Elektrostatik boşalma

Elektrostatik boşalma (ESD, Electrostatic Discharge), elektriksel yüklü iki nesnenin temasıyla gerçekleşen ani bir elektrik akımı, kısa devre veya dielektrik bozulması dır. Statik elektriğin artışı sürtünme ile yüklenmeden veya elektrostatik indüksiyondan kaynaklanabilir. ESD, farklı yüklü iki nesne bir araya getirildiğinde veya aralarındaki dielektrik bozulduğunda genellikle görülebilir bir kıvılcım yaratarak meydana gelir.

ESD olağanüstü kıvılcımlar (gök gürültüsü nün eşlik etmesiyle birlikte şimşek büyük çapta bir ESD olayıdır) veya görülüp duyulamasa da yine de hassas elektronik araçlara zarar vermek için oldukça yeterli olan daha az belirgin şekiller yaratabilir. Elektrik kıvılcımları şimşek çakmasında olduğu gibi, havada yaklaşık 4 kV/cm‘ nin üstünde alan gücü gerektirir. ESD'nin diğer biçimleri keskin elektrotların corona boşalması ile keskin olmayan elektrotların sızmayla boşalım ıdır.

ESD, endüstrideki önemli zararlı etkilerinin bir kısmına sebep olabilir (Gaz, buhar yakıtları; kömür tozu patlamaları ve katı hal elektroniğinin bütünleşik devreler gibi bazı bileşenlerindeki başarısızlığı dahil olmak üzere). Bunlar yüksek voltaja maruz kaldığında kalıcı hasara uğrayabilir. Elektroniğin üreticileri bu yüzden, elektriklenmeyi önleyici tedbirler alarak (yüksek elektriksel yüklü malzemelerden kaçınarak ve insan çalışanları topraklayıp, akımtoplamaz araçlar temin edip, nemliliği kontrol edip statik elektriği yok edici tedbirler alarak) statik elektriği olmayan elektrostatik koruma alanları saptamıştır.

ESD simülatörleri elektronik araçları denemek için kullanılabilir. (Örneğin, insan vücudu modeli ile elektrik yüklü araç modeli)

ESD'nin bir nedeni statik elektrik tir. Statik elektrik genellikle sürtünme ile yüklenme (iki maddenin temas ettirilip daha sonra ayrılmasıyla meydana gelen elektrostatik yük dağılımı) dolayısıyla ortaya çıkar. Halıda yürümek, plastik bir tarağı kuru saça sürtmek, bir balonu süvetere sürtmek, bir arabanın kumaş koltuğunda yükselmek veya bazı plastik ambalajları sökmek sürtünme ile elektriklenmenin örneklerindendir.

Yüklü nesnelerin yanında yükleri ayrışmış, yani kutuplaşmış cisimler de ESD nedeni olabilir. Asıl neden statik elektrik yüküdür ve belirli bir kutbiyetteki nesnede bekleme durumunda (potansiyel) olan yükler farklı bir potansiyelde nesneye temas ettirildiğinde veya yaklaştırıdığında potansiyel farkına bağlı olarak boşalmaya neden olur.^[1]

ESD zararının bir diğer nedeni de elektrostatik indüksiyon dur. Elektrostatik indüksiyon, elektriksel yüklü bir nesne, topraktan ayrılan iletken bir maddenin yanına yerleştirildiğinde meydana gelir. Yüklü nesnenin bulunması, diğer nesnenin yüzeyindeki elektriksel yüklerin yeniden dağılmasına neden olan elektrostatik bir alan yaratır. Nesnenin toplam elektrostatik yükü değişmese de artık, aşırı pozitif ve negatif yük bölgelerine sahip olur. Nesne iletken yol ile temasa geçtiğinde bir ESD olayı meydana gelebilir. Örneğin, strafor kupa veya çantanın yüzeyindeki yüklü bölgeler elektrostatik indüksiyon sayesinde, ESD'ye hassas bileşenlerde potansiyel indükleyebilir ve eğer bu bileşen metalik bir araçla temas ettirilirse bir ESD olayı meydana gelebilir.

ESD'nin en olağanüstü biçimi, güçlü bir elektrik alanın havada iyonlaşmış bir iletken kanal yaratmasıyla meydana gelen kıvılcımdır. Bu olay insanlar üzerinde ufak rahatsızlıklara, elektronik donanımlarda şiddetli zararlara ve eğer hava yanıcı gazlar ve parçacıklar içeriyorsa yangınlara ve patlamalara sebep olabilir.

Fakat çoğu ESD olayı, görülemeyen ve işitilemeyen kıvılcımlar olmaksızın meydana gelir. Nispeten daha küçük elektrik yükü taşıyan bir kişi, hassas elektronik bir bileşene zarar verebilecek kadar yeterli bir boşalımı hissedemeyebilir. Bazı araçlar 30V kadar küçük bir boşalım ile zarar görebilir. ESD'nin bu görülemeyen biçimleri doğrudan elektronik araç bozukluklarına veya araçların uzun zaman güvenilebilirliği ve performansındaki verim kaybının daha az belirgin biçimlerine sebep olabilir. Bazı araçlardaki bozulma, hizmet süresi boyunca bariz olmayabilir.

Kıvılcım, elektrik alan gücünün yaklaşık 4-30kV/cm'i (havanın dielektrik alan gücü) aşmasıyla tetiklenir. Bu olay dielektrik bozulması olarak adlandırılan süreçte havanın geçici süreliğine ansızın elektriksel bir iletken olmasına sebep olarak, havadaki serbest elektron ve iyon sayısında çok ani bir artışa neden olabilir.

Muhtemelen doğal kıvılcımın en bilinen örneği şimşektir. Bu durumda bulut ve yer arasındaki veya iki bulut arasındaki elektrik potansiyeli sıklıkla yüz milyonlarca volt kadardır. Bunun sonucunda oluşan ve hareket kanalı boyunca devir yapan akım devasa boyutta bir enerji transferine sebep olur. Çok daha küçük bir ölçekte, kıvılcımlar havada elektrostatik boşalmalar boyunca 380 V kadar az yüklü nesnelerden meydana gelebilir. (Paschen's yasası) Dünya atmosferi %21 oksijen (O2) ve %78 azottan (N2) oluşur. Şimşek çakması gibi bir elektrostatik boşalma boyunca, etkilenen atmosferik moleküller elektriksel olarak çok gerilir. İki atomlu oksijen molekülleri ayrılır. Kararsız veya metaller ve organik maddelerle tepkimeye giren ozon (O3) biçimine girerler. Eğer elektriksel gerilim yeteri kadar yüksekse, azot oksit ler (NOx) oluşabilir. Her iki ürün de hayvanlar için zehirleyicidir ve azot oksitler azot fiksasyonu için gereklidir. Ozon, ozon ayrışımı ile tüm organik maddelere tutunur ve su arıtımı nda kullanılır.

Kıvılcımlar, kolay tutuşabilen ortamlar için yanma kaynağıdır ve bu yoğun yakıt ortamlarında yıkıcı patlamalara sebep olabilir. Çoğu patlama, bilinen bir açık hava kıvılcım cihazını istila eden beklenmeyen bir yakıt sızıntısı veya bilinen yakıtça zengin bir çevrede beklenmeyen bir kıvılcım olup olmadığı önemli olmaksızın çok küçük bir elektrostatik boşalma sonrasında gerçekleşir. Eğer oksijen mevcut ve ateş üçgeni nin üç koşulu da bir araya gelmişse, sonuçta olan aynıdır.

Birçok elektronik bileşen, özellikle mikroçipler, ESD tarafından zarar görebilir. Hassas bileşenler; imalat süresince ve sonrasında, nakliyat ve parça montajı süresince ve bitirilmiş halinde korunmaya ihtiyaç duyar.

İmalatta ESD'nin önlenmesi Elektrostatik Boşalma Korunmalı Alan (EPA, Electrostatic Discharge Protected Area) temel alınarak sağlanır. EPA küçük bir çalışma alanı veya büyük bir imalat alanı olabilir. EPA'nın temel ilkesi, ESD'ye hassas elektroniklerin yakınlarında yüksek yüklü malzemeler bulundurmamaktır. Tüm iletken malzemeler ve çalışanlar topraklanır, ESD'ye hassas elektroniklerde yük birikimi engellenir. Uluslararası standartlar tipik bir EPA'yı belirler, bu standartlar Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (IEC, International Electrotechnical Commission) veya Amerikan Ulusal Standartlar Enstitüsü (ANSI, American National Standards Institute) gibi örnekler tarafından bulunur.

EPA içerisinde ESD önlemesi; uygun ESD güvenli paketlenmiş malzemeler kullanılması, çalışanların giydiği giysilerde iletken ince ipliklerin kullanılması, çalışanların vücutlarında yüksek voltaj birikmesini önlemek için iletken bilek ve ayak kelepçeleri kullanılması, zararlı elektrik yükünü çalışma alanından uzak tutmak için anti-statik halılar veya iletken zemin kaplama malzemeleri kullanılması ve nem oranı kontrolünü içerir. Çoğu yüzeyde biriken ince nem tabakası elektrik yüklerini dağıtmaya yaradığından, nemli koşullar elektrostatik yük oluşumunu önler.

İyon üreteçleri bazen, ortamın hava akımına iyonları enjekte etmek için kullanılır. İyonlaştırma sistemleri, yalıtkan veya dielektrik maddelerin yüklü yüzey bölgelerini nötrleştirmeye yardımcı olur. Sürtünme ile elektriklenmeye eğilimli iletken maddeler, indüksiyon sonucu kazara oluşabilecek yüklenmeleri önlemek için hassas cihazlardan uzak tutulmalıdır. Uçakta statik boşaltıcılar, kanatların ve diğer yüzeylerin bitiş kenarlarında kullanılır.

Birleşik devrelerin üreticileri ve kullanıcıları, ESD'den kaçınmak için bir takım önlemler almalıdır. ESD önlemesi cihazın kendisinin bir parçası olabilir veya giriş ve çıkış uçları için özel tasarım teknikleri içerebilir. Devrenin tasarımı ile birlikte harici koruma bileşenleri de kullanılabilir.

Elektronik bileşenleri ve takımlarının dielektrik doğası gereği, elektrostatik yüklenme cihazların yönetimi süresince tamamıyla önlenemez. ESD'ye hassas elektronik takımların ve bileşenlerin çoğunun imalat ve yönetimi, otomatikleştirilmiş donanımlar ile bitirilebilecek denli küçüktür. ESD önleme işlemleri bu yüzden, bileşenlerin donanım yüzeyleriyle direkt temas haline getirildiği bu süreçler ile çok önemlidir. Ayrıca, elektrostatik boşalmaya hassas bileşenlerin, ürünün kendisinin diğer iletken parçalarıyla temas ettiği anda ESD'yi önlemek önemlidir. ESD'yi önlemek için en etkili yol, çok iletken olmayan fakat statik yükü yavaşça uzaklaştırabilecek malzemeler kullanmaktır. Bu malzemeler statik dağıtıcı olarak adlandırılır ve 10⁵ ile 10¹² ohm-metre aralığında özdirence sahiptir. Otomatikleştirilmiş imalatta, ESD'ye hassas elektroniğin iletken alanlarına değecek olan malzemeler, dağıtıcı malzemeden yapılmalıdır ve bu malzeme topraklanmalıdır.

Hassas cihazlar nakliyat, kullanım ve saklama süresince korunmalıdır. Statiğin artışı ve boşalması, ambalajlama malzemelerinin yüzey direnci ve özdirenç hacminin kontrolü ile en aza indirgenebilir. Ambalajlama işlemi ayrıca, ambalajların nakliye süresince birbiriyle sürtünerek elektriklenmesini (İngilizce: triboelectric charging) en aza indirgeyecek şekilde tasarlanır ve bu, ambalaj malzemesinin elektrostatik veya elektromanyetik korumayı bünyesinde barındırması için gerekli olabilir.

Elektronik cihazların insan temasından kaynaklanabilecek olan ESD'ye hassasiyetini test etmek için sıklıkla, özel çıkış devresi olan insan vücudu modeli (HBM, Human body model) olarak adlandırılan bir ESD simülatörü kullanılır. Direnç ile seri bağlı bir kondansatör den oluşur. Kondansatör, harici bir kaynak tarafından belirli bir yüksek voltaja şarj edilir ve yükü direnç vasıtasıyla aniden testten geçirilen cihazın (DUT, Device under test) uçlarına boşaltılır. En yaygın şekilde kullanılanı JEDEC 22-A114-B standartlarında tanımlanmıştır (100 piko farad değerinde kondansatör ve 1500 ohm değerinde direnç olarak belirtilmiştir.). MIL-STD-883 Metot 3015 ve ESD Association's ESD STM5.1 benzer diğer standartlardır. Bilgi Teknoloji Donanımlarının Avrupa Birliği (EU, Europoean Union) standartlarına uymak için, IEC/EN 61000-4-2 testi belirtmeleri kullanılır. Ürünün kalımlılığını ölçmek için; test ünitesi geometrileri, üretici belirtmeleri, test seviyeleri, boşalma oranı ve dalga biçimleri, “mağdur” üründeki boşalmanın biçimleri ve noktaları ve işlemsel ölçütleri için yönergeler ve gereklilikler belirtilmiştir.

Yüklü cihaz modeli (CDM, Charged device model) testi, cihaz kendi elektrostatik yüküne sahip olduğunda ve metal teması dolayısıyla boşaldığında cihazın direnebileceği ESD'yi belirlemek için kullanılır. Bu boşalma biçimi, ESD'nin elektronik cihazlardaki en yaygın biçimidir ve imalat sırasındaki ESD zararlarının çoğuna sebep olur. CDM boşalması temel olarak, boşalmanın parazit parametrelerine ve ambalaj bileşenin boyutuna ve biçimine fazlasıyla bağlıdır. En yaygın olarak kullanılan CDM simülasyon testi modellerinden bir tanesi JEDEC tarafından belirlenmiştir.

Diğer standartlaştırılmış ESD testi devreleri, makine modeli (MM, Machine model) ve iletim hattı titreşimidir (TLP).