انتقال بار از بدن(الکترواستاتیک)هیچ گاه یک قطعه یا بُرد الکترونیکی را بدون دستکش لمس نکنید (مهندسی الکترونیک مبانی برای تازه کارها)

نویسنده: افشین رشید

نکته: اولین درس الکترونیک برای‌ افراد حرفه ای این است: هیچ گاه یک آی سی ic ، بُرد الکترونیکی ؛ قطعه یا اِلمان الکترونیکی؛ مادربورد ؛CPU؛  را بدون دستکش الکترواستاتیک لمس نکنید ؛ شاید تا بحال این اتفاق برایتان پیش نیامده باشد اما (همیشه پیشگیری بهترین راه مقابله با حوادث است. ) انتقال بار از بدن و آسیب به قطعه یا بُرد الکترونیکی مورد نظر 

به‌طور کلی در قالب یکی از اصلی‌ترین دلایل بروز آسیب‌های جدی و غیرقابل جبران به تراشه‌های نیمه‌هادی و سخت‌افزارهای الکترونیکی به شمار می‌رود، 

 الکترواستاتیک به شاخه‌ای از علم فیزیک گویند که به مطالعه بارهای الکتریکی و نیروهای بین آن‌ها در حالتی که بار چشمه بدون حرکت است می‌پردازد؛ بنابراین باری که بر آن نیرو وارد می‌شود می‌تواند حرکت کند.


از زمان باستان دانسته شده بود که برخی از مواد، مانند کهربا، پس از مالیده شدن، مواد و ذرات سبک را جذب می‌کنند. 

در مشاهدات روزمره پدیده‌های الکترو استاتیکی مثال‌های متعددی دارند که مواردی مانند چسبیدن پوشش‌های پلاستیکی به دست پس از جدا کردن آنها از بسته‌بندی، انفجار ظاهراً خودبخودی سیلوی غلّات، آسیب وارده به قطعات الکترونیکی در هنگام ساخت، و عملکرد دستگاه‌های فوتوکپی را در بر می‌گیرد. این پدیده‌ها عمدتاً ناشی از تجمع بار الکتریکی بر سطح اشیا است که بر اثر تماس با اشیای دیگر صورت می‌گیرد.

قانون کولن

(بیان این کلمه در زبان مبدا آن (فرانسوی) کولن است اما بدلیل نوع نوشتار آن، گاهی آنرا به غلط به شکل نوشتاری “کولمب” مینامند)

معادلهٔ پایهٔ الکترو استاتیک، قانون کولن است که نیروی بین دو «بار نقطه‌ای» را توصیف می‌کند. اندازهٔ نیروی الکترومغناطیس بین دو بار الکتریکی نقطه‌ای با حاصلضرب اندازهٔ بارها نسبت مستقیم، و با مربع فاصلهٔ بین دو بار نسبت معکوس دارد:

F = frac{Q_1Q_2}{4pivarepsilon_0 r^2},

در رابطهٔ بالا، Q۱ و Q۲ اندازهٔ بارها و r فاصلهٔ بین دو بار بوده و ε۰ ثابت گذردهی خلأ نامیده می‌شود، و مقدار آن برابر است با: مقدار برابر با ۸ ضرب در ده به توان ۹ است.

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.

  • نویسنده: مهندس افشین رشید

  • کارشناسی ارشد برق _ الکترونیک از دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران