کیسههای بسته‌بندی آنتی استاتیک (ESD)
انتخاب صحیح کیسههای بسته‌بندی:
آنتی استاتیک | محافظ الکتریسیته ساکن | عایق رطوبتی
مهندس فرهاد جباری
واحد مهندسی شرکت گراندیل
شهریور 93
مقدمه
تقریبا همگان با اثرات الکتریسیته ساکن به صورت کلی آشنا میباشند. به عنوان مثال شوک اندک وارد شده در زمان گرفتن دستگیره درب پس از اصطکاک کفش با زمین و یا چسبیدن لباس‌ها یا الیاف مصنوعی زمانیکه از دستگاه خشک‌کن بیرون آورده می‌شوند از مصداق‌های این پدیده طبیعی میباشند. اما در صنایع الکترونیک این پدیده می‌تواند سبب از بین رفتن قطعات و یا مدارهای الکترونیکی شود.
با توجه به کوچکتر شدن اندازه قطعات و مدارهای الکترونیکی در طول زمان و کاهش امپدانس ورودی و جریانهای مصرفی و کاهش چشمگیر تلرانسها، آسیب‌پذیری این قطعات در برابر الکتریسیته ساکن افزایش پیدا کرده‌است. این موضوع سبب استفاده از تکنیک‌های جابه‌جایی و بسته‌بندی در تمام بخش‌های صنعت الکترونیک از تولید تراشه تا سالن‌های تولید و اطاق‌های تعمیرات برای مقابله با اثرات زیان بخش الکتریسیته ساکن گردیده است.
کیسهها
یکی از متداول‌ترین موارد برای کنترل و حفاظت در برابر الکتریسیته ساکن کیسهها میباشند. استفاده از کیسهها از سال 1960 با معرفی کیسههای آنتی استاتیک “Poly Pink” آغاز گردید. کیسههای محافظ الکتریسیته ساکن نیز در اواخر سال‌های 1970 وارد بازار شدند. همچنین با وجود استفاده بلند مدت نظامی از کیسههای عایق رطوبتی ، امروزه با گسترش فن‌آوری SMT استفاده از این بسته‌ها نیز کاربردی متداول در صنعت اکترونیک پیدا نموده است.
خطرات الکتریسیته ساکن
کلیه ابزار و قطعات مصرفی در محیط ESD Safe نیازمند به محافظت در برابر سه خطر اصلی ناشی از الکتریسیته ساکن میباشند:
تخلیه مستقیم الکتریسیته ساکن (ESD): این تخلیه الکتریکی در خارج از کیسه بسته‌بندی می‌تواند محتوای داخل آن را در معرض جریان بسیار بالا قراردهد که سبب صدمات غیر قابل جبران به مدارهای الکترونیکی و از بین رفتن آن گردد.
میدانهای استاتیکی (Static Fields): این میدان‌ها جریانهای مخربی به قطعات رسانای مدارها القاء می‌کنند که همانطور که در بخش قبلی نیز ذکر گردید می‌تواند سبب از بین رفتن مدارهای الکتریکی محتوای داخل کیسه گردد.
الکتریسیته ساکن ناشی از تماس (Tribocharging): اصطکاک میان کیسه و وسیله داخل آن می‌تواند سبب ایجاد ولتاژ ایستا ، میدانهای مخرب ، جریان الکتریکی و در نهایت تخریب گردد.
آزمایش درجه حفاظت
تست حفاظت در برابر “تخلیه مستقیم الکتریسته ساکن”(ESD) بر اساس پیوست E استاندارد EIA 541 صورت می‌گیرد (شکل شماره 1). بر این اساس یک بار الکتریکی به صورت مسقیم به یک کیسه تخلیه شده و سپس با استفاده از یک سنسور متصل به یک اسیلوسکوپ میزان ولتاژ نفوذ پیدا کرده به کیسه اندازه‌گیری می‌شود. این آزمایش همچنین میزان اثرپذیری از “میدانهای استاتیکی”(Static Fields) را نیز نشان می‌دهد. این میدان‌ها توسط تخلیه بار در خارج از کیسه تولید شده و میدان‌هایی که از کیسه نفوذ می‌کنند در هنگام اندازه‌گیری ولتاژ نمایش داده می‌شوند.
شکل 1. پالس ESD اعمال شده به یک کیسه در تست EIA
اما آزمایش مربوط به اندازه‌گیری تاثیرپذیری از “الکتریسیته ساکن ناشی از تماس”(Tribocharging) مشکل و معمولا قابل تکرار نمی‌باشد. بنابراین داده‌های فنی مربوطه در این مورد فقط در مقام محک و مقایسه قابل استفاده میباشند و در عمل نمایانگر رفتار این کیسهها نمی‌باشند. در صورت نیاز کاربران بایستی خود نسبت به آزمایش میزان حفاظت در این خصوص اقدام نمایند.
قابلیت حرکت الکتریسیته ساکن و پراکندگی آن بر روی سطح ماده را با “مقاومت سطحی” نمایش می‌دهند. لازم به توجه می‌باشد که این شاخص با شاخص مربوط به “الکتریسیته ساکن ناشی از تماس” (Tribocharging) یکسان نمی‌باشد.
ویژگی‌ها
میزان حفاظت ، ترکیب مواد و کاربرد تعدادی از متداول‌ترین انواع کیسهها در ادامه توضیح داده می‌شود. ضمنا برخی از اصطلاحات که به دنبال این بخش استفاده گردیده نیز در قسمت آخر توضیح داده شده.
1. کیسههای آنتی‌استاتیک صورتی (‘Pink’ Poly Bags) یا کیسههای پلاستیکی اتلافی (Dissipative Poly Bags)
قابلیت: این کیسهها می‌توانند بار الکتریسیته ساکن را به زمین انتقال دهند. این قابلیت از انباشته شدن بار (الکتریسیته ساکن) بر روی این کیسهها و یا محتوای داخل آن جلوگیری می‌کند. مواد تشکیل دهنده این کیسهها از نوع آنتی‌استاتیک میباشند ; به این معنی که بر اثر اصطکاک با مواد دیگر (Tribocharging) تولید الکتریسیته ساکن نمی‌کنند. مقاومت این مواد در دامنه اتلافی (Dissipative) بین 10 الی 100 گیگا اهم می‌باشد. متاسفانه این کیسهها دارای قابلیت حفاظت کامل ESD نمی‌باشند. به عبارت دیگر یک میدان استاتیک یا تخلیه مستقیم بار در خارج از کیسه به داخل آن نفوذ کرده و به قطعات الکترونیک داخل آن خسارت وارد می‌کند.
شکل 2 تخلیه الکتریسیته ساکن در یک کیسه آنتی استاتیک صورتی
شکل شماره 2 میزان نفوذ بر اثر تخلیه یک بار الکتریسیته ساکن بر روی یک کیسه آنتی‌استاتیک صورتی را در طول زمان نشان می‌دهد
ترکیب: کیسههای آنتی‌استاتیک صورتی (Pink Poly Bags) از پلی‌اتیلن (پلاستیک) با پوشش یک ماده شیمیایی آنتی‌استاتیک ساخته می‌شوند. (شکل شماره 3) رنگ صورتی این کیسهها تنها به دلیل تمایز این نوع کیسهها از کیسههای استاندارد بسته‌بندی (غیر آنتی‌استاتیک) به آنها اضافه شده‌است. 
شکل 3 ساختار کیسههای آنتی استاتیک صورتی
کاربرد: کیسههای آنتی‌استاتیک برای بسته‌بندی آیتم‌های غیرحساس به الکتریسیته ساکن مفید میباشند. کاربرد اصلی این کیسهها بسته‌بندی اقلام و تجهیزاتی می‌باشد که در مجاورت تجهیزات حساس به الکتریسیته ساکن قرار می‌گیرند. در واقع استفاده از این کیسهها ، سایر کیسههای مولد الکتریسیته ساکن را از محیط‌های حساس دور می‌نمایند. بر اساس استادارد نظامی MIL-B-81705 آمریکا ، کیسههای آنتی‌استاتیک به عنوان کیسههای “Type II” شناخته می‌شوند.
2. کیسههای پلاستیکی مشکی رسانا(Black Conductive Poly Bags)
قابلیت: کیسههای پلاستیکی مشکی با مقاومت میان 10 تا 100 کیلو اهم بسیار رسانا بوده و موجب پراکندگی و اتلاف بسیار سریع بار می‌شوند. متاسفانه این اتلاف سریع می‌تواند سبب جرقه زدن (تخلیه بار الکتریکی یا ESD) در مواجه با سطح این کیسهها با اشیاء و یا افراد باردار شوند، حال آنکه منظور در کنترل بار ایستا ، جابه‌جایی و انتقال آن با سرعت پائین به منظور جلوگیری از ایجاد هرگونه جرقه می‌باشد. لازم به ذکر است که این جابه‌جایی نباید از حدی که سبب انباشته‌شدن بار الکتریکی می‌گردد نیز کندتر باشد. توانایی حفاظت این کیسهها به دلیل رسانا بودن تا حد مشخصی (کمتر از 30%) می‌باشد ولی با توجه به نبود لایه‌ای پلاستیکی (دی الکتریک) در ترکیب آنها ، این کیسهها قابلیت ایزولاسیون محصولات داخل خود را ندارند. (شکل شماره 4)
شکل 4 تخلیه الکتریسیته ساکن در یک کیسه پلاستیکی مشکی
ترکیب: کیسههای پلاستیکی مشکی از پلی‌اتیلنی (پلاستیکی) شامل یک شکل از کربن رسانا ساخته می‌شوند و به همین دلیل در ظاهر سیاه و مات میباشند.
کاربرد: در گذشته با توجه به اینکه کیسههای محافظ الکتریسیته‌ساکن (Shielding Bags) بسیار گران و کیسههای آنتی استاتیک صورتی (Pink Poly Bags) هیچ‌گونه حفاظتی را ایجاد نمی‌کردند از کیسههای پلاستیکی مشکی به عنوان راه حل میانی استفاده می‌کردند. اما با ارزان شدن کیسههای محافظ الکتریسیته‌ساکن (Shielding Bags) به تدریج استفاده از این کیسههای پلاستیکی مشکی نیز کمتر گردید.
شکل 5 ساختار کیسههای پلاستیکی مشکی
3.کیسههای محافظ الکتریسیته‌ساکن (Shielding Bags)
قابلیت: کیسههای محافظ الکتریسیته ساکن (Shielding Bags) دارای قابلیت اتلافی و آنتی‌استاتیک بوده و از یک لایه حفاظتی فلزی و یک لایه پلی‌استر دی الکتریک به منظور جلوگیری از ورود بار الکتریکی به داخل کیسهها تشکیل شده‌اند. براساس نتایج به دست آمده از آزمایش‌ها این کیسهها از ورود 97% از یک پالس استاتیک 1000 ولتی ایجاد شده در خارج از کیسه به داخل آن جلوگیری می‌کنند در حالیکه در شرایط یکسان این میزان برای کیسههای آنتی استاتیک صورتی 10% و کیسههای مشکی 30% می‌باشد. (شکل شماره 6)
شکل 6 تخلیه الکتریسیته ساکن در یک کیسه حفاظتی
ترکیب: کیسههای محافظ الکتریسیته‌ساکن (Shielding Bags)از چندین لایه تشکیل شده‌اند. داخلی‌ترین لایه ، یک لایه پلاستیکی اتلافی بوده که به یک لایه فلزی که به روش تبخیر شیمیایی بر روی لایه‌ای از پلی‌استر قرار گرفته چسبانده شده است. سطح خارجی این لایه پلی‌استری نیز دارای پوششی از جنس آنتی‌استاتیک می‌باشد. در این فرایند آلومینیوم بیش از سایر فلزها مورد استفاده قرار گرفته و نیکل و یا مس گزینه‌های جایگزین آن میباشند. لازم به ذکر می‌باشد به دلیل استفاده از فلز در میان دو لایه از پلاستیک در ساختار این نوع از کیسههای محافظ الکتریسیته‌ساکن (Shielding Bags)به آن “buried metal” و یا “metal-in” نیز گفته می‌شود. (شکل شماره 7)
شکل 7 ساختار یک کیسه حفاظتی metal-in
این کیسهها با روش دیگری نیز که به دلیل ترتیب قرارگرفتن لایه‌ها به “surface metal” و یا “metal-out” نیز معروف میباشند تولید می‌گردد. در ساختار این نوع کیسهها ها لایه پلاستیکی به لایه پلی‌استر چسبانده شده و لایه فلزی بر روی آن قرار می‌گیرد. این لایه فلزی خود دارای یک پوشش ضدسائیدگی می‌باشد. فلز مورد استفاده در این فرایند نیکل می‌باشد. (شکل شماره 8)
شکل 8 ساختار یک کیسه حفاظتی metal-out
کیسههای از نوع “metal-in” حفاظت بهتری را از لایه شفاف حفاظت فلزی با قرار دادن آن در میان دو لایه پلاستیکی داشته در حالیکه نوع “surface metal” به علت داشتن یک لایه رسانا در سطح خارجی اتلاف بار بسیار سریع‌تری دارند. قابل توجه است در نوع دوم به مانند کیسههای پلاستیکی مشکی امکان تولید جرقه وجود دارد.
کاربرد: کیسههای حفاظتی باید برای تمام قطعات الکترونیکی و بوردها مورد استفاده قرار گیرد. این کیسهها به عنوان “Type III” در استاندارد MIL-B-81705C شناخته می‌شوند.
کیسههای از نوع “metal-in” حفاظت بهتری را از لایه شفاف حفاظت فلزی با قرار دادن آن در میان دو لایه پلاستیکی داشته در حالیکه نوع “surface metal” به علت داشتن یک لایه رسانا در سطح خارجی اتلاف بار بسیار سریع‌تری دارند. قابل توجه است در نوع دوم به مانند کیسههای پلاستیکی مشکی امکان تولید جرقه وجود دارد .
4- کیسههای عایق رطوبتی (Moisture Barrier Bags)
قابلیت: کیسههای عایق رطوبتی (Moisture Barrier Bags)علاوه بر کلیه ویژگیهای کیسههای محافظ الکتریسیته‌ساکن (Shielding Bags)در برابر نفوذ رطوبت نیز مقاوم میباشند. این کیسهها اقلام حساس به رطوبت را محافظت کرده و دوره زمان انبارداری آنها را نیز افزایش می‌دهند.
ترکیب: کیسههای عایق رطوبتی (Moisture Barrier Bags)از نظر ساختاری مانند کیسههای محافظ الکتریسیته ساکن (Shielding Bags) میباشند ولی از نظر فیزیکی ضعیف‌تر. دو نوع از این کیسهها به نام‌های “foil and tyvek” (شکل شماره 9)
شکل 9 ساختار Foil Barrier
و “heavy metallization” (شکل شماره 10) میباشند. لایه‌های ساختار کیسه نوع “foil and tyvek” به ترتیب از داخل به خارج عبارتند از : لایه پلاستیکی اتلافی ، فویل نازک آلومنیومی و یک لایه “tyvek” که یک ماده پلی‌اتیلنی ساخت شرکت شیمیایی Du Pont می‌باشد.
شکل 10ساختار Metalized Barrier
ساختار نوع “heavy metallization” همان ساختار کیسههای محافظ الکتریسیته ساکن (Shielding Bags)بوده با این تفاوت که دارای یک یا چند لایه مات و ضخیم آلومینیوم نیز می‌باشد. همچنین نایلون نیز به علت برخورداری از مقاوت لازم و قیمت ارزان‌تر به جای لایه “tyvek” و پلی‌استر در تولید این کیسهها استفاده می‌گردد. هر دو نوع ساختار معرفی شده از کیسههای عایق رطوبتی دارای عملکرد مناسب و یکسانی میباشند.
کاربرد: اینکیسه‌ها در مواردی که محافظت از رطوبت مورد نیاز و یا زمانی که بیشترین درجه حفاظت بدون نیاز به شفافیت لازم بوده مورد استفاده قرار می‌گیرند. به منظور جلوگیری از جذب رطوبت توسط مدارهای مجتمع (IC) و یا کلیه تجهیزات با فناوری سطحی (surface mount technology (SMT)) باید در داخل این کیسهها قرار گیرند. در غیر این صورت در زمان فرایند “reflow soldering” رطوبت جذب شده توسط این مدارها منبسط شده و سبب وارد شدن صدمه به این مدارها می‌شود. این پدیده به نام پاپکورن (popcorn) در صنعت شناخته شده می‌باشد. این کیسهها در استاندارد MIL-B-81705C ،“Type I” نامیده می‌شوند.
خلاصه
کیسههای بسته‌بندی بخشی از برنامه کنترل الکتریسیته ساکن میباشند. انتخاب کیسه بسته‌بندی مناسب می‌تواند در کاهش خسارات ناشی از الکتریسیته ساکن و هزینه‌های تعمیرات مربوطه کمک کند. به طور کلی توجه به این نکته نیز لازم می‌باشد که هزینه مربوط به تامین کیسههای بسته‌بندی در برابر ارزش قطعاتی که ممکن است به جهت عدم استفاده از آنها مورد صدمه قرار گیرند قابل مقایسه نمی باشد.
راهنمای کلی انتخاب کیسهها
– برای کلیه قطعات و مدارهای الکترونیکی از کیسههای محافظ الکتریسیته‌ساکن (Shielding Bags) و یا عایق رطوبتی (Moisture Barrier Bags) استفاده نمائید.
– برای کلیه قطعات غیر الکترونیک و یا کالاهایی که باید در کنار قطعات الکترونیکی قرار بگیرند از کیسههای پلاستیکی آنتی‌استاتیک صورتی (Pink Poly Bags)استفاده نمائید.
– کیسهها به تنهایی حفاظت در برابر الکتریسیته ساکن را تضمین نمی‌نمایند. به این منظور برنامه هائی شامل تکنیک‌های زمین کردن (Earthling) و دستورالعمل‌های جابه‌جایی صحیح ابزار و قطعات میبایست مد نظر قرار گیرند.
اصطلاحات
بار الکتریسیته ساکن(Electrostatic Charge) : به بار الکتریسیته ایستا گفته می‌شود. این ایستایی و سکون در مقایسه با جریان مستقیم بار “DC” مورد نظر می‌باشد.
تخلیه الکتریسیته ساکن (ESD): به انتقال بار ساکن میان دو شیی با پتانسیل متفاوت گفته می‌شود.
حساس در برابر تخلیه الکتریسیته ساکن (ESDS): به کالایی که در برابر تخلیه الکتریسیته ساکن آسیب‌پذیر باشد گفته می‌شود.
الکتریسیته ساکن ناشی از تماس (Tribocharging): به تولید بار بر روی اشیاء به وسیله اصطکاک آنها بر روی هم و سپس جدا کردن آنها از یکدیگر “Tribocharging” گفته می‌شود. به عنوان نمونه این پدیده پس از راه رفتن یک نفر بر روی فرش و تخلیه الکتریسیته ساکن (ESD) و یا به اصطلاح معمول برق‌گرفتگی ناشی از تماس دست این فرد با دستگیره در اتفاق می‌افتد.
آنتی استاتیک (Antistatic): به ماده‌ای گفته می‌شود که سطحی را از نظر شیمیایی ایجاد می‌کند که می‌تواند در برابر باردار شدن مقاومت نماید. به عبارت دیگر آنتی استاتیک به قابلیت مقاومت یک ماده در برابر تولید بار توسط اصطکاک (Tribocharging) گفته می‌شود.
