Hardware kapot? Waarschijnlijk door ESD!

Door Flake op zaterdag 16 februari 2013 16:43 - Reacties (4)
Categorie: -, Views: 2.075

Waarom zelfbouw uitvalt en Dell niet
Mijn ouders hadden een klein bedrijf thuis met wat werkplekken, waar ik in mijn jeugd keurig de computers bijhield die ik ook zelf had gebouwd. Bij iedere computer viel wel een component uit: een harddisk, geheugenmodule, videokaart, noem maar op. Uiteraard ruim na de garantieperiode. Op een gegeven moment werd ik het zat en besloot ik voortaan computers in te kopen bij Dell om tijd te besparen. Nu draaien die al ruim vijf jaar zonder dat ik bij één machine ook maar één onderdeel had moeten vervangen. Hoe kan dit? Jarenlang ging ik er vanuit dat Dell gewoon betere kwaliteit componenten kreeg dan consumenten. Totdat ik elektrotechniek ging studeren en leerde over de gevaren van elektronica en electrostatic discharge, afgekort ESD.

Electrostatic watte?
Statische elektriciteit. Dat verschijnsel is iedereen wel bekend: knetterende kleding, een schok bij het vastpakken van een deurklink of, in haar meest extreme vorm, bliksem. Het komt sneller voor bij droge lucht en wrijving, bijvoorbeeld bij lopen over tapijt of simpelweg het dragen van synthetische kleding. In sommige gevallen kunnen wij met onze zintuigen statische elektrische lading waarnemen: Wij kunnen het voelen vanaf 3,5kV en we kunnen het zien vanaf 8kV. Bij elektronische componenten kan ESD-schade al optreden vanaf 100V in het IC zelf. Met andere woorden: het gebeurt zonder dat je het merkt, achteraf zie je er niks van en voorlopig merk je er ook niks van.

Dus met andere woorden, het bestaat niet
Helaas wel. Elektriciteit kunnen wij sowieso niet waarnemen. Een hoogspanningsmast met of zonder spanning ziet er hetzelfde uit en je kan ook niet met het blote oog zien of een geheugenmodule defect is. Alleen omdat je het niet kan zien, wil niet zeggen dat het niet gebeurt.

http://i.imgur.com/nQIMXxu.jpg


Dit is een EPROM, een inmiddels gedateerd IC ontwerp, maar door dat raampje kun je de footprint van een IC zien zitten. Als je ziet hoe klein dit is, dan kun je je voorstellen dat daar geen honderden volts aan spanning op mag komen. Bij een modern IC wordt de schade pas zichtbaar op het moment dat je het IC ontdoet van zijn behuizing en met een elektronenmicroscoop de footprint bekijkt. Die spullen heb ik niet thuis liggen, maar een simpele zoekopdracht levert al wat leuke plaatjes op. Neem bijvoorbeeld deze.

http://i.imgur.com/jyBXw10.jpg

Zo ziet lichte ESD schade eruit: een piepklein gaatje op een lithografisch aangelegd stukje silicium, veroorzaakt doordat een te grote spanning tussen die lagen terecht is gekomen. In dit stadium is jouw videokaart nog gewoon functioneel. Dit gat wordt echter groter. Hoe lang dit duurt is afhankelijk van de temperatuur en de stroom door die baan, maar uiteindelijk zal dit gat zo breed worden dat het spoortje zal breken. Vanaf dat moment is je videokaart defect en dat zal je merken. Dit kan nog wel een paar jaar duren, maar vanaf het moment dat jij je videokaart hebt vastgepakt is het al begonnen aan een langzame dood.

Zo! En wanneer gebeurt dit?
Dit kan (en zal) gebeuren als je printplaten vastpakt zonder antistatische werkplek. Zoals ik eerder heb gezegd merk je daar niks van. Je zult vast gezien hebben dat de meeste onderdelen ook geleverd worden in een antistatische zak. Vroeger dacht ik dat dat soort zaken niet meer belangrijk waren op het moment dat het product de fabriek had verlaten, maar dat is niet waar. Het houdt pas op zodra alles in een behuizing zit. Een behuizing maakt een printplaat immuun: een metalen behuizing fungeert als een kooi van Faraday en een kunststof behuizing geleidt niet, waardoor de lading de printplaat niet zal bereiken. Connectoren zijn beschermd: Bij bijvoorbeeld een USB stick zitten snelle ESD-diodes tussen de connector en de USB-controller. Hoge spanningspieken, die ver buiten de toleranties van normaal USB dataverkeer liggen en daardoor schadelijk zijn, worden door de diodes afgevoerd naar ground of VCC, zodat ze niet aankomen bij de USB-controller. Hierdoor kun je zonder problemen een USB-stick vasthouden terwijl je over tapijt loopt. Let wel dat interne connectoren (zoals PCI-e) deze diodes niet hebben.

Geldt dit alleen voor computerapparatuur?
Nee, dit geldt voor alle elektronica. Dus jouw computer, maar ook jouw Arduino, Raspberry Pi of mobiele telefoon als je de behuizing verwijdert. Oude elektronica is hier minder vatbaar voor, omdat deze volgens een lomper lithografisch procedé zijn gefabriceerd. De trend is om op steeds kleinere wafers te produceren, van 10µm in 1973 naar 5nm in 2020, omdat dit leidt tot betere warmtehuishouding. Maar als je kijkt naar bovenstaande plaatjes, dan kun je al vermoeden dat de gevolgen van ESD voor kleinere procedés groter zijn.

Dus jij wil zeggen dat Dell hier wat aan doet?
Klopt. Bij Dell kan ik dat helaas niet bewijzen, maar dat kan ik wel bij HP. Er is een video op internet verschenen van een fabrieksmedewerker die een laptop aan het testen is, maar vergeten is om de harddisk te sweepen. De nieuwe eigenaar van die laptop was zo vriendelijk om deze op Youtube te zetten. Hierop is een hoop te zien.



Zo zie je dat de medewerkers aan de lopende band een snoer om hun pols hebben. Dat is geen elektronisch huisarrest maar een geleidend contact om statische lading af te voeren. Ze hebben antistatische jassen aan, zelfs een petje. Ik zie op de stoelen een geel waarschuwingslabel zitten, dus waarschijnlijk zijn deze geleidend. Dat werkt alleen als de vloer ook geleidend is. Het schroeisel is lastig te zien. Het is niet overal even duidelijk, maar ik durf op basis van deze beelden glashard te roepen dat in deze faciliteit er alles aan wordt gedaan om ESD-schade te voorkomen. Bij Dell zijn ze heus niet achterlijk en geldt dat ongetwijfeld ook.

Dus als ik dit wil voorkomen, dan moet ik een fabriekshal inrichten?
Nee, maar wel een antistatische werkplek. Het menselijk lichaam is geleidend, dus je zult ervoor moeten zorgen dat jouw lichaam in contact komt met aarde. Dit doe je ook bij de componenten, zodat het spanningspotentiaal nul is. Als je dan ook nog voorkomt dat je tijdens het handelen statisch geladen raakt, dan ben je ESD veilig.

Ik bouw graag PC's, dus hoe kan ik dat thuis voor elkaar krijgen?
In mijn zoektocht voor een oplossing voor thuis kwam ik dit kitje tegen. Makkelijk op te bergen of mee te nemen, ideaal voor een student als ik met krappe woonruimte. Voor incidenteel gebruik is dit prima, voor een vaste werkplaats of solderen hebben ze eventueel een betere. Dit is voldoende om jezelf en het apparaat te aarden. Om te voorkomen dat je tijdens het werken statisch geladen raakt kun je een aantal maatregelen treffen. Hierin geldt natuurlijk hoe meer je doet, hoe beter. Een aantal simpele dingen die je kunt doen is een ruimte kiezen waar geen vinyl of tapijt ligt. Draag geen wol, zijde of synthetische kleding. Als je dan ook nog staand werkt of bureaustoelen, tuinstoelen en stoelen met synthetische bekleding mijdt, dan heb je al een behoorlijk nette werkomgeving. Je zou nog verder kunnen gaan door de luchtvochtigheid te regelen (hoger is beter) of een antistatische labjas als je toch synthetische kleding wil dragen, maar zo ver hoef je waarschijnlijk niet te gaan.

http://i.imgur.com/aHvbzOs.jpg

Zo ziet mijn antistatische werkplek eruit. De mat is geleidend en middels het zwarte snoer verbonden met randaarde aan die witte stekkerdoos. Ikzelf ben ook geaard met het polsbandje. In deze ruimte ligt kliklaminaat en ik zit op een leren bank. Een prima werkplek, binnen enkele minuten opgebouwd en afgebroken, waar ik met een gerust hart mijn laptopgeheugen kan upgraden zonder de boel te beschadigen :)

Leuk verhaal, maar heb je ook een bronvermelding?
Via Wikipedia of Google is zat te vinden over dit onderwerp. Een aantal punten komen uit het ESD control handbook van 3M. Voor meer informatie over ESD diodes heeft TI een prima catalogus.

Volgende: Howto: Ventilator in de voeding vervangen 21-01 Howto: Ventilator in de voeding vervangen

Reacties


Door Tweakers user r3agluurder, maandag 25 februari 2013 11:17

Volgens mij is het vooral belangrijk dat de elektrische lading van zowel het apparaat als degene die eraan werkt gelijk is. Het aansluiten van het polsbandje op de aardpen van het stopcontact is leuk, maar je hebt er niks aan als niet eerst het apparaat is geaard voordat jijzelf geaard bent. Wanneer ik werk met een polsbandje (als ik dat al doe), maar de apparatuur waaraan ik sleutel is niet geaard, knoop ik deze aan het apparaat vast zodat ik zeker weet dat de spanning gelijk is.

Verder is het altijd verstandig om even de voeding (onbeschilderd/onbestickert) aan te raken voordat je de elektronica aanraakt.

Persoonlijk vind ik in particuliere omgevingen overdreven om met zo'n set te werken.

Door Tweakers user Flake, dinsdag 26 februari 2013 13:12

r3agluurder schreef op maandag 25 februari 2013 @ 11:17:
Het aansluiten van het polsbandje op de aardpen van het stopcontact is leuk, maar je hebt er niks aan als niet eerst het apparaat is geaard voordat jijzelf geaard bent.
Klopt, want dan heb je kans op potentiaal. Maar de zwarte mat is geleidend en ook geaard met dat zwarte snoer. Als je daar een metalen behuizing op legt, dan is die ook meteen geaard.
Verder is het altijd verstandig om even de voeding (onbeschilderd/onbestickert) aan te raken voordat je de elektronica aanraakt.
Als je metalen behuizing op een geaarde mat ligt, dan zal dat niet nodig zijn. Wel een goed punt, want dat geldt wel voor mijn laptop op de foto omdat die behuizing van kunststof is. Bij isolatoren verdeelt de lading niet maar blijft het oppervlakkig zitten, waardoor nu alleen de achterkant van mijn scherm geaard is. In dat geval kun je inderdaad beter een stuk van het chassis raken zoals ik op de foto doe.
Persoonlijk vind ik in particuliere omgevingen overdreven om met zo'n set te werken.
Vond ik eerst ook, totdat ik het verschil in levensduur waarnam. Daarnaast heb ik al betoogd dat dit probleem in de toekomst groter gaat worden door steeds kleiner wordende productieprocedés. Vanuit wetenschappelijk perspectief is dit wel degelijk zinvol en vanuit financieel perspectief ook, want als je één videokaart weet te redden, dan heb je die investering van 35 euro snel terug verdiend.

Door Tweakers user Mavamaarten, dinsdag 20 augustus 2013 11:04

Ik heb mijzelf nog nooit geaard met zo'n bandje en ik heb geen antistatisch matje, en toch draaien mijn zelfbouwsels nog vrolijk door na 4,5 jaar. Ik moet wel toegeven dat ik elke keer het pinnetje van m'n stopcontact aanraak (aarde dus).

Je moet niet alles nodeloos gaan aanraken en ik snap best dat statische elektriciteit gevaarlijk is voor je apparatuur, maar zolang je alle rampscenario's maar vermijdt is de kans dat de levensduur zó erg afneemt best klein hoor.

Door Tweakers user Extera, donderdag 29 augustus 2013 21:30

Mooi artikel, ik kan mij er helemaal in vinden. Zelf heb ik een esd training gevolgd voor mijn werk als field engineer, en probeer sindsdien thuis ook esd veilig te werken.

Reageren is niet meer mogelijk