Finns det några exempelelscheman där man kan testa komponenternas ESD uthållighet?

[DanielM]

Finns det några exempelelscheman där man kan testa komponenternas ESD uthållighet?

Vi tar typ något enkel halvledare t.ex. en vanlig IC-krets typ logik. Sedan utsätter man den för en elektrisk stöt och man ska kunna se efter ett tag att IC-kretsen får en försämrad funktion.

Vore kul att testa ESD. Någon som har några förslag?

[JimmyAndersson]

"efter ett tag"

Det är väldigt svårt (gissar på näst intill omöjligt) att göra en ESD-skada som märks efter en förutbestämd tid.

En kraftig smäll från t.ex piezo-elementet i en grilltändare märks omedelbums,
men om man klappat katten (eller en ballong) och sedan tar i en IC-krets så kan det gå år innan något märks, om det ens märks.

Kanske en Vandegraf-generator? Då kan man öka laddningen undan för undan.

[DanielM]

Okej. Vi säger att man använder en grilltändare och gör en liten gnista på en IC-krets. Alltså medvetet försöker sabotera kretsen. Finns det något recept på hur man kan sabotera IC-kretsar med gnistan från en vanlig grilltändare?

[Klas-Kenny]

Om det är enskilda komponenter du är intresserad av, så finns det ofta information kring ESD-tålighet i databladet.


Förmodligen kan du ganska enkelt zappa sönder en IC med en tändare eller liknande. Men vad får du ut av det egentligen?

[DanielM]

Detta är bara av rent intresse hur ESD påverkar en komponent.

Så denna LM324 OP-amp skulle säkerligen mäta fel om jag började fippla på med en grilltändare på den? Det står 2kV och ESD är betydligt större än 30 kV enligt min ESD-mätare.
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm124 ... r.com%252F

[JimmyAndersson]

Hm, nu när du säger det... När det gäller op-förstärkare så vore det faktiskt lite kul att veta hur en ESD-skadad skulle uppföra sig.
Det vore intressant att veta.

[TomasL]

Eftersom en ESD-skada är fullständigt slumpmässig, så är det fullständigt omöjligt att kunna testa/se hur den beter sig, så frågeställningen från TS, det är fullständigt omöjligt att testa.

Nu vet jag inte hur många komponenter som ingår i en LM324, men en ESD skada kan orsaka latenta fel i en, flera eller alla komponenter.
Den kan dessutom få en, flera eller alla komponenter att fallera delvis och/eller fullständigt

[JimmyAndersson]

"fullständigt slumpmässig"

Det existerar inte något sådant i universum.

[TomasL]

Jo det gör det.

[JimmyAndersson]

Det är över 45 år sedan jag växte ifrån den typen av diskussioner,
så jag passar på att önska en trevlig helg istället.


Jo. Nä. Jojj! Nejj! Jo-ho. Nää-ää. Iiiiiiiiiiiii joooooo! Min spade är större än din pappa!!

[MadModder]

Det finns ingen som lyckats bevisa varken det ena eller andra. Om någon bevisar att slumpen inte finns, har det i samma ögonblick bevisats att den fria viljan inte finns. Bara att välja. Eller?

Som jag ser det angående ESD:
Att utsätta en komponent för ESD när den är inkopplad i en krets introducerar många osäkerheter då kringkomponenterna också kan fallera, vilket medför att observationerna görs på kretsen som helhet och inte bara på komponenten man vill testa.

[Janson1]

Om man ser det med ESD från andra hållet istället. Dom flesta om inte alla fabrikanter har testat sina komponenter för att se hur känsliga/säkra dom är mot statiska urladdningar och har förmodligen lagt ner ett enormt jobb på att få deras komponenter så tåliga som möjligt. Om man utgår från det istället och bygger sina alster med tänket att fortsätta skydda tex alla ingångar/utgångar efter konstens alla regler så är det bättre. Att utsätta en grej för ESD med antingen piezo-tändare eller annan godtycklig urladdning ger inget mer än 3 saker. 1: en trasig produkt direkt. 2 En produkt som blir dålig efter ett tag. 3 En produkt som bara kommer att fungera vidare tills man tröttnar på den...

[Mindmapper]

I början av mobiltelefon eran, eller tom tidigare. Gjordes många upptäckter av att företag med dålig kontroll av ESD skydd fick problem med produkter som fungerade vid leverans, men som efter en stund gick sönder. Komponenterna i dessa produkter hade fått ESD skador som försvagat de tunna halvledarbanorna inne i komponenten. Dessa skadade banor "fräts" sönder efter en tid. För nystartade företag utan bra ESD skydd och en stabil ekonomi blev det en dödsstöt om produkterna fick sådana skador att de havererade under garantitiden.
Efter införande av ett fungerande ESD-skydd i tillverkningsprocessen försvann dessa problem.

Vi har alltså två sidor av detta. Komponentens ESD-tålighet - samt skyddet under hanteringen av komponenten.

Under denna tid upplevde jag också problem med torr luft i våra lokaler. Vi hade mycket problem med serieportarna på datorerna som ofta gick sönder. Under vintern var luftfuktigheten ibland nere på 10%rh. Efter införskaffande av bra luftfuktare försvann problemet så gott som helt. Vi mådde även bättre.

Ska man testa komponenternas tålighet fullt ut behöver man göra undersökningar av komponentens inre för att förvissa sig om att inga dolda skador finns som skapar problem efter en viss tid.

[E Kafeman]

ESD rating för en krets kan variera över rätt stort spänningsområde beroende på vilken mätmetod som används.
I fallet med LM324 så är den specificerad efter en klassningsprincip.
Där står INTE att den tål 2kV. Det vore att tolka datablads som f*n läser bibeln eller att påstå att en bils toppfart är 200km utan att tala om vilken tidsperiod man avser att dessa 200km ska klaras av på.
Det står att den tål 2kV HBM där HBM står för Human Body Model. Vid testning laddas då en kondensator på 100pF upp till 2.5 kV och sedan laddas denna kondensatorn ur via ett standardiserat nätverk för att efterlikna impedansen i människokroppen. Nätverket har då ca 1500 Ohm serieresistans
Nätverket är standardiserat enligt JEDEC JS-001 för HBM och JS-002 för CDM.
HBM standarden är en sk. skeppningsklassificering, dvs så som komponenten förpackas, vad klarar den då vid fraktnings och lagerhanteringen i samband med manuell hantering (HBM) utan att skadas och vad den klarar i samband med maskinell hantering(CDM) vid montering på kretskort.
CDM-ESD är vanligt problem om man t.ex. låter kretsar glida fram i löpbanor fram till plockningmaskinen. Att låta något glida är ett bra sätt att generera ESD-spänningar som sedan urladdas häftigt vid monteringen. Det är inte helt enkelt att i något led inte tillföra elektrisk urladdning från att komponenten är förpackad i olika lager till att den sitter monterad och lödd på PCB. Den omonterade komponenten är ojordad men kan ha egen laddning via friktion vid hanteringen och sedan kommer i kontakt med den jordade omgivning som plockmaskinen utgör. Den urladdning-impedansen är ofta lägre än vad tillämpbara vanliga standarder föreskriver så här kommer antagligen revideringar med tiden.

Dessa 2kV HBM säjer inget alls vad LM324 klarar om man låter ett piezo-element avge spänningpuls till kretsen i sluten krets, dvs med någon form av jordåterledare. Är inte jordåterledaren definierad vet man inte om något alls händer oavsett spänning.
Beroende på vilket ben på kretsen man väljer i lågimpediv slinga så lär max puls den överlever oskadd inte vara mer än ett par tre volt och backspänning anger man till -0.3V. Alla ingångar får inte överskrida Vcc enligt datablad. Kort eller lång stund eller användandet av braständare ändrar inget utan det är dessa spänningar som gäller.
2-3 Volt och 2kV är en viss skillnad som är väsentlig att kunna om man ska ge sej på att tolka datablad på någorlunda kunnigt sätt.

För en krets som är monterad på PCB finns andra komponentspecifika ESD-klassningar såsom IEC 61000-4-2 där man ESD-testar aktiv krets genom att lägga på direkta spänningspulser och spänningspulser via luftgap och samtidigt verifierar grad av störning som uppstår på förväntad utsignal. Det är nog tester som ligger närmare det man tänker sej kunna utföra med braständare.

Detta är normalt inget som hobbyister behöver bekymra sej om men jobbar man professionellt med elektronikdesign förväntas man att kunna tolka ESD-informationen i ett datablad alternativt ha så mycket logiskt kunnande att man inte tror att det går skicka in några 100V via en strömslinga där LM324 ingår utan att det tar omgående tar livet av den.

Rent materialmässigt, om man begränsar strömmen vid en pålagd puls som har så hög spänning att den orsakar överslag mellan ledare inuti kretsen, då uppstår alltid skador oavsett hur svag strömmen är. Att det uppstår överslag är alltid förknippat med materialvandring, dvs en ledare förlorar lite av sitt ledarmaterial. Vid otur räcker materialvandringen till för att överbrygga till andra ledare eller bränna av egna ledaren.
Moderna kretsar har ofta tunnare ledare och är därför mer känsliga för sådant. De tål inte så mycket materialvandring och tätheten mellan ledare är större så det lättare uppstår spontana överslag. För att inte moderna kretsar ska bli nedklassade vad gäller ESD-tålighet har de inte sällan både passiva och aktiva skydd som inte behövdes på äldre motsvarande kretsar.

LM324 är en antik men tålig krets tack vare dess grova inre struktur med breda ledare där även ledares strökapacitans ger ett visst skydd mot överslag i samband med ESD-urladdningar för monterad krets.
I grova drag kan överslag i free space uppstå vid 10kV/mm. Om en modern CPU har interna ledare med mindre är 20 nm mellan ledare så måste man tänka två ggr innan man låter det ledaravståndet vara del av en möjlig ESD strömslinga.

De flesta ESD urladdnings-modeller innefattar en serieimpedans som avser att efterlikna realistisk händelse på repetitivt sätt.
Den impedansen medför att det är möjligt att bygga in ett visst skydd inuti på PCB monterade kretsar såsom kapacitiva laster mellan samtliga ben för att minska toppeffekten av den relativt kortvariga urladdningen. Det har nackdelen att sådana kretsar blir tunga att driva vid högre frekvenser.
Ett alternativ är 2 st skyddsdioder från alla signalpinnar till jordpinne resp Vcc. Vanligt på logikkretsdar och kretsar med insignalvägar som man vill ge ett visst skydd.
Somliga kretsar är varken kapacitivt skydd eller skyddsdioder möjliga då det skulle sätta ner prestandan allt för mycket.
Vissa snabbare laserdioder är exempel på kretsar som saknar skydd och som kan självförstöras av att ligga med oanslutna ben i luften.
Även lysdioder typ nitrid-baserade dioder är mycket ESD-känsliga men dessa har oftast en eller två skyddsdioder för att underlätta hantering av omonterad lysdiod.

Viktigast ur designsynpunkt är att förutse vad en krets kan utsättas för, vilka lågimpedivaESD-vägar eller vägar med liten överslags-isolation som finns för den monterade kretsen.
Som till en regel ger sej sådana problem till känna långt innan dödliga ESD-skador inträffar genom att t.ex. insignaler från yttervärlden plockar upp störningar.
Sådan dålig design kan bli förfärligt känslig via sämsta möjliga signalvägar.
Logiska kretsar som falsk-triggar reset-bussen varje gång husets kylskåpskompressor stannar är inget annat än dålig design.

Sedan finns fall där man måste ta ESD-kraven till lite högre nivå och räkna och simulera en elektronik-design ytterst väl om det alls ska vara lönt att realisera kretsen. Elektronik för styrning av gnistmaskin eller svetsrobot är sådant där även mindre störningar kan få stora konsekvenser om elektroniken inte är väl designad. En större industrirobot eller gnist som tappar positionen vid svetsning eller börjar röra sej vilt kan ställa till stor skada.
Det är inte mycket bättre när flygledarens elektronik inte klarar att hålla rätt på flygplan då elektroniken resettas varje gång den blir belyst av lokal flygradar.
Ett tredje exempel är när medicinsk utrustning inte tål att komma för nära annan utrustning.

Alla tre är verkliga occh fel med möjligt allvarliga konsekvenser som jag personligen stött på och de har alla haft det gemensamt att de varit designade av någon som inte behärskar varken ESD eller EMI.

Numera är det sällan man gör så totala misstag och inom många industrier finns sedan länge rätt strikta krav på ESD och EMI-tålighet. Det är ju inte bra om flygplanetets autopilot tappar kontrollen när piloten testar sin gasolbrännare. Samma med självstyrande bilar, de ska tåla braständare och att köra nära radio-sändare och över strömslingor i marken utan att bli störda.

Det finns tre olika benämningar av ESD-skada som man som designer bör känna till.
1. Parameterskada. Exempel kan vara att en krets vars utpinne fått försämrad drivförmåga, högre impedans, men i övrigt fungerar normalt.
2. Katastrofskada. Kretsen är att betrakta till väsentlig del ur funktion.
3. Latent skada. Kretsen kan fungera normalt men kan senare uppvisa sämre ESD-tålighet och sämre stresstålighet och långt senare oväntad självdestruktion. Latent skada är skada som inte upptäcks i samband med testfasen.

Länkade databladet var ett TI-blad och TI har ofta omfattande och lättförstålig bakgrundsinfo för den som t.ex. vill förstå ett datablad och vill veta under vilka omständigheter TI mäter presenterad data. En god start för att förstå ESD-data:
"Reading and Understanding an ESD Protection Data Sheet" https://www.ti.com/lit/ug/slla305a/slla ... 5329373019

[pi314]

Jag läste en undersökning för ganska länge sedan (ett par år sedan) där det hävdades bl.a.:

– I ungefär 90% av fallen när elektronik går sönder är orsaken ESD.
– Många av felen visar sig inte förrän långt efter skadetillfället. Kan vara ett år eller mer.

Jag minns inte, men kanske handlade undersökningen om CMOS, MSI och LSI?

Hade det varit elektronik generellt hade nog elektrolyter tagit en större plats.

/Pi