सर्किट बोर्ड उत्पादन लाइन पर काम करने वाले सभी लोग कलाई पर बैंड क्यों पहनते हैं? यह इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज (ESD) के खतरों से जुड़ा है। हो सकता है कि आपको इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज के खतरों का ठीक-ठीक अंदाज़ा न हो। इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज एक बहुत ही आम लेकिन अक्सर कम करके आंका जाने वाला खतरा है। यह अत्यधिक नियंत्रित उत्पादन वातावरण में भी संवेदनशील अर्धचालक उपकरणों को तुरंत नुकसान पहुँचा सकता है।
यदि तकनीशियन प्रिंटेड सर्किट बोर्ड को छूते समय उचित एंटी-स्टैटिक सुरक्षा उपकरण नहीं पहनते हैं, तो हो सकता है कि जिस समय उनकी उंगलियाँ पैड को छूती हैं, उसी समय इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज हो चुका हो। इससे बोर्ड पर लगे माइक्रोकंट्रोलर को नुकसान पहुँच सकता है, या चिप के अंदर कोई छिपा हुआ खतरा रह गया हो जो भविष्य में ही स्पष्ट होगा। संक्षेप में, इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज को नज़रअंदाज़ नहीं किया जा सकता, और प्रभावी इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज सुरक्षा अत्यंत महत्वपूर्ण है। आगे, यह लेख ESD सुरक्षा से संबंधित जानकारी पर गहराई से चर्चा करेगा। सबसे पहले, आइए इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज की अवधारणा से शुरुआत करते हैं।
इलेक्ट्रोस्टेटिक डिस्चार्ज (ESD) को समझना
इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज को संक्षेप में ESD कहा जाता है। यह उस घटना को संदर्भित करता है जिसमें दो अलग-अलग विभव वाली वस्तुओं के बीच अचानक विद्युत धारा प्रवाहित होती है। यह डिस्चार्ज या तो सीधे संपर्क के कारण या आसपास के माध्यम (जैसे हवा) के टूटने के कारण हो सकता है। दैनिक जीवन में इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज की कई घटनाएँ होती हैं, जैसे सर्दियों में स्वेटर उतारते समय चटकने की आवाज़, और चार्जिंग केबल का प्लग निकालते समय प्लग से निकलने वाली छोटी-छोटी चिंगारियाँ। इस घटना का मानव शरीर पर लगभग कोई प्रभाव नहीं पड़ता है, लेकिन इलेक्ट्रॉनिक निर्माण में, यह PCB और PCBA के लिए कहीं अधिक बड़ा खतरा है।
ईएसडी के सिद्धांत
ईएसडी के सिद्धांतों में मुख्यतः तीन पहलू शामिल हैं: स्थैतिक आवेशों का उत्पादन और संचयन; इलेक्ट्रॉनिक विनिर्माण वातावरण में स्थैतिक विद्युत का निर्वहन; और ये निर्वहन किस प्रकार परिपथों के साथ क्रिया करते हैं और ईएसडी को नुकसान पहुँचाते हैं। अतःow एस हैंटाटिक cहार्गेस gउत्पन्न और aसंचित? स्थैतिक आवेश उत्पन्न करने के लिए विभिन्न तंत्र हैं, जिनमें से सबसे आम हैं:
घर्षण द्वारा इलेक्ट्रोस्टैटिक चार्जिंग - जब दो पदार्थ एक दूसरे के विरुद्ध रगड़ते हैं, तो इलेक्ट्रॉन स्थानांतरित होते हैं और सतह पर आवेश बनाते हैं।
संपर्क पृथक्करण - उदाहरण के लिए, कनेक्टर्स को प्लग इन या अनप्लग करते समय, सतही चार्ज पुनः वितरित और संचित हो जाएंगे।
अपरिवर्तनीय चार्जिंग - विद्युतीकृत निकाय के निकट होने पर, चालक की सतह विपरीत आवेशों को प्रेरित करेगी, जिससे संभावित डिस्चार्ज जोखिम पैदा होगा।
कुछ परिस्थितियों में, ये स्थैतिक आवेश तेज़ी से मुक्त होंगे, जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज होगा। यह डिस्चार्ज घटना इलेक्ट्रॉनिक विनिर्माण में विशेष रूप से खतरनाक है। bक्योंकि यह मिलीसेकंड या नैनोसेकंड के भीतर हो सकता है और विभिन्न रास्तों से सीधे सर्किट में प्रवेश कर सकता है। उदाहरण के लिए, ऐसे मामले होते हैं जहाँ ऑपरेटर की उंगली सीधे पैड या पिन पर पहुँच जाती है; बिना ग्राउंडिंग वाला सोल्डरिंग आयरन टिप कंपोनेंट तक पहुँच जाता है; और दो पास-पास लगे या एक-दूसरे को छूते हुए कनेक्टरों के बीच डिस्चार्ज हो जाता है। ये तात्कालिक स्पंद कई हज़ार वोल्ट तक पहुँच सकते हैं, और इनका अधिकतम करंट नैनोसेकंड के भीतर कंपोनेंट की आंतरिक संरचना को नुकसान पहुँचाने के लिए पर्याप्त होता है।
फिर, जब उच्च-वोल्टेज पल्स इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में प्रवेश करता है, तो यह निम्नलिखित क्षति मोड को ट्रिगर करेगा:
अर्धचालक विखंडन - उच्च वोल्टेज सीधे MOSFET, डायोड, या आईसी के भीतर जंक्शन क्षेत्र में प्रवेश करता है।
धातु के निशान पिघल रहे हैं - पल्स करंट द्वारा उत्पन्न तात्कालिक उच्च ताप पीसीबी पर लगे महीन तांबे के तारों को पिघला देता है।
इन्सुलेशन टूटना - संधारित्र या पीसीबी इन्सुलेशन परत के परावैद्युत में उच्च वोल्टेज प्रवेश कर जाता है, जिसके परिणामस्वरूप रिसाव या शॉर्ट सर्किट हो जाता है।
कुछ क्षतियाँ तुरंत दिखाई देती हैं, जबकि कुछ अव्यक्त दोष होते हैं। ये अव्यक्त दोष फ़ैक्टरी निरीक्षण के दौरान प्रकट नहीं होते, बल्कि उपयोग के दौरान धीरे-धीरे बिगड़ते जाते हैं।
ईएसडी संरक्षण क्या है?
ईएसडी सुरक्षा एक व्यापक प्रणाली है जिसमें डिज़ाइन रणनीतियाँ, सुरक्षात्मक उपकरण और उत्पादन नियंत्रण उपाय शामिल हैं। इसका उद्देश्य दुर्घटनाओं को रोकना या कम करना है। इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज के कारण होने वाली विफलताएं।
सर्किट-स्तरीय सुरक्षा आमतौर पर संवेदनशील घटकों के चारों ओर ESD सुरक्षा उपकरण लगाकर प्राप्त की जाती है। उदाहरण के लिए, वेरिस्टर और RC फ़िल्टर का उपयोग उछाल को अवशोषित करने और उच्च-आवृत्ति शोर को दबाने के लिए किया जाता है।
विनिर्माण-स्तर की सुरक्षा भी उपलब्ध है। इस सुरक्षा स्तर में शामिल हैं:
ईएसडी सुरक्षा उपकरण: एंटीस्टेटिक कलाई पट्टियाँ, एंटीस्टेटिक फर्श मैट, ग्राउंडिंग वर्कबेंच, आयन ब्लोअर;
ESD सुरक्षा विधियाँ: कार्मिक ग्राउंडिंग, उपकरण ग्राउंडिंग, सामग्री एंटीस्टेटिक उपचार, पर्यावरण आर्द्रता नियंत्रण;
ईएसडी सुरक्षा तकनीकें: इसमें स्थैतिक ऊर्जा स्रोत पहचान, ईएसडी जोखिम मूल्यांकन, वास्तविक समय निगरानी प्रणाली आदि शामिल हैं।
अगर प्रभावी इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज सुरक्षा नहीं है, तो तत्काल विनाशकारी विफलताएँ हो सकती हैं। उदाहरण के लिए, पीसीबी असेंबली के दौरान मिलापएक भी अनियंत्रित डिस्चार्ज आईसी या एमओएसएफईटी को नष्ट कर सकता है।
पीसीबी में ईएसडी सुरक्षा का महत्व
पीसीबी और पीसीबीए के लिए ईएसडी सुरक्षा बहुत महत्वपूर्ण हैs. उदाहरण के लिए, बिना किसी सुरक्षात्मक डिज़ाइन वाले USB उत्पाद में, USB इंटरफ़ेस का खराब होना एक बहुत ही सामान्य खराबी है। ऐसा इसलिए है क्योंकि डेटा केबल को प्लग या अनप्लग करते समय, धातु आवरण या सिग्नल पिन के माध्यम से स्थैतिक विद्युत प्रवाहित होगी, जिससे USB ट्रांसीवर चिप को सीधे नुकसान पहुँचेगा। इसके अलावा, HDMI रिसीवर के खराब होने की समस्या भी बहुत आम है। ESD घटनाएँ अक्सर होती रहती हैं, और ESD सुरक्षा बहुत ज़रूरी है।
इसके अलावा, उद्योग में न्यूनतम सुरक्षा मानकों का एक सेट है। इन मानकों के अनुसार, उपकरण को सबसे कठोर स्तर 4 परीक्षण स्थितियों में भी ठीक से काम करना चाहिए। ये मानक फ़ैक्टरी-स्तरीय ESD नियंत्रण प्रक्रियाओं को भी निर्दिष्ट करते हैं, जिनमें ESD सुरक्षा विधियाँ, कार्मिक ग्राउंडिंग, कार्यक्षेत्र ग्राउंडिंग, एंटीस्टेटिक पैकेजिंग और अन्य उपाय शामिल हैं। इसका अर्थ है कि उत्पादन प्रक्रिया के दौरान, वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में दीर्घकालिक विश्वसनीयता सुनिश्चित करने के लिए इन मानकों का पालन किया जाना आवश्यक है।
ESD सुरक्षा मानक
जैसा कि पहले बताया गया है, उद्योग में सुरक्षा मानकों का एक समूह मौजूद है। अब, आइए इन मानकों का परिचय दें। ये मानक न केवल पीसीबी डिज़ाइन और निर्माण प्रक्रियाओं के लिए मार्गदर्शन प्रदान करते हैं, बल्कि ईएसडी सुरक्षा विधियों (ESD protection methods) और अनुपालन आवश्यकताओं के मूल्यांकन के लिए एक एकीकृत ढाँचा भी स्थापित करते हैं।
उपकरणों की इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज प्रतिरक्षा के मूल्यांकन के लिए IEC 61000-4-2 सबसे व्यापक रूप से अपनाए गए मानकों में से एक है। यह ESD आघात के तहत उपकरणों के लिए परीक्षण स्तर, डिस्चार्ज विधियों और प्रदर्शन मूल्यांकन मानदंडों को स्पष्ट रूप से निर्धारित करता है।
इसका परीक्षण स्तर है:
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स्तर
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संपर्क डिस्चार्ज वोल्टेज
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एयर डिस्चार्ज वोल्टेज
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विशिष्ट वातावरण
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स्तर 1
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±2 केवी
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±2 केवी
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कम स्थैतिक वातावरण, जैसे प्रयोगशालाएँ
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स्तर 2
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±4 केवी
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±4 केवी
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कार्यालय या हल्के औद्योगिक वातावरण
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स्तर 3
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±6 केवी
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±8 केवी
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सामान्य औद्योगिक वातावरण
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स्तर 4
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±8 केवी
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±15 केवी
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उच्च स्थैतिक-जोखिम वाले क्षेत्र (शुष्क जलवायु, बाहरी उपकरण, आदि)
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IEC 61000-4-2 परीक्षण में, ESD घटना के बाद भी उपकरण को बिना किसी स्थायी क्षति या डेटा हानि के सामान्य रूप से कार्य करना जारी रखना चाहिए। अल्पकालिक प्रदर्शन में उतार-चढ़ाव (जैसे डिस्प्ले का झिलमिलाना) स्वीकार्य हैं, लेकिन किसी भी प्रकार की कार्यात्मक गिरावट या अपरिवर्तनीय ESD क्षति को विफलता माना जाता है।
इस मानक के अनुसार, औद्योगिक-ग्रेड पीसीबी और पीसीबीए उत्पादों को स्तर 4 डिज़ाइन लक्ष्यों को पूरा करना आवश्यक है। ऐसे मामलों में, डिज़ाइनर आमतौर पर:
यूएसबी, एचडीएमआई और ईथरनेट जैसे उच्च गति वाले पोर्ट पर कम कैपेसिटेंस ईएसडी सुरक्षा उपकरण जोड़ें;
प्रेरण को कम करने के लिए ईएसडी सुरक्षा सर्किट में छोटे और प्रत्यक्ष ग्राउंडिंग पथ का उपयोग करें;
ईएसडी सुरक्षा प्रकारों के भाग के रूप में लेआउट डिजाइन में परिरक्षण, ग्राउंडिंग प्लेन और अनुकूलित रूटिंग को संयोजित करें।
अन्य उद्योग मानक
आईईसी की आवश्यकताओं के अलावा, दो प्रमुख मानक हैं जो इलेक्ट्रॉनिक्स विनिर्माण उद्योग की ईएसडी सुरक्षा रणनीतियों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। ये हैं एएनएसआई/ईएसडी एस20.20 और जेईडीईसी ईएसडी युक्ति वर्गीकरण मानक.
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स्टैण्डर्ड
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विस्तार
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प्रमुख अनुप्रयोग
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एएनएसआई/ईएसडी एस20.20
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फ़ैक्टरी-l निर्दिष्ट करता हैESD सुरक्षा के स्तर के तरीके, जिनमें कार्मिक ग्राउंडिंग, कार्यस्थान ग्राउंडिंग, आयनीकरण, आर्द्रता नियंत्रण और एंटीस्टेटिक पैकेजिंग शामिल हैं
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पीसीबी असेंबली लाइनें, इलेक्ट्रॉनिक विनिर्माण सुविधाएं
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जेईडीईसी ईएसडी डिवाइस वर्गीकरण
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एचबीएम (मानव शरीर मॉडल), एमएम (मशीन मॉडल) और सीडीएम (चार्ज डिवाइस मॉडल) का उपयोग करके ईएसडी क्षति सहनशीलता के आधार पर उपकरणों को वर्गीकृत करता है
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घटक चयन, विश्वसनीयता इंजीनियरिंग, और डिजाइन में ESD सुरक्षा के प्रकार निर्धारित करना
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ESD सुरक्षा विधियाँ और सर्किट डिज़ाइन
आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली ESD सुरक्षा विधियाँ हैं:
ग्राउंडिंग और परिरक्षण: एक स्थिर और कम-प्रतिबाधा वाला ग्राउंडिंग समाधान सबसे प्रभावी ESD सुरक्षा तकनीकों में से एक है। ESD धारा को कम-प्रतिरोध और कम-प्रेरक पथ से प्रवाहित किया जाता है, जिससे संवेदनशील परिपथों में प्रवेश करने वाली ऊर्जा में उल्लेखनीय कमी आती है। यह परिरक्षण उपाय इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज को एक सुरक्षित पथ पर मोड़ सकता है, जिससे आंतरिक घटकों की और अधिक सुरक्षा होती है।
पीसीबी-स्तर ईएसडी दमन: पीसीबी डिज़ाइन करते समय, हम संवेदनशील इनपुट और आउटपुट पोर्ट के पास समर्पित ESD सुरक्षा उपकरण लगाते हैं, जैसे TVS डायोड, वोल्टेज-सेंसिटिव रेसिस्टर्स, या RC फ़िल्टर। यह पीसीबी-स्तरीय ESD दमन विधि, कोर सर्किट तक पहुँचने से पहले ही ESD को नष्ट कर देती है।
सिस्टम-स्तरीय ESD सुरक्षा: यह विधि कनेक्टर, संलग्नक, केबल और सबमॉड्यूल सहित संपूर्ण डिवाइस की सुरक्षा पर विचार करती है।
विनिर्माण-स्तर ESD नियंत्रण: यह सुरक्षा विधि मुख्य रूप से उत्पादन के दौरान स्थैतिक विद्युत से निपटने के लिए है। नियंत्रण विधियों में ESD सुरक्षा उपकरण (एंटीस्टेटिक रिस्टबैंड, एंटीस्टेटिक लेग स्ट्रैप, आयन ब्लोअर, ग्राउंडेड वर्कबेंच, आदि) का उपयोग, एंटीस्टेटिक पैकेजिंग का उपयोग और कार्यशाला में आर्द्रता नियंत्रण शामिल हैं।
पीसीबी लेआउट और रूटिंग युक्तियाँ
एक अच्छा पीसीबी लेआउट डिज़ाइन और उपयुक्त ईएसडी सुरक्षा उपकरणों का चयन भी उतना ही महत्वपूर्ण है। जैसा कि पहले बताया गया है, पीसीबी-स्तरीय ईएसडी सुरक्षा। अब, हम पीसीबी से शुरुआत करेंगे। layout और rसैर tआईपीएस व्यावहारिक लेआउट और रूटिंग दिशानिर्देश प्रदान करते हैं जिन्हें सीधे लागू किया जा सकता है। ये दिशानिर्देश यह सुनिश्चित करने में मदद कर सकते हैं कि ईएसडी सुरक्षा सर्किट और उपकरण वास्तविक पीसीबी में अपनी अधिकतम दक्षता पर काम करें।
1. ESD पथ की प्रतिबाधा कम करें। ESD धारा सबसे कम प्रतिबाधा वाले पथ पर प्रवाहित होती है, ज़रूरी नहीं कि सबसे छोटे पथ पर। इसलिए, डिज़ाइन और लेआउट प्रक्रिया के दौरान, हमें ग्राउंडिंग पथ के प्रतिरोध और प्रेरकत्व को कम करने के लिए चौड़े तांबे के तारों या ग्राउंड प्लेन का उपयोग करना चाहिए।
2. लेआउट करते समय, हमें ईएसडी धारा के वापसी पथ को यथासंभव छोटा और सीधा बनाना चाहिए क्योंकि कम-प्रेरक लूप इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज के दौरान वोल्टेज ओवरशूट को कम कर सकता है।
3. लंबा पीसीबी ट्रेस एंटेना की तरह काम करेंगे और ESD ऊर्जा को अवशोषित और प्रवर्धित करेंगे। इसलिए, हमें संवेदनशील सिग्नलों और ESD सुरक्षा सर्किटों की ट्रेस लंबाई को छोटा करने का प्रयास करना चाहिए।
4. प्रत्येक थ्रू-होल से इंडक्शन और रेजिस्टेंस बढ़ेगा। इसलिए, ESD सुरक्षा पथ में, हमें बहुत अधिक थ्रू-होल का उपयोग करने से बचना चाहिए। यदि आवश्यक हो, तो हम प्रभाव को कम करने के लिए कई समानांतर थ्रू-होल का उपयोग कर सकते हैं।
5. फ़िल्टर घटकों को जोड़कर भी शोर को कम किया जा सकता है। फेराइट बीड्स, कॉमन-मोड चोक और आरसी फ़िल्टर आदि, अवशिष्ट ईएसडी ऊर्जा को दबा सकते हैं और उच्च-आवृत्ति वाले शोर को पीसीबी के संवेदनशील क्षेत्रों में प्रवेश करने से रोक सकते हैं।
PCBA निर्माण में ESD सुरक्षा
पीसीबी डिज़ाइन चरण के दौरान ईएसडी सुरक्षा विधियों को अपनाना अत्यंत महत्वपूर्ण है। हालाँकि, पीसीबी असेंबली प्रक्रिया के दौरान भी ईएसडी सुरक्षा पर विचार किया जाना चाहिए। ऐसा असेंबली और संचालन के दौरान इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज सुरक्षा की विफलता को रोकने के लिए किया जाता है। सामान्यतः, प्रत्येक पीसीबी निर्माता को निम्नलिखित पूर्ण ईएसडी सुरक्षा उपायों को लागू करना चाहिए।
सबसे पहले, एक ESD सुरक्षा कार्यक्षेत्र का निर्माण आवश्यक है। ESD सुरक्षा कार्यक्षेत्र, विनिर्माण-स्तरीय ESD नियंत्रण का आधार है। प्रत्येक असेंबली वर्कस्टेशन में एक ग्राउंडेड कार्यक्षेत्र, एक एंटीस्टेटिक मैट और पृथ्वी से जुड़ा एक सुचालक फर्श होना चाहिए। सभी उपकरण, परीक्षण उपकरण और वेल्डिंग उपकरण भी संचित स्थैतिक विद्युत के लिए एक सुरक्षित मार्ग प्रदान करने हेतु ग्राउंडेड होने चाहिए। एक उचित कार्यक्षेत्र लेआउट न केवल यह सुनिश्चित करता है कि ESD धारा एक सुरक्षित मार्ग पर निर्देशित हो, बल्कि संवेदनशील घटकों के माध्यम से स्थैतिक विद्युत के प्रवाह को भी रोकता है।
दूसरा, घटकों के भंडारण और पैकेजिंग पर ध्यान दिया जाना चाहिए। संवेदनशील घटकों को आंतरिक परिवहन या शिपमेंट के दौरान ESD क्षति से बचाने के लिए ESD-सुरक्षित पैकेजिंग, जैसे कि शील्डिंग बैग, कंडक्टिव ट्रे आदि में संग्रहित और परिवहन किया जाना चाहिए। इसके अलावा, घटकों के भंडारण क्षेत्र में स्थैतिक आवेशों के संचय को कम करने के लिए उचित आर्द्रता स्तर बनाए रखना चाहिए।
तीसरा, पूरी उत्पादन प्रक्रिया के दौरान ESD सुरक्षा उपकरण उपलब्ध होने चाहिए, जिनमें एंटीस्टेटिक रिस्टबैंड, मैट, आयन पंखे आदि शामिल हैं। ये सुरक्षा उपकरण मैन्युअल संचालन के दौरान ESD क्षति को रोक सकते हैं और अत्यंत महत्वपूर्ण हैं। इसलिए, उपकरणों को ठीक से स्थापित करने के अलावा, नियमित परीक्षण और रखरखाव भी आवश्यक है ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि वे हमेशा ESD सुरक्षा तकनीकों की आवश्यकताओं को पूरा करते हैं।
चौथा, भले ही सर्वोत्तम ESD सुरक्षा उपकरण उपलब्ध हों, फिर भी अनुचित उपयोग से प्रभावी सुरक्षा नहीं मिल पाएगी। इसलिए, नियमित रूप से ESD सुरक्षा प्रशिक्षण भी आयोजित किया जाना चाहिए। इससे सभी कर्मचारियों की इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज के कारणों, मौजूदा ESD सुरक्षा विधियों और सुरक्षा प्रक्रिया में उनकी ज़िम्मेदारियों के बारे में समझ बढ़ेगी।
निष्कर्ष
ESD सुरक्षा अब एक वैकल्पिक विशेषता नहीं, बल्कि एक महत्वपूर्ण आवश्यकता है जिसका कड़ाई से पालन किया जाना चाहिए। यदि हम डिज़ाइन में ESD सुरक्षा सर्किट की उचित योजना बना सकें, PCB लेआउट में वैज्ञानिक वायरिंग सिद्धांतों का पालन कर सकें, और निर्माण प्रक्रिया के दौरान कठोर विनिर्माण-स्तरीय ESD नियंत्रण लागू कर सकें, तो हम इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज क्षति के जोखिम को काफी कम कर सकते हैं, जिससे उत्पाद का स्थिर प्रदर्शन और दीर्घकालिक विश्वसनीयता सुनिश्चित हो सके।
पीसीबेसिक के बारे में
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