة البرق، تتعرض جزيئات الغلاف الجوي المتأثرة لإجهاد كهربائي زائد. تنقسم جزيئات الأكسجين ثنائية الذرة ، ثم تتحد لتكوين الأوزون (O₃ ₎ ، وهو جزيء غير مستقر، أو يتفاعل مع المعادن والمواد العضوية. إذا كان الإجهاد الكهربائي مرتفعًا بدرجة كافية، فقد تتكون أكاسيد النيتروجين ( NOx ). كلا الناتجين سامّان للحيوانات، وأكاسيد النيتروجين ضرورية لتثبيت النيتروجين . يهاجم الأوزون جميع المواد العضوية من خلال عملية الأوزونوليز، ويُستخدم في تنقية المياه .

تُعدّ الشرارات مصدرًا للاشتعال في البيئات القابلة للاحتراق، وقد تؤدي إلى انفجارات كارثية في البيئات الغنية بالوقود. يُمكن إرجاع معظم الانفجارات إلى تفريغ كهربائي ساكن ضئيل، سواءً كان تسربًا غير متوقع للوقود القابل للاحتراق إلى جهاز شرارة معروف في الهواء الطلق، أو شرارة غير متوقعة في بيئة غنية بالوقود. وتكون النتيجة واحدة في حال وجود الأكسجين وتوافر معايير مثلث الاشتعال الثلاثة.

يمكن أن تتضرر العديد من المكونات الإلكترونية، وخاصة الدوائر المتكاملة والرقائق الدقيقة ، بفعل التفريغ الكهروستاتيكي. ^{[ 1 ]} يجب حماية المكونات الحساسة أثناء التصنيع وبعده، وأثناء الشحن وتجميع الجهاز، وفي الجهاز النهائي. يُعد التأريض بالغ الأهمية للتحكم الفعال في التفريغ الكهروستاتيكي، وينبغي تحديده بوضوح وتقييمه بانتظام. ^{[ 4 ]}

الحماية أثناء التصنيع

في مجال التصنيع، يعتمد منع التفريغ الكهروستاتيكي على منطقة محمية من التفريغ الكهروستاتيكي. قد تكون هذه المنطقة محطة عمل صغيرة أو منطقة تصنيع واسعة. ويتمثل المبدأ الأساسي لهذه المنطقة في عدم وجود مواد عالية الشحنة بالقرب من الأجهزة الإلكترونية الحساسة للتفريغ الكهروستاتيكي، وتأريض جميع المواد الموصلة والمبددة للشحنات، وتأريض العاملين، ومنع تراكم الشحنات على هذه الأجهزة. وتُستخدم المعايير الدولية لتحديد نموذج نموذجي لهذه المنطقة، ويمكن الاطلاع عليها، على سبيل المثال، من اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) أو المعهد الوطني الأمريكي للمعايير (ANSI).

قد تشمل إجراءات الوقاية من التفريغ الكهروستاتيكي داخل منطقة العمل استخدام مواد تغليف مناسبة وآمنة ضد التفريغ الكهروستاتيكي، واستخدام خيوط موصلة على ملابس عمال التجميع، وأحزمة معصم وأقدام موصلة لمنع تراكم الفولتية العالية على أجسام العمال، وحصائر مضادة للكهرباء الساكنة أو مواد أرضيات موصلة لتفريغ الشحنات الكهربائية الضارة بعيدًا عن منطقة العمل، والتحكم في الرطوبة . تمنع الظروف الرطبة توليد الشحنات الكهروستاتيكية لأن طبقة الرطوبة الرقيقة التي تتراكم على معظم الأسطح تعمل على تبديد الشحنات الكهربائية.

تُستخدم أجهزة التأيين خاصةً عندما يتعذر تأريض المواد العازلة. تساعد أنظمة التأيين على معادلة الشحنات الكهربائية على أسطح المواد العازلة أو العازلة للكهرباء . يجب إبعاد المواد العازلة المعرضة للشحن الاحتكاكي الذي يزيد عن 2000  فولت مسافة لا تقل عن 30 سم عن الأجهزة الحساسة لمنع شحنها عرضيًا عن طريق الحث الكهرومغناطيسي. في الطائرات، تُستخدم أجهزة تفريغ الشحنات الساكنة على الحواف الخلفية للأجنحة والأسطح الأخرى.

يجب على مصنعي ومستخدمي الدوائر المتكاملة اتخاذ الاحتياطات اللازمة لتجنب التفريغ الكهروستاتيكي. يمكن أن يكون منع التفريغ الكهروستاتيكي جزءًا من الجهاز نفسه، ويشمل ذلك تقنيات تصميم خاصة لمنافذ الإدخال والإخراج. كما يمكن استخدام مكونات حماية خارجية مع تصميم الدائرة.

نظراً لطبيعة العوازل الكهربائية للمكونات والمجموعات الإلكترونية، لا يمكن منع الشحن الكهروستاتيكي بشكل كامل أثناء التعامل مع الأجهزة. كما أن معظم المجموعات والمكونات الإلكترونية الحساسة للتفريغ الكهروستاتيكي صغيرة الحجم، ما يجعل تصنيعها والتعامل معها يتم باستخدام معدات آلية. لذا، تُعدّ إجراءات الوقاية من التفريغ الكهروستاتيكي بالغة الأهمية في العمليات التي تتلامس فيها المكونات مباشرةً مع أسطح المعدات. إضافةً إلى ذلك، من المهم منع التفريغ الكهروستاتيكي عند توصيل مكون حساس للتفريغ الكهروستاتيكي بأجزاء موصلة أخرى من المنتج نفسه. ومن الطرق الفعّالة لمنع التفريغ الكهروستاتيكي استخدام مواد غير موصلة بشكل كبير، ولكنها تُبدد الشحنات الساكنة ببطء. تُسمى هذه المواد بالمواد المُبددة للشحنات الساكنة، وتتميز بقيم مقاومة نوعية أقل من 10^ ¹² أوم-متر. يجب أن تكون المواد المستخدمة في التصنيع الآلي، والتي تلامس المناطق الموصلة في المكونات الإلكترونية الحساسة للتفريغ الكهروستاتيكي، مصنوعة من مواد مُبددة للشحنات، ويجب تأريض هذه المواد. تتميز هذه المواد الخاصة بقدرتها على توصيل الكهرباء، ولكن ببطء شديد. وتتبدد أي شحنات ساكنة متراكمة دون حدوث تفريغ مفاجئ قد يُلحق الضرر بالبنية الداخلية لدوائر السيليكون .

الحماية أثناء النقل

يجب حماية الأجهزة الحساسة أثناء الشحن والمناولة والتخزين. ويمكن تقليل تراكم الشحنات الساكنة وتفريغها عن طريق التحكم في مقاومة السطح والمقاومة الحجمية لمواد التغليف. كما يُصمم التغليف لتقليل الشحنات الاحتكاكية أو الكهروإجهادية الناتجة عن احتكاك العبوات ببعضها أثناء الشحن، وقد يكون من الضروري دمج دروع كهروستاتيكية أو كهرومغناطيسية في مادة التغليف. ^{[ 5 ]} ومن الأمثلة الشائعة على ذلك أن أجهزة أشباه الموصلات ومكونات الحاسوب تُشحن عادةً في أكياس مضادة للكهرباء الساكنة مصنوعة من بلاستيك موصل جزئيًا، والذي يعمل كقفص فاراداي لحماية المحتويات من التفريغ الكهروستاتيكي.

لاختبار مدى تأثر الأجهزة الإلكترونية بالتفريغ الكهروستاتيكي الناتج عن التلامس البشري، يُستخدم غالبًا جهاز محاكاة التفريغ الكهروستاتيكي ذو دائرة خرج خاصة، تُعرف بنموذج جسم الإنسان (HBM). يتكون هذا النموذج من مكثف موصول على التوالي مع مقاوم . يُشحن المكثف إلى جهد عالٍ محدد من مصدر خارجي، ثم يُفرغ فجأة عبر المقاوم إلى طرف كهربائي للجهاز قيد الاختبار . أحد أكثر النماذج استخدامًا مُحدد في معيار JEDEC 22-A114-B، الذي يُحدد مكثفًا بسعة 100 بيكوفاراد ومقاومة بقيمة 1500 أوم . من المعايير المشابهة الأخرى: MIL-STD-883 ، الطريقة 3015، ومعيار ESD STM5.1 الصادر عن جمعية التفريغ الكهروستاتيكي. وللامتثال لمعايير الاتحاد الأوروبي لمعدات تكنولوجيا المعلومات، تُستخدم مواصفة الاختبار IEC/EN 61000-4-2 . ^{[ 6 ]} تشير مواصفات أخرى، استشهدت بها شركة شافنر المصنعة للمعدات، إلى أن السعة (C) تساوي 150  بيكوفاراد والمقاومة (R) تساوي 330  أوم، مما يوفر نتائج عالية الدقة. ورغم توافر الجانب النظري في معظمه، إلا أن قلة قليلة من الشركات تقيس معدل بقاء المنتج فعليًا في حالة التفريغ الكهروستاتيكي. وتُقدم إرشادات ومتطلبات خاصة بأشكال خلايا الاختبار، ومواصفات المولدات، ومستويات الاختبار، ومعدل التفريغ وشكل الموجة، وأنواع ونقاط التفريغ على المنتج المستهدف، ومعايير وظيفية لتقييم قدرة المنتج على تحمل التفريغ.

يُستخدم اختبار نموذج الجهاز المشحون ( CDM) لتحديد قدرة الجهاز على تحمل التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) عندما يكون الجهاز نفسه مشحونًا كهروستاتيكيًا ويفرغ شحنته نتيجة التلامس مع المعدن. يُعد هذا النوع من التفريغ الأكثر شيوعًا في الأجهزة الإلكترونية، وهو المسؤول عن معظم أضرار التفريغ الكهروستاتيكي أثناء تصنيعها. يعتمد تفريغ CDM بشكل أساسي على العوامل الطفيلية للتفريغ، ويتأثر بشدة بحجم ونوع غلاف المكون. يُعد نموذج اختبار محاكاة CDM الذي وضعته JEDEC أحد أكثر نماذج اختبار CDM استخدامًا .

تشمل دوائر اختبار ESD القياسية الأخرى نموذج الآلة (MM) ونبضة خط النقل (TLP).

• يحدد مجلس إلكترونيات السيارات ، في بعض معاييره، متطلبات تأهيل اختبار الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي للمكونات الإلكترونية المستخدمة في المركبات.
• جهاز استقبال لاسلكي عازل
• القوس الكهربائي
• نبضة كهرومغناطيسية
• مقياس الفولتية الكهروستاتيكي
• ggNMOS
• في اختبارات التأهيل لأجهزة أشباه الموصلات ، يُنظر عادةً إلى ظاهرة التفريغ الكهروستاتيكي وظاهرة الالتصاق معًا.
• فجوة الشرارة
• الكهرباء الساكنة
• آلة ويمشورست