Elektrostatische ontlading

Aan het begin van dit boek hebben we het gehad over statische elektriciteit en hoe deze ontstaat. Dit heeft veel meer betekenis dan eerst zou worden aangenomen, aangezien de beheersing van statische elektriciteit een grote rol speelt in moderne elektronica en andere beroepen. Er is sprake van een elektrostatische ontlading wanneer een statische lading op ongecontroleerde wijze wordt afgevoerd en hierna ESD wordt genoemd.

ESD komt in vele vormen voor, het kan zo klein zijn als 50 volt elektriciteit die wordt vereffend tot tienduizenden volt. Het werkelijke vermogen is extreem klein, zo klein dat er over het algemeen geen gevaar wordt geboden aan iemand die zich in het ontladingspad van ESD bevindt. Het duurt meestal enkele duizenden volt voordat iemand ESD zelfs maar opmerkt in de vorm van een vonk en de bekende zap die ermee gepaard gaat. Het probleem met ESD is dat zelfs een kleine ontlading die volledig onopgemerkt kan blijven, halfgeleiders kan ruïneren. Een statische lading van duizenden volt is gebruikelijk, maar de reden dat het geen bedreiging vormt, is dat er geen stroom van enige substantiële duur achter zit. Deze extreme spanningen maken ionisatie van de lucht mogelijk en laten andere materialen afbreken, wat de oorzaak is van waar de schade vandaan komt.

ESD is geen nieuw probleem. De productie van zwart poeder en andere pyrotechnische industrieën zijn altijd gevaarlijk geweest als een ESD-gebeurtenis plaatsvindt in de verkeerde omstandigheden. Tijdens het tijdperk van buizen (AKA-kleppen) was ESD een niet-bestaand probleem voor elektronica, maar met de komst van halfgeleiders en de toename van miniaturisatie is het veel serieuzer geworden.

Schade aan componenten kan, en gebeurt meestal, optreden wanneer het onderdeel zich in het ESD-pad bevindt. Veel onderdelen, zoals vermogensdiodes, zijn zeer robuust en kunnen de ontlading aan, maar als een onderdeel een kleine of dunne geometrie heeft als onderdeel van hun fysieke structuur, kan de spanning dat deel van de halfgeleider afbreken. De stromingen tijdens deze gebeurtenissen worden behoorlijk hoog, maar liggen in het tijdsbestek van nanoseconden tot microseconden. Een deel van het onderdeel wordt hierdoor permanent beschadigd, wat twee soorten faalwijzen kan veroorzaken:catastrofaal en latent. Catastrofaal is de makkelijke, waardoor het onderdeel volledig niet-functioneel blijft. De andere kan veel ernstiger zijn. Door latente schade kan het probleemonderdeel uren, dagen of zelfs maanden werken na de eerste schade voordat het catastrofale defect optreedt. Vaak worden deze delen "lopende gewonden" genoemd omdat ze werken maar slecht zijn. Onderstaande figuur is weergegeven als een voorbeeld van latente (“walking gewonde”) ESD-schade. Als deze componenten terechtkomen in een levensondersteunende rol, zoals medisch of militair gebruik, dan kunnen de gevolgen grimmig zijn. Voor de meeste hobbyisten is het een ongemak, maar het kan ook duur zijn.

Zelfs componenten die als redelijk robuust worden beschouwd, kunnen door ESD worden beschadigd. Bipolaire transistors, de vroegste van de solid-state versterkers, zijn niet immuun, hoewel minder vatbaar. Sommige van de nieuwere hogesnelheidscomponenten kunnen worden geruïneerd met slechts 3 volt. Er zijn componenten die mogelijk niet als risicovol worden beschouwd, zoals enkele gespecialiseerde weerstanden en condensatoren die zijn vervaardigd met MOS-technologie (Metal Oxide Semiconductor), die via ESD kunnen worden beschadigd.

ESD-schadepreventie

Voordat ESD kan worden voorkomen, is het belangrijk om te begrijpen wat de oorzaak is. Over het algemeen kunnen materialen rond de werkbank worden onderverdeeld in 3 categorieën. Dit zijn ESD-generatief, ESD-neutraal en ESD-dissipatief (of ESD-geleidend). ESD Generatieve materialen zijn actieve statische generatoren, zoals de meeste kunststoffen, kattenhaar en polyester kleding. ESD-neutrale materialen zijn over het algemeen isolerend, maar hebben niet de neiging om statische ladingen te genereren of vast te houden. Voorbeelden hiervan zijn hout, papier en katoen. Dit wil niet zeggen dat ze geen statische generatoren of ESD-gevaar kunnen zijn, maar het risico wordt enigszins geminimaliseerd door andere factoren. Hout en houtproducten hebben bijvoorbeeld de neiging om vocht vast te houden, waardoor ze licht geleidend kunnen worden. Dit geldt voor veel organische materialen. Een sterk gepolijste tafel zou niet onder deze categorie vallen, omdat de glans meestal van plastic of vernis is, wat zeer efficiënte isolatoren zijn. ESD Geleidende materialen zijn vrij duidelijk, het zijn de metalen gereedschappen die rondslingeren. Kunststof handgrepen kunnen een probleem zijn, maar het metaal zal een statische lading net zo snel afvoeren als het wordt gegenereerd als het zich op een geaard oppervlak bevindt. Er zijn veel andere materialen, zoals sommige kunststoffen, die zijn ontworpen om geleidend te zijn. Ze zouden vallen onder de noemer ESD Dissipative. Vuil en beton zijn ook geleidend en vallen onder de noemer ESD Dissipatief.

Er zijn veel activiteiten die statische elektriciteit genereren, waarvan u zich bewust moet zijn als onderdeel van een ESD-controleregime. De simpele handeling van het verwijderen van de tape van een dispenser kan een extreme spanning opwekken. Rondrollen in een stoel is een andere statische generator, net als krabben. In feite zal elke activiteit waarbij 2 of meer oppervlakken tegen elkaar wrijven vrijwel zeker enige statische lading genereren. Dit werd aan het begin van dit boek genoemd, maar praktijkvoorbeelden kunnen subtiel zijn. Daarom is een methode nodig om deze spanning continu af te tappen. Dingen die enorme hoeveelheden statische elektriciteit genereren, moeten worden vermeden tijdens het werken aan componenten.

Plastic wordt meestal geassocieerd met het genereren van statische elektriciteit. Dit is rondgekomen in de vorm van geleidende kunststoffen. De gebruikelijke manier om geleidend plastic te maken is een additief dat de elektrische eigenschappen van het plastic verandert van een isolator in een geleider, hoewel het waarschijnlijk nog steeds een weerstand van miljoenen ohm per vierkante inch zal hebben. Er zijn kunststoffen ontwikkeld die kunnen worden gebruikt als geleiders in toepassingen met een laag gewicht, zoals die in de luchtvaartindustrie. Dit zijn specialistische toepassingen en worden over het algemeen niet geassocieerd met ESD-controle.

Het is niet allemaal slecht nieuws voor ESD-bescherming. Het menselijk lichaam is een behoorlijk behoorlijke geleider. Een hoge luchtvochtigheid zorgt er ook voor dat een statische lading onschadelijk wordt afgevoerd, en maakt ESD-neutrale materialen beter geleidend. Dit is de reden waarom koude winterdagen, waar de luchtvochtigheid in een huis vrij laag kan zijn, het aantal vonken op een deurknop kan verhogen. Zomers of regenachtige dagen, je zou behoorlijk hard moeten werken om een ​​aanzienlijke hoeveelheid ruis te genereren. Om deze reden doen industriële cleanrooms en fabrieksvloeren hun best om zowel de temperatuur als de vochtigheid te reguleren. Betonnen vloeren zijn ook geleidend, dus er kunnen enkele bestaande componenten in huis zijn die kunnen helpen bij het opzetten van beveiligingen.

Om ESD-bescherming tot stand te brengen, moet er een standaard spanningsniveau zijn waarnaar alles verwijst. Een dergelijk niveau bestaat in de vorm van grond. Er zijn zeer goede veiligheidsredenen dat er aarding wordt gebruikt rond het huis in stopcontacten. In sommige opzichten heeft dit betrekking op statisch, maar niet direct. Het geeft ons een plek om onze overtollige elektronen te dumpen of om wat te verwerven als we kort zijn, om eventuele ladingen die ons lichaam en gereedschap zou kunnen krijgen, te neutraliseren. Als alles op een werkbank direct of indirect via een geleider met aarde is verbonden, zal statische elektriciteit verdwijnen lang voordat een ESD-gebeurtenis de kans krijgt zich voor te doen.

Een goed aardingspunt kan op verschillende manieren worden gemaakt. In huizen met moderne bedrading die kan worden gecodeerd, kan de aardpen op de AC-plug-in worden gebruikt, of de schroef waarmee de afdekplaat van de uitgangen vastzit. Dit komt omdat huisbedrading eigenlijk een draad of spike heeft die de aarde ingaat ergens waar de stroom wordt afgetapt van de hoofdstroomleidingen. Voor mensen van wie de huisbedrading niet helemaal goed is, kan een spies van minimaal 3 voet in de aarde worden geslagen of een eenvoudige elektrische verbinding met metalen leidingen (slechtste optie) worden gebruikt. Het belangrijkste is om een ​​elektrisch pad naar de aarde buiten het huis tot stand te brengen.

Tien megaohm wordt in de wereld van ESD-controle als een geleider beschouwd. Statische elektriciteit is spanning zonder echte stroom, en als een lading enkele seconden nadat deze is gegenereerd, wordt afgetapt, wordt deze teniet gedaan. Over het algemeen wordt om deze reden een weerstand van 1 tot 10 megohm gebruikt om een ​​ESD-beveiliging aan te sluiten. Het heeft het voordeel dat het de ontladingssnelheid vertraagt ​​tijdens een ESD-gebeurtenis, wat de kans vergroot dat een onderdeel onbeschadigd overleeft. Hoe sneller de ontlading, hoe hoger de stroompiek die door het onderdeel gaat. Een andere reden waarom een ​​dergelijke weerstand als wenselijk wordt beschouwd, is dat als de gebruiker per ongeluk wordt kortgesloten naar hoge spanning, zoals huishoudelijke stroom, het niet de ESD-beveiligingen zijn die hem doden.

Er is een grote industrie ontstaan ​​rond het beheersen van ESD in de elektronica-industrie. Het hoofdbestanddeel van elke elektronicaconstructie is de werkbank met een statisch geleidend of dissipatief oppervlak. Dit oppervlak kan in de handel worden gekocht of zelfgemaakt worden in de vorm van een plaat metaal of folie. In het geval van een metalen oppervlak kan het een goed idee zijn om het dunne papier erop te leggen, hoewel dit niet nodig is als u geen aangedreven tests op het oppervlak uitvoert. De commerciële versie is meestal een vorm van geleidend plastic waarvan de weerstand hoog genoeg is om geen probleem te zijn, wat een betere oplossing is. Als je je eigen oppervlak voor de werkbank maakt, zorg er dan voor dat je de weerstand van 10 megohm aan aarde toevoegt, anders heb je helemaal geen bescherming.

Het andere grote item dat ESD-aarding nodig heeft, ben jij. Mensen lopen statische generatoren. Omdat je lichaam geleidend is, is het relatief eenvoudig om het te aarden, dit wordt meestal gedaan met een polsbandje. Commerciële versies hebben de weerstand al ingebouwd en hebben een brede riem om een ​​goed contactoppervlak met je huid te bieden. Wegwerpversies kunnen voor een paar dollar worden gekocht. Een metalen horlogeband is ook een goed ESD-beveiligingsaansluitpunt. Voeg gewoon een draad (met de weerstand) toe aan uw aardingspunt. De meeste industrieën nemen het probleem serieus genoeg om real-time monitoren te gebruiken die alarm slaan als de operator niet goed geaard is.

Een andere manier om jezelf te aarden is een hielband. Om de hak van je schoen zit een geleidend plastic deel gewikkeld, met een geleidend plastic bandje dat omhoog en onder je sok gaat voor een goed contact met de huid. Het werkt alleen op vloeren met geleidende was of beton. De methode zorgt ervoor dat een persoon geen grote ladingen genereert die andere ESD-beveiligingen kunnen overweldigen en wordt op zichzelf niet als adequaat beschouwd. Je kunt hetzelfde effect krijgen door blootsvoets op een betonnen vloer te lopen.

Nog een andere ESD-bescherming is het dragen van ESD-geleidende jassen. Net als de hielband is dit secundaire bescherming, niet bedoeld om de polsband te vervangen. Ze zijn bedoeld om eventuele ladingen die uw kleding kan genereren kort te sluiten.

Bewegende lucht kan ook aanzienlijke statische ladingen veroorzaken. Wanneer je het stof van je elektronica blaast, ontstaat er een statische elektriciteit. Een industriële oplossing voor het probleem van dit probleem is tweeledig:ten eerste hebben luchtpistolen een klein, goed afgeschermd radioactief materiaal dat in het luchtpistool is geïmplanteerd om de lucht te ioniseren. Geïoniseerde lucht is een geleider en zal statische ladingen vrij goed afvoeren. Ten tweede, gebruik hoogspanningselektriciteit om de lucht die uit een ventilator komt te ioniseren, wat hetzelfde effect heeft als het luchtpistool. Dit zal een werkstation effectief helpen om het potentieel voor ESD-generatie aanzienlijk te verminderen.

Een andere ESD-bescherming, die de eenvoudigste van allemaal is, is afstand. Veel industrieën hebben regels waarin staat dat alle neutrale en generatieve materialen ten minste 30 cm of meer verwijderd zijn van werk in uitvoering.

De gebruiker kan ook de kans op ESD-schade verkleinen door het onderdeel niet uit de beschermende verpakking te halen totdat het tijd is om het in het circuit te plaatsen. Dit verkleint de kans op blootstelling aan ESD, en hoewel het circuit nog steeds kwetsbaar is, zal het onderdeel een kleine bescherming hebben tegen de rest van de componenten, aangezien de andere componenten verschillende ontladingspaden voor ESD zullen bieden.

Opslag en transport van ESD-gevoelige componenten en kaarten

Het heeft geen zin om ESD-beveiligingen op de werkbank te volgen als de onderdelen worden beschadigd tijdens het opslaan of dragen ervan. De meest gebruikelijke methode is om een ​​variant van een kooi van Faraday te gebruiken, een ESD-zak. Een ESD-zak omringt het onderdeel met een geleidende afscherming en heeft gewoonlijk een niet-statisch genererende isolerende laag aan de binnenkant. In permanente kooien van Faraday is dit schild geaard, zoals in het geval van RFI-kamers, maar bij draagbare containers is dit niet praktisch. Door een ESD-zak op een geaard oppervlak te plaatsen, wordt hetzelfde bereikt. Kooien van Faraday werken door de elektrische lading rond de inhoud te leiden en deze onmiddellijk te aarden. Een door de bliksem getroffen auto is een extreem voorbeeld van een kooi van Faraday.

Statische tassen zijn verreweg de meest gebruikelijke manier om componenten en borden op te bergen. Ze zijn gemaakt van extreem dunne lagen metaal, zo dun dat ze bijna transparant zijn. Een zak met een gaatje, zelfs kleine, of een zak die niet bovenop is gevouwen om de inhoud af te sluiten tegen ladingen van buitenaf, is niet effectief.

Een andere methode om onderdelen in opslag te beschermen, zijn bakken of buizen. In deze gevallen worden de onderdelen in geleidende dozen gedaan, met een deksel van hetzelfde materiaal. Dit vormt effectief een kooi van Faraday. Een buis is bedoeld voor IC's en andere apparaten met veel pinnen en slaat de onderdelen op in een gegoten geleidende plastic buis die de onderdelen zowel mechanisch als elektrisch veilig houdt.

Conclusie

ESD kan een kleine, onvoelbare gebeurtenis van een paar volt zijn, of een enorme gebeurtenis die reële gevaren voor operators met zich meebrengt. Alle ESD-bescherming kan worden overspoeld door omstandigheden, maar dit kan worden omzeild door bewust te zijn van wat het is en hoe het te voorkomen. Veel projecten zijn gebouwd zonder ESD-bescherming en werkten goed. Aangezien het beschermen van deze projecten een klein ongemak is, is het beter om de moeite te nemen.

De industrie neemt het probleem zeer serieus, aangezien het zowel een potentieel levensbedreigend probleem als een kwaliteitsprobleem is. Iemand die een duur stuk elektronica of hightech hardware koopt, zal niet blij zijn als hij het binnen 6 maanden moet retourneren. Wanneer een reputatie op het spel staat, is het gemakkelijker om het juiste te doen.