Apakah Kerusakan Listrik Statis Masih Merupakan Masalah Besar dengan Elektronik?

Kita semua telah mendengar peringatan untuk memastikan bahwa kita terhubung ke tanah dengan benar saat bekerja pada perangkat elektronik kita, tetapi apakah kemajuan teknologi mengurangi masalah kerusakan listrik statis atau apakah masih lazim seperti sebelumnya? Posting Q&A SuperUser hari ini memiliki jawaban komprehensif untuk pertanyaan pembaca yang penasaran.

Sesi Tanya Jawab hari ini datang kepada kami berkat SuperUser-subdivisi Stack Exchange, pengelompokan situs web Q&A berbasis komunitas.

Foto milik Jared Tarbell (Flickr).

Pertanyaan

SuperUser reader, Ricku ingin tahu apakah kerusakan listrik statis masih menjadi masalah besar dengan elektronik sekarang:

Saya pernah mendengar bahwa listrik statis adalah masalah besar beberapa dekade yang lalu. Apakah ini masih menjadi masalah besar sekarang? Saya percaya bahwa sangat jarang bagi seseorang untuk "menggoreng" komponen komputer sekarang.

Apakah kerusakan listrik statis masih menjadi masalah besar dengan elektronik sekarang?

Jawabannya

Kontributor SuperUser, Argonauts, memiliki jawaban untuk kami:

Dalam industri, ini disebut Electro-Static Discharge (ESD) dan jauh lebih menjadi masalah sekarang daripada sebelumnya; meskipun telah sedikit dimitigasi oleh adopsi kebijakan dan prosedur yang cukup luas yang membantu menurunkan kemungkinan kerusakan ESD pada produk. Bagaimanapun, dampaknya pada industri elektronik lebih besar daripada banyak industri lainnya.

Ini juga merupakan topik studi yang sangat besar dan sangat kompleks, jadi saya hanya akan menyentuh beberapa poin. Jika Anda tertarik, ada banyak sumber, materi, dan situs web gratis yang didedikasikan untuk subjek ini. Banyak orang mendedikasikan karier mereka di bidang ini. Produk yang rusak oleh ESD memiliki dampak yang sangat nyata dan sangat besar pada semua perusahaan yang terlibat dalam elektronik, apakah itu sebagai produsen, perancang, atau "konsumen", dan seperti banyak hal yang ditangani dalam suatu industri, biayanya dibebankan kepada kami.

Dari Asosiasi ESD:

Ketika perangkat dan ukuran fitur-fiturnya terus-menerus menjadi lebih kecil, mereka menjadi lebih rentan terhadap kerusakan oleh ESD, yang masuk akal setelah sedikit berpikir. Kekuatan mekanis dari bahan yang digunakan untuk membangun elektronik umumnya turun karena ukurannya berkurang, seperti halnya kemampuan bahan untuk menahan perubahan suhu yang cepat, biasanya disebut sebagai massa termal (seperti pada objek skala makro). Sekitar tahun 2003, ukuran fitur terkecil berada di kisaran 180 nm dan sekarang kami dengan cepat mendekati 10 nm.

Peristiwa ESD yang 20 tahun lalu tidak berbahaya dapat berpotensi menghancurkan elektronik modern. Pada transistor, bahan gerbang sering menjadi korban, tetapi elemen pembawa lainnya dapat diuapkan atau dilebur juga. Solder pada pin IC (permukaan mount yang setara seperti Ball Grid Array jauh lebih umum hari ini) pada PCB dapat meleleh, dan silikon itu sendiri memiliki beberapa karakteristik penting (terutama nilai dielektriknya) yang dapat diubah dengan panas tinggi . Secara keseluruhan, ini dapat mengubah sirkuit dari semi-konduktor menjadi selalu-konduktor, yang biasanya berakhir dengan percikan dan bau busuk ketika chip dinyalakan.

Ukuran fitur yang lebih kecil hampir seluruhnya positif dari sebagian besar perspektif metrik; hal-hal seperti kecepatan operasi / jam yang dapat didukung, konsumsi daya, pembangkitan panas yang erat, dll., tetapi sensitivitas terhadap kerusakan dari apa yang seharusnya dianggap jumlah energi sepele juga sangat meningkat ketika ukuran fitur turun.

Perlindungan ESD dibangun ke banyak elektronik saat ini, tetapi jika Anda memiliki 500 miliar transistor dalam sirkuit terintegrasi, itu bukan masalah yang bisa ditelusuri untuk menentukan jalur apa yang akan diambil dengan muatan statis dengan kepastian 100 persen.

Tubuh manusia kadang-kadang dimodelkan (Model Tubuh Manusia; HBM) memiliki 100 hingga 250 picofarad kapasitansi. Dalam model itu, tegangan bisa setinggi (tergantung pada sumbernya) 25 kV (meskipun beberapa klaim hanya setinggi 3 kV). Menggunakan angka yang lebih besar, orang tersebut akan memiliki "muatan" energi sekitar 150 milijoule. Orang yang "terisi penuh" biasanya tidak akan menyadarinya dan akan dikeluarkan dalam sepersekian detik melalui jalur tanah pertama yang tersedia, seringkali perangkat elektronik.

Perhatikan bahwa angka-angka ini menganggap orang tersebut tidak mengenakan pakaian yang mampu membawa biaya tambahan, yang biasanya merupakan kasusnya. Ada beberapa model untuk menghitung risiko ESD dan tingkat energi, dan ini menjadi cukup membingungkan karena mereka tampak saling bertentangan dalam beberapa kasus. Berikut ini tautan ke diskusi yang sangat baik tentang banyak standar dan model.

Terlepas dari metode spesifik yang digunakan untuk menghitungnya, itu tidak, dan tentu saja tidak terdengar seperti banyak energi, tetapi lebih dari cukup untuk menghancurkan transistor modern. Untuk konteksnya, satu joule energi setara (menurut Wikipedia) dengan energi yang diperlukan untuk mengangkat tomat ukuran sedang (100 gram) satu meter secara vertikal dari permukaan Bumi.

Ini jatuh pada sisi "skenario terburuk" dari peristiwa ESD khusus manusia, di mana manusia membawa muatan dan membuangnya ke perangkat yang rentan. Tegangan yang tinggi dari jumlah muatan yang relatif rendah terjadi ketika orang tersebut memiliki ground yang sangat buruk. Faktor kunci dalam apa dan berapa banyak yang rusak sebenarnya bukan muatan atau tegangan, tetapi arus, yang dalam konteks ini dapat dianggap sebagai seberapa rendah resistansi jalur perangkat elektronik terhadap suatu tanah adalah.

Orang yang bekerja di sekitar elektronik biasanya di-ground dengan tali pergelangan tangan dan / atau tali pengardean di kaki mereka. Mereka bukan "celana pendek" untuk pentanahan; resistensi diukur untuk mencegah pekerja dari berfungsi sebagai penangkal petir (mudah tersengat listrik). Pita pergelangan tangan biasanya dalam kisaran 1M Ohm, tetapi itu masih memungkinkan untuk pemakaian cepat dari energi yang terakumulasi. Barang kapasitif dan berinsulasi bersama dengan bahan penghasil atau penyimpanan bahan lainnya diisolasi dari area kerja, hal-hal seperti polistirena, bungkus gelembung, dan gelas plastik.

Ada material dan situasi lain yang tak terhitung jumlahnya yang dapat mengakibatkan kerusakan ESD (dari perbedaan muatan relatif positif dan negatif) ke perangkat di mana tubuh manusia sendiri tidak membawa muatan “secara internal”, tetapi hanya memfasilitasi pergerakannya. Contoh tingkat kartun adalah mengenakan sweater wol dan kaus kaki sambil berjalan melintasi karpet, lalu mengambil atau menyentuh benda logam. Itu menciptakan jumlah energi yang jauh lebih tinggi daripada yang bisa disimpan oleh tubuh sendiri.

Satu poin terakhir tentang betapa sedikit energi yang diperlukan untuk merusak elektronik modern. Transistor 10 nm (belum umum, tetapi akan dalam beberapa tahun ke depan) memiliki ketebalan gerbang kurang dari 6 nm, yang semakin mendekati apa yang mereka sebut monolayer (satu lapisan atom).

Ini adalah subjek yang sangat rumit, dan jumlah kerusakan yang dapat disebabkan oleh peristiwa ESD pada perangkat sulit diprediksi karena banyaknya variabel, termasuk kecepatan pelepasan (seberapa banyak hambatan yang ada antara muatan dan ground) , jumlah jalur ke tanah melalui perangkat, kelembaban dan suhu sekitar, dan banyak lagi. Semua variabel ini dapat dicolokkan ke berbagai persamaan yang dapat memodelkan dampak, tetapi mereka tidak terlalu akurat dalam memprediksi kerusakan aktual, tetapi lebih baik dalam membingkai kemungkinan kerusakan dari suatu peristiwa.

Dalam banyak kasus, dan ini sangat spesifik untuk industri (pikirkan medis atau kedirgantaraan), peristiwa kegagalan katastropik yang diinduksi ESD adalah hasil yang jauh lebih baik daripada peristiwa ESD yang melewati pembuatan dan pengujian tanpa disadari. Peristiwa ESD yang tidak diketahui dapat menciptakan cacat yang sangat kecil, atau mungkin sedikit memperburuk cacat laten yang sudah ada dan tidak terdeteksi, yang dalam kedua skenario dapat menjadi lebih buruk dari waktu ke waktu karena peristiwa ESD kecil tambahan atau hanya penggunaan rutin..

Mereka akhirnya menghasilkan kegagalan katastropik dan prematur perangkat dalam kerangka waktu yang dibuat secara artifisial yang tidak dapat diprediksi oleh model keandalan (yang merupakan dasar untuk jadwal perawatan dan penggantian). Karena bahaya ini, dan mudah untuk memikirkan situasi yang mengerikan (mikroprosesor alat pacu jantung atau instrumen kontrol penerbangan, misalnya), mencari cara untuk menguji dan memodelkan cacat laten yang diinduksi ESD adalah bidang utama penelitian saat ini.

Untuk konsumen yang tidak bekerja atau tahu banyak tentang manufaktur elektronik, sepertinya tidak menjadi masalah. Pada saat sebagian besar barang elektronik dikemas untuk dijual, ada banyak perlindungan di tempat yang akan mencegah sebagian besar kerusakan ESD. Komponen sensitif secara fisik tidak dapat diakses dan tersedia jalur yang lebih nyaman ke tanah (yaitu sasis komputer yang diikat ke tanah, melepaskan ESD ke dalamnya hampir pasti tidak akan merusak CPU di dalam kasing, tetapi sebaliknya mengambil jalur resistansi terendah ke arde melalui catu daya dan sumber listrik outlet dinding). Atau, tidak ada jalur pembawa yang masuk akal saat ini dimungkinkan; banyak ponsel memiliki eksterior non-konduktif dan hanya memiliki jalur ground ketika sedang diisi daya.

Sebagai catatan, saya harus menjalani pelatihan ESD setiap tiga bulan, jadi saya bisa terus berjalan. Tapi saya pikir ini sudah cukup untuk menjawab pertanyaan Anda. Saya percaya segala sesuatu dalam jawaban ini akurat, tetapi saya sangat menyarankan untuk membacanya secara langsung untuk lebih mengenal fenomena ini jika saya tidak menghancurkan keingintahuan Anda untuk selamanya.

Satu hal yang orang temukan kontra-intuitif adalah bahwa tas yang sering Anda lihat elektronik disimpan dan dikirim dalam (tas anti-statis) juga konduktif. Anti-statis berarti bahwa materi tidak akan mengumpulkan muatan yang berarti dari berinteraksi dengan bahan lain. Tetapi di dunia ESD, sama pentingnya (sejauh mungkin) bahwa semuanya memiliki referensi tegangan tanah yang sama.

Permukaan kerja (tikar ESD), kantung ESD, dan bahan-bahan lainnya semuanya biasanya diikat dengan tanah yang sama, baik dengan tidak memiliki bahan berinsulasi di antara mereka, atau lebih eksplisit dengan memasang jalur resistansi rendah ke tanah di antara semua bangku kerja; konektor untuk gelang pergelangan pekerja, lantai, dan beberapa peralatan. Ada masalah keamanan di sini. Jika Anda menggunakan bahan peledak dan elektronik yang tinggi, gelang Anda mungkin terikat langsung ke tanah daripada resistor 1M Ohm. Jika Anda bekerja dengan voltase sangat tinggi, Anda tidak akan melakukan ground sama sekali.

Berikut ini adalah kutipan pada biaya ESD dari Cisco, yang bahkan mungkin sedikit konservatif, karena kerusakan jaminan dari kegagalan lapangan untuk Cisco biasanya tidak mengakibatkan hilangnya nyawa, yang dapat meningkatkan 100x yang disebut oleh perintah besarnya :

Punya sesuatu untuk ditambahkan ke penjelasan? Berbunyi dalam komentar. Ingin membaca lebih banyak jawaban dari pengguna Stack Exchange yang mengerti teknologi lainnya? Lihat utas diskusi lengkap di sini.