أساسيات ESD
ESD (تفريغ الكهرباء الساكنة) تعني ظاهرة انتقال سريع للإلكترونات عندما تقترب أو تلامس جسمين. من المعروف أن الأجسام تولد وتتراكم شحنات كهربائية عند التلامس والاحتكام مع الأجسام الأخرى. على سبيل المثال، عندما نفرك أيدينا بالأجسام الأخرى، تتراكم شحنات كهربائية إيجابية بكميات كبيرة. وعندما يكون لدينا جسم مشحون بشحنات كهربائية إيجابية كبيرة ويقترب أو يلامس موصل، تنتقل الإلكترونات بسرعة من الموصل إلى الجسم المشحون إيجابياً. هذه العملية السريعة لنقل الإلكترونات تسمى تفريغ الكهرباء الساكنة (ESD).
غالبًا ما تحتوي الأجهزة الإلكترونية على واجهات متعددة، ويتم توصيل هذه الواجهات بالأشباك داخل الرقائق بواسطة أسلاك. يمكن أن تتسبب التوترات العالية التي تنشأ أثناء تفريغ الكهرباء الساكنة (عادة تصل إلى الآلاف من الفولتات) في اختراق هذه الأسلاك، وفي حالة تدفق تيار كبير، قد تسبب في حرق الأجزاء الإلكترونية. لذلك، يجب تجنب ذلك.
المفتاح لحماية ESD هو توفير مسار تفريغ منفصل للكهرباء الساكنة (مبدأ يشبه دبابيس البرق). يتم تصنيف أجهزة ESD في العادة إلى أربع فئات رئيسية: ترانزيل للحماية من التفريغ الكهربائي الساكن (TVS Diode)، المقاومة الحساسة للجهد (Varistor)، مكثفات الخزف متعددة الطبقات (MLCC)، ومثبطات ESD.
نماذج اختبار ESD
| HBM | MM | CDM | نموذج IEC 61000-4-2 | |
|---|---|---|---|---|
| الجهد المختبر (V) | 500-2000 | 100-200 | 500-2000 | 2000-15000 |
| زمن النبضة (ns) | ~150 | ~80 | ~1 | ~150 |
| التيار القصوى عند تطبيق 2 كيلوفولت (A_pk) | 1.33 | - | ~5 | 7.5 |
| وقت الارتفاع | 25 نانوثانية | - | أقل من 400 بيكوثانية | أقل من نانوثانية 1 |
| عدد الصدمات الكهربائية | 2 | 2 | 2 | 20 |
نموذج الإنسان (HBM، Human Body Model)
يفترض أن هذا الاختبار يحاكي تفريغ الكهرباء الساكنة من جسم الإنسان، ويحاكي الوضع عندما يلمس الإنسان الرقائق بيده.
نموذج الآلة (MM، Machine Model)
يفترض أن هذا الاختبار يحاكي تفريغ الكهرباء الساكنة الناتج عن جهد ثابت بالماكينة أو أدوات أخرى تلمس الرقائق. الفارق الرئيسي بينه وبين نموذج الإنسان هو أن السعة أعلى بكثير وأنه ليس هناك مقاومة، ولذلك من المفترض أن يكون التيار الناتج أكبر بكثير، ونظرًا لتأثير الصدمة الكهرومغناطيسية للأسلاك، يمكن أن يكون هناك تيار اهتزازي، وهذا يعني أن التيار الذي يتم توجيهه إلى الرقائق يتغير بين الإيجابية والسلبية.
نموذج الجهاز المشحون (CDM، Charged Device Model)
النموذجين الأولين يحاكيان الحالات التي يتم فيها تفريغ الكهرباء الساكنة من الأجسام إلى الرقائق
- عند إغلاق مفتاح 1 وفتح مفتاح 2: ستقوم مصدر الطاقة عالي الجهد بشحن الشحنة في $C_d$
- عند فتح مفتاح 1 وإغلاق مفتاح 2: ستتم مضاعفة الشحنة المخزنة في $C_d$ على $C_x$ لإجراء اختبار ESD.
منحنى تيار التفريغ:
## إجراء اختبار ESD
وفقًا للمعيار AEC-Q200-002، يمكن إجراء اختبار HBM وفقًا للخطوات الموضحة في الصورة أدناه:
يتم تصنيف مستوى مقاومة التوتر الذي يتم اختباره وفقًا للجدول أدناه:
| المستوى | الحد الأقصى للتوتر |
| ------- | ------------------------------------------------------------------- |
| 1A | أقل من 500 فولت (تيار مباشر) |
| 1B | 0.5 كيلو فولت (تيار مباشر) أو أعلى وأقل من 1 كيلو فولت (تيار مباشر) |
| 1C | 1 كيلو فولت (تيار مباشر) أو أعلى وأقل من 2 كيلو فولت (تيار مباشر) |
| 2 | 2 كيلو فولت (تيار مباشر) أو أعلى وأقل من 4 كيلو فولت (تيار مباشر) |
| 3 | 4 كيلو فولت (تيار مباشر) أو أعلى وأقل من 6 كيلو فولت (تيار مباشر) |
| 4 | 6 كيلو فولت (تيار مباشر) أو أعلى وأقل من 8 كيلو فولت (تيار مباشر) |
| 5A | 8 كيلو فولت (تيار مباشر) أو أعلى وأقل من 12 كيلو فولت (تيار مباشر) |
| 5B | 12 كيلو فولت (تيار مباشر) أو أعلى وأقل من 16 كيلو فولت (تيار مباشر) |
| 5C | 16 كيلو فولت (تيار مباشر) أو أعلى وأقل من 25 كيلو فولت (تيار مباشر) |
| 6 | 25 كيلو فولت (تيار مباشر) أو أعلى |
تيار مباشر (DC) يشير إلى التفريغ المباشر، وتيار الهواء (AD) يشير إلى التفريغ في الهواء.
## العلاقة بين سعة الكائن المختبر ومقاومة ESD
حجم سعة الكائن المختبر $C_x$ يمكن أن يؤثر على التوتر على جانبيه، وفقًا للعلاقة التالية:
$$
V_x=\frac{C_d}{C_d+C_x}V_d
$$
عند الحفاظ على الجهد الكهربائي (V_d) وسعة الشحنة (C_d) ثابتين، زيادة سعة الكائن المختبر (C_x) ستؤدي إلى انخفاض التوتر على جانبيه (V_x).
لذا، عمومًا، كلما زادت سعة $C_x$، زادت مقاومة ESD. ومع ذلك، في الواقع، بناءً على اختلافات في تصميم العوازل الكهربائية وسماكتها وما إلى ذلك، يمكن أن تختلف نطاقات أداء مقاومة الجهد.
### مراجع وشكر
- [مقدمة في الاعتمادية ومقاومة ESD](https://mazhaoxin.github.io/2021/08/01/Reliability_and_ESD_Introduction/)
- [مذكرات مهندس إلكتروني: المفاهيم الأساسية لمقاومة ESD واختيار الحماية](https://haipeng.me/2019/09/03/esd-protection/)
- [مقاومة ESD للمكثفات](https://article.murata.com/en-us/article/esd-resistance-of-capacitors)
- [فهم دور الأجهزة ESD في تصميم الدوائر المطبوعة](http://murata.eetrend.com/article/2021-11/1004974.html)
ترجمة إلى العربية:
عنوان النص: https://wiki-power.com/ يتم حماية هذا المقال بموجب اتفاقية CC BY-NC-SA 4.0، يُرجى ذكر المصدر عند إعادة النشر.
تمت ترجمة هذه المشاركة باستخدام ChatGPT، يرجى تزويدنا بتعليقاتكم إذا كانت هناك أي حذف أو إهمال.