نحوه عملکرد فیلتر الکترواستاتیک یا ESD در مدارهای الکترونیکی (معمولی و SMD)
پژوهشگر و نویسنده: دکتر ( افشین رشید )
نکته : تمامی ESD ها در مدار قبل از ic ها و برای محافظت از تخلیه بار الکترونیکی بر روی ic به کار میروند.
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.
مزایای ESD در جلوگیری از آسیب ها و خرابی ها(بورد الکترونیکی)
همان‌طور که مستحضر هستید بسیاری از سخت‌افزارهای رایانه‌ای نظیر کارت گرافیک، مادربرد، دیسک سخت و به‌صورت کلی وسایل و دستگاه‌های دربردارنده مدارات الکترونیکی از ترکیب انواع و اقسام المان‌های مختلف مانند مقاومت، خازن و … تشکیل شده‌اند. بسیاری از تراشه‌های نیمه‌هادی نظیر میکروکنترلرها، مدارات مجتمع و … بر پایه منطق‌های استاندارد و از پیش تعیین شده‌ای همانند ترانزیستور – ترانزیستور (TTL)، مقاومت – ترانزیستور (RTL)، ترانزیستورهای مکمل اکسید فلزی نیمه‌رسانا (CMOS) و … طراحی و توسعه یافته‌اند. این دسته از قطعات اغلب در سطوح ولتاژی محدود و به‌خصوصی نظیر 3.5 تا 5 ولت (برای منطق CMOS) و … به فعالیت پرداخته و خروج اختلاف پتانسیل الکتریکی به خارج از این محدوده منجر به خاموش گشتن و یا آسیب به مدارات داخلی IC می‌شود.
پژوهشگر و نویسنده: دکتر ( افشین رشید )