ESD for dummies

ESD for dummies

offline
  • dr_Bora  Male
  • Anti Malware Fighter
    Rank 2
  • Pridružio: 24 Jul 2007
  • Poruke: 12279
  • Gde živiš: Höganäs, SE

1937. Lakehurst, NY - Hindenburg i deo njegovih putnika su nestali u plamenu.

Prošlo je mnogo godina pre no što se iskristalisala teorija koja objašnjava uzroke ove katastrofe.
1967. Cape Kennedy, FL - tokom jednog od testova letelice Apolo 1 komandni modul se zapalio, a astronauti su izginuli.

U testovima koje je tim fizičara vršio na Apolo-u 8 (koji je patio od istih konstrukcionih grešaka) je postalo jasno u čemu je bio problem - naravno, oni koji odlučuju nikada nisu prihvatili dato objašnjenje (a ni bilo koje drugo).



OK, znam da nema previše ljudi koji običavaju da putuju u ogromnim balonima naduvanim eksplozivnim gasom.
Verovatno nema ni mnogo onih koji imaju priliku da sede u space shuttleu koji je dizajnirao tupavi sestrić nekoga badže u američkom svemirskom programu.

No, sipanje goriva u rezervoar nije tako neuobičajeno.



Nekada, negde. Jedan od mnogih sličnih ekscesa.

Obzirom na poznatu problematiku kad su u pitanju žene i sipanje goriva, preporučujem da im se ovo ne pokazuje. Razz









.




Zašto ja sve ovo pišem i to u forumu Hardware? Zato što svi ti događaji imaju isti uzrok, a dotični pravi izuzetno mnogo problema u elektronskoj industriji.
Obzirom da su hardverske komponente prilično fina elektronika, tema je na odgovarajućem mestu.




ElectroStatic Discharge (ESD) - elektrostatičko pražnjenje je uzrok gore prikazanih događaja i glavni krivac za neispravnost elektronskih komponenti.

Prosta logika: da bi se nešto ispraznilo, prvo mora da se napuni.

Do elektrostatičkog punjenja (nabijanja, nagomilavanja naelektrisanja) nekog materijala dolazi prelaskom elektrona sa atoma na atom.

Praktično, do naelektrisavanja dolazi na tri načina:
trenjem (trljanjem površine od površinu);
separacijom (odvajanje jedne površine od druge);
indukcijom (naelektrisavanje bez fizičkog kontakta između materijala).


U osnovi, govorimo o nekom vidu interakcije dva materijala. Sam efekat interakcije na pojedine materijale (nivo naelektrisanosti i polaritet) ovisi o vrsti materijala, prisustvu nečistoća, oksida, vlažnosti vazduha...


+ (manjak elektrona)

vazduh
ljudska ruka
azbest
staklo
liskun
ljudska kosa
najlon
vuna
krzno
olovo
svila
aluminijum
papir
pamuk


0

čelik
drvo
ćilibar
lak
tvrda guma
nikl
mesing
zlato
platina
sumpor
veštačka svila (rayon)
poliester
celuloza
plastična folija
poliuretan
polietilen
polipropilen
PVC
silikonska guma
teflon


-(višak elektrona)
Triboelektrični niz predstavlja klasifikaciju materijala po polaritetu naelektrisanja pri kontaktu sa drugim materijalom.

Materijal iz donjeg dela niza, kada dođe u kontakt sa materijalom iz gornjeg dela niza, će se negativno naelektrisati (i obrnuto).

Materijali koji su na bliskim pozicijama u nizu verovatno neće izazvati naelektrisavanje, ili će rezultantni polaritet biti suprotan od onoga što bi se očekivalo obzirom na poziciju.
























.





Tipični nivoi naelektrisanja, ljudska percepcija i osetljivost komponenti


Količina naelektrisanja se inače izražava u kulonima, no pošto ista nije jednostavno merljiva a i sama jedinica nije preterano intuitivna (1 kulon je jako veliko naelektrisanje), za izražavanje nivoa naelektrisanosti nekog materijala/tela se koristi jedinica volt, a merenje se vrši odgovarajućim uređajima.

Tipična naelektrisanja

Leto (70% Rh) Proleće/jesen (40% Rh) Zima (10% Rh)
Čovek koji se kreće po tepihu 1 500 15 000 30 000
Čovek koji se kreće po PVC podlozi 250 5 000 12 000
Čovek koji sedi za radnim stolom 300 800 3 000
Integrisana kola koja klize po plastičnoj
kutiji ili unutar obične plastične kese
3 000 5 000 12 000


Rh - vlažnost vazduha.



Ok, sada imamo neke cifre. No, šta nam one govore?

Prosečan hardveraš (old school) će na priču o ESD-u da se nasmeje i da kaže kako je to preterivanje i obična glupost. Ipak, on je "sastavio gomilu kompjutera i nikada se ništa nije dogodilo".

Verujem da nisam jedini koji je imao priliku da uđe u trgovinu i traži RAM memoriju, a da mu ekspert da neupakovan DIMM koji je upravo golom rukom izvadio iz ladice (istini za volju - jednom dobih upakovan modul - u parče dnevnih novina).


Zbog čega je ovakav stav totalno neprihvatljiv i šta i kada može da se dogodi?


Ljudska percepcija ESD-a

ESDLjudska percepcija
> 3 000 V može da se oseti
(to je onaj ESD koji vas pecne pri
kontaktu sa nekim predmetom)
> 5 000 V može da se čuje
> 10 000 V može da se vidi



Osetljivost komponenti na ESD


Bipolarni tranzistor380 - 7 000
Otpornik300 - 3 000
Dioda (Shottky)300 - 2 500
Digitalna kola250 - 3 000
Analogna kola190 - 2 500
JFET140 - 7 000
MOSFET100 - 200
EPROM100
HEXMOS, VMOS, DMOS30 - 1 800



Vidi se da postoje komponente koje mogu biti oštećene 100 puta manjim elektrostatičkim pražnjenjem od onoga koje ljudsko telo može da oseti, a to opet znači da tu nema mesta paušalnim ocenama - ESD je sasvim realan i zaštita od istoga je od kritičnog značaja.



Učestalost i tipovi oštećenja

U proseku oko 1% ESD osetljivih komponenti biva izložen ESD-u već u fabrici. Sve te komponente pri tome trpe veća ili manja oštećenja.

ESD oštećenja mogu biti:

akutna - ove greške se otkrivaju već u fabrici pri testiranju proizvoda. Akutna oštećenja čine svega 10% svih ESD oštećenja;
latentna - komponenta obično prođe testove kvaliteta, no ona nije ispravna. Oštećenja se ispoljavaju povremenim greškama u radu i skraćenim radnim vekom.


Upravo ova latentna oštećenja su ona koja prave probleme nama korisnicima/kupcima.

Uzmimo za primer jedan motor. On sadrži mehaničke delove i bez obzira što možda ceo radni vek provede u optimalnim uslovima, taj motor će jednom da se pokvari jer sadrži komponente koje se troše u radu (npr. ležajevi, četkice...).

S druge strane, jedan tranzistor se ne troši u radu i ako radi u nominalnim uslovima (struja, temperatura) on može da radi nemilice dugo. Prosto, nema razloga da se pokvari. No, to se ipak događa.

Svi oni fantomski problemi sa hardverom (npr. CPU radi, ali se povremeno zapuca bez ikakvog logičnog objašnjenja) i dobar broj neočekivano brzih kvarova komponenti su posledica ESD-a.

Po nekim procenama, preko 50% svih kvarova el. komponenti su rezultat latentnih ESD oštećenja.


Treba li da napomenem da smo u ovom delu priče još uvek u fabrici,
daleko od onog našeg hardveraša sa ćoška koji drži "goli" DIMM u ruci, ćeška
glavu njime, a mast od bureka uklanja brisanjem DIMM-a od plastičnu majicu?




Zaštita od ESD-a

ESD se ne može potpuno izbeći, ali se može minimizovati.
U industrijskim uslovima, baratanje osetljivim komponentama se vrši unutar EPA (ESD Protected Area ), no obzirom na kompleksnost i trošak (ozbiljne) izvedbe takvih radnih zona, iluzorno bi bilo očekivati da neka mala trgovina ili servis vode podjednako mnogo računa o zaštiti od ESD-a. U svakom slučaju, bez obzira šta se događalo tamo negde, nama to nije preterano bitno jer ne možemo da utičemo na to.

Šta svako do nas može da uradi? Pa, za povremeno čačkanje po kućištu se ne isplati uložiti par stotina ili hiljada evra da bi umanjili ESD, ali to ne znači da ništa ne možemo učiniti kako bi zaštitili naš hardver.

Jedna od standardnih zabluda (kod onih koji su bar donekle upoznati sa problematikom) je da je čovekova ruka jedina kritična tačka i da su svi problemi rešeni ako razelektrišemo ruke.

U kućištu imamo napajanje, ploču, CPU, memoriju, kartice, drive-ove...
Kučište je povezano na mrežu (i time uzemljeno).
Za montažu nam trebaju ruke i alat, a obično imamo i neku odeću na sebi za vreme sastavljanja kompjutera.

Stanje svega navedenoga je bitno.

Bilo bi lepo kada bih ja sada mogao da napišem listu sa pravilima kojih se treba pridržavati kako bi sve bilo OK, ali nažalost, stvari nisu tako proste.




Svaka komponenta bi trebala da bude upakovana u ambalažu u kojoj
ona neće biti naelektrisana tako da možemo zanemariti eventualnu (početnu)
naelektrisanost same komponente i ESD koji bi mogao da potekne od nje.

Naše je samo da se potrudimo da to tako i ostane.


ESD S - ESD shielded: standardna višeslojna kesica (u većini slučajeva, u ovome dobijete komponentu).
ESD C - ESD conductive: materijal za optimalnim provodnim (odvodnim) karakteristikama (jedan od delova ESD S-a).
ESD D - ESD dissipative: materijal koji se jako slabo (ili uopšte ne) naelektriše prilikom trenja i separacije, odnosno onaj koji kratko zadržava naelektrisanje (koristi se za ne elektronske delove koji su u blizini el. komponenti; takođe, deo ESD S-a).






Pošto svaku komponentu moramo držati u rukama, to je prva problematična tačka o kojoj moramo povesti računa.

Najbolje rešenje (uz mali trošak) je korišćenje ESD narukvice.

Korisni efekat se može postići i korišćenjem ESD rukavica pa čak (bar donekle) i prostim hvatanjem nekog uzemljenog metalnog predmeta kako bi se ruke razelektrisale, ali...

Rukavice* i (pogotovo) ovaj "quick fix" (hvatanje uzemljenog predmeta) će samo da spreče direktno pražnjenje usled naelektrisanosti ruku.
U slučaju da je sama komponenta naelektrisana, a mi smo doveli ruke na nulti potencijal, doći će do ESD-ja (komponenta > telo > zemlja ili komponenta > druga komponenta > zemlja ili...).

* Premda su pojedine ESD rukavice konduktivnog karaktera, korisni efekat je manji od onoga kod narukvice (izbor ovisi od situacije i primene, a takođe i od osobe: gubi se feeling pri korišćenju rukavica što mnogima smeta pri radu).

ESD narukvica, s jedne strane, obezbeđuje odvođenje naelektrisanja sa ruku u zemlju i, s druge strane, zahvaljujući ugrađenoj otpornosti (tipično 1 MΩ), obezbeđuje da eventualni ESD (u bilo kojem smeru) bude kontrolisan.
Ili, prostije: narukvica će na bezbedan način da razelektriše i ruke i sve što držimo u rukama.




Druga kritična tačka i najčešće zanemarivana je alat.


Bez želje da vas umaram teorijom, no neophodno je kako bi se shvatilo koliko je ovo bitna stavka.





Zanemarimo kvalitet grafikona... Mr. Green


Šta nam slika govori?

Sa desne strane je tipičan izgled impulsa pri ESD-ju koji nastaje kao posledica naelektrisanja ljudskog tela (Human Body Model) - govorimo o (relativno) velikoj masi i otpornosti.

Sa leve strane je dat primer ESD impulsa koji nastaje kao posledica naelektrisanja alata (u opštem slučaju: neke mašine; Machine Model). Ovde isto imamo (potencijalno) veliku masu, ali za razliku od HBM-a ovde imamo malu otpornost.

Ako pogledamo date primere tipičnih vrednosti, da se zaključiti da (npr.) odvijač, premda je nekoliko puta manje naelektrisan od ljudske ruke, može lakše da ošteti komponente zato što struja prilikom pražnjenja ima veći intenzitet i duže vreme rasta/pada usled čega dolazi do izraženijeg termičkog efekta pa je i verovatnoća da se neka komponenta sprži veća.

Dublje zalaženje u priču o ESD modelima prilično prevazilazi kako moje znanje, tako i okvire jedne lagane forumske pisanije, stoga se neću upuštati u to.


Optimalno rešenje za ovaj deo problema je na levoj slici.

Alat sa ESD oznakom je izrađen sa (delomično) provodnom drškom
čime se obezbeđuje kontrolisano pražnjenje ka zemlji.

Ukoliko nam pri ruci nije neka od ovih fancy alatki, moguća
je improvizacija (desna slika) - običan odvijač se može držati tako
da se obezbedi pražnjenje kroz telo umesto kroz komponentu.




Dalje? Za nekog komšilučkog geeka ESD podloga za radni sto je nešto o čemu bi valjalo razmisliti. ESD narukvica, alat i radna podloga se već mogu svrstati pod solidan mali EPA.


Još dalje? Moglo bi se daleko ići.
Konduktivni i uzemljeni: pod, stolica, police, obuća, ogrtač, ... Razni jonizujući elementi (stoni i zidni ventilatori), regulatori vlažnosti vazduha... No, tu bi se već moralo zaći u skupu, enterprise class zaštitu od ESD-ja.



ESD narukvica i odvijač (ili bar pažljivo baratanje onim običnim) ~ 10€.

Uz pretpostavku da se slažemo o značaju vođenja računa o elektrostatičkom pražnjenju... To i nije tako puno novca da bi zaštitili naš skupi hardver, zar ne?


Ako bih ipak pokušao da napišem neka elementarna pravila, to bi izgledalo otprilike ovako:

znanje za sve! (od onoga kineza u fabrici do nas, krajnjih potrošača);
obavezno korišćenje ESD bezbedne ambalaže (pri bilo kakvom transportu ili manipulacijama komponentama);
zaštitnu ambalažu otvarati isključivo u kontrolisanom okolišu (unutar (našeg) EPA).






Credits: Google, Wikipedia & NASA za deo slika, YT za video.
Temeljeno na beleškama sa različitih ESD kurseva koje (prisilno) pohađah.
Razz



Registruj se da bi učestvovao u diskusiji. Registrovanim korisnicima se NE prikazuju reklame unutar poruka.
offline
  • Pridružio: 30 Dec 2007
  • Poruke: 4759
  • Gde živiš: Niš

E odlična tema ! Wink

U stvari u svakoj kući postoji (delimično) anti-ESD oprema .
(ili bar mogućnost )
Jednostavno - uz matičnu ploču , u kutiji smo dobili
onu veliku crnu plastičnu kesu koja to nije. Ta kesa je ranije bila anti-ESD tojest provodni materijal Very Happy - ali sada je diskutabilno na novim proizvodima svašta stavljaju.
Takođe i ono sunđerče na kome stoji ploča u toku transporta je anti-ESD.

(i onda malo improvizacije... smešak )

Što se tiče Apolo 1 svemirske letelice, mislio sam da je preveliki broj žica, zbog kompleksnosti doveo do te havarije
a kasnije su smanjili kompleksnost upotrebom integrisanih kola
Ziveli



offline
  • Ričard  Male
  • Lavlje srce
  • Supermoderator
  • Zver!
  • CEO Vršački Vinogradi doo
  • Pridružio: 28 Nov 2006
  • Poruke: 13554
  • Gde živiš: Vršac

Kada sam počeo da radim u firmi u kojo sada radim, žalili su se radnici u knjigovodstvu da ih drma "struja" na tastaturi, poprilično ne moguće s` obzirom da su tastature plastične...

Šta se tu u stvari dešavalo: usled povišene temperature vazduha, strujanja vazduha, prašine, statički elektricitet se sakupljao na kućištu računara, a praznio na ljudima preko tastature. Ako pogledamo gornju tabelu o vrednostima ljudske percepcije ESD-a napon bio preko 10 000V u pojedinim situacijama.

Kako smo to rešili, vrlo jednostavno, zgrada u kojoj se nalazilo knjigovodstvo je stare gradnje i el. instalacija je bila bez zaštitnog uzemljenja. Prepravljanjem instalacije i postavljanjem zaštitnog uzemljenja stvari su legle na svoje mesti.


Ziveli

offline
  • Pridružio: 19 Maj 2005
  • Poruke: 5224
  • Gde živiš: Oslo

Jesam li dobro razumela tabelu tipicnih naelektrisanja? Trebalo bi, znaci, povecati vlaznost vazduha u prostoriji da bi se smanjio ESD?

offline
  • dr_Bora  Male
  • Anti Malware Fighter
    Rank 2
  • Pridružio: 24 Jul 2007
  • Poruke: 12279
  • Gde živiš: Höganäs, SE

Da (veća vlažnost vazduha = veća provodnost /odvodnost/ materijala).

Taj deo priče ja najznačajniji zimi (hladan vazduh se zagreje u zatvorenome i bude daleko suvlji nego onaj spoljašnji).

offline
  • Pridružio: 19 Maj 2005
  • Poruke: 5224
  • Gde živiš: Oslo

Hvala Doktore Boro, spasao si nam zivot! Zagrljaj

offline
  • Nenad Spasovic
  • Pridružio: 20 Avg 2008
  • Poruke: 139
  • Gde živiš: Hønefoss, Norge

dr_Bora ::Da (veća vlažnost vazduha = veća provodnost /odvodnost/ materijala).

Taj deo priče ja najznačajniji zimi (hladan vazduh se zagreje u zatvorenome i bude daleko suvlji nego onaj spoljašnji).

Znam da je svetogrdje oživeti ovako staru temu, ali morao sam da iznesem svoje iskustvo. Ako ne ide, briši slobodno.
Neke 2004. godine smo po naselju u kome sam živeo razvukli mrežne kablove od krova na krov, preko običnih 100 megabitnih svičeva i to je radilo kako je radilo. Dosta dobro zapravo. Kada dodje jesen-zima, odnosno vlažno vreme, nikakvih problema nikada nije bilo, dok je leti nastajala havarija kad god vazduh bude suv i naglo krene da grmi i seva (bez kiše i vlage u vazduhu). Razmišljali smo da vučemo backbone optikom, nabavili i media konvertore, kupio i kit za ručno splajsovanje, ali sam ja onda odselio i tako je to ostalo.
Argus zna o čemu pričam, on je bio deo te mreže.
Verovatno je električni naboj koji je nastajao kada negde lupi grom jedino bakar u UTP kablovima prenosio prema svičevima (jer je vazduh bio neprovodan manje-više), a kod vlažnog vremena, prosto bi se ispraznio negde prema zemlji gde je vlaga najveća.
Eto reko sam da konstatujem Smile

Ko je trenutno na forumu
 

Ukupno su 639 korisnika na forumu :: 32 registrovanih, 4 sakrivenih i 603 gosta   ::   [ Administrator ] [ Supermoderator ] [ Moderator ] :: Detaljnije

Najviše korisnika na forumu ikad bilo je 1567 - dana 15 Jul 2016 19:18

Korisnici koji su trenutno na forumu:
Korisnici trenutno na forumu: 4channer, _Petar, aerofreak, ALBION101, AMCXXL, attila.jukicburai, baki60, DENIRO, Dusko Nikolin, frenki1986, havoc995, Hawx1990, ivance95, Kos93, Kristian_KG, Kubovac, Mahovljani, maiden6657, Markoni29, operniki, ozzyy, Pippi Langstrumpf, plavii, robytz, Sass Drake, Skopljanac, Srna2, SsssssNOVI, versus2, vlahale, voja64, zola92