Miscellaneous

Apa itu Pelepasan Muatan Listrik Statis: Dasar-dasar ESD

Apa itu Pelepasan Muatan Listrik Statis: Dasar-dasar ESD

Pelepasan Muatan Listrik Statis atau ESD adalah fakta kehidupan sehari-hari dan sangat penting dalam industri elektronik saat ini.

Bertahun-tahun yang lalu ketika katup termionik / tabung vakum digunakan itu tidak menjadi masalah, dan bahkan dengan pengenalan transistor hanya sedikit yang menganggapnya sebagai masalah. Namun ketika MOSFET diperkenalkan, tingkat kegagalannya meningkat, masalah tersebut diselidiki dan ditemukan bahwa pembentukan statis cukup untuk menyebabkan lapisan oksida di perangkat gagal.

Sejak saat itu, kesadaran tentang ESD telah meningkat pesat karena terbukti berpengaruh pada banyak perangkat. Faktanya, banyak pabrikan saat ini menganggap semua komponen sensitif statis, bukan hanya perangkat MOS yang paling rentan terhadap kerusakan.

Sebagai hasil dari pentingnya melekat pada produsen peralatan elektronik ESD menghabiskan ribuan pound untuk memastikan tempat kerja mereka terlindungi dari efek statis. Mereka memastikan bahwa produk yang mereka produksi tidak memiliki tingkat kegagalan yang tinggi selama uji produksi, dan mampu menunjukkan keandalan yang tinggi dalam jangka waktu yang lama.

Apa ESD?

Statis hanyalah pembentukan muatan antara dua permukaan. Ini muncul ketika permukaan bergesekan dan ini menghasilkan kelebihan elektron di satu permukaan dan kekurangan di permukaan lainnya.

Permukaan tempat terbentuknya muatan dapat dianggap sebagai kapasitor. Muatan akan tetap di tempatnya kecuali jika memiliki jalur untuk mengalirkannya. Karena seringkali tidak ada jalur nyata yang melaluinya muatan dapat mengalir, tegangan resultan dapat tetap di tempatnya selama beberapa waktu dan ini menimbulkan istilah "listrik statis".

Namun jika jalur konduksi benar-benar ada, arus akan mengalir dan muatan akan berkurang. Ada konstanta waktu yang terkait dengan pelepasan. Hambatan yang tinggi berarti arus yang lebih kecil akan mengalir dalam waktu yang lebih lama. Resistensi yang rendah akan menghasilkan pelepasan yang jauh lebih cepat.

Jelas sekali tingkat tegangan dan arus yang dihasilkan bergantung pada berbagai macam faktor. Ukuran orang, tingkat aktivitas, objek yang menjadi dasar pelepasan, dan tentu saja kelembaban udara. Ini semua memiliki efek yang jelas sehingga hampir tidak mungkin untuk memprediksi ukuran pasti pelepasan yang akan terjadi.

Namun salah satu faktor utama yang mempengaruhi tegangan yang dihasilkan adalah jenis material yang sedang digosok. Diketahui bahwa bahan yang berbeda memberikan tegangan yang berbeda pula. Tegangan yang dihasilkan bergantung pada posisi kedua material dalam rangkaian yang dikenal sebagai seri tribo-listrik.

Seri tribo-listrik

Semakin jauh jaraknya dalam seri, semakin besar tegangannya. Yang lebih tinggi rangkaiannya akan menerima muatan positif, dan yang lebih rendah menurunkan muatan negatif. Melihat daftar seri tribo-elektrik di bawah ini dapat dilihat bahwa menyisir rambut dengan sisir plastik akan menimbulkan muatan positif pada rambut, dan sisir akan menjadi bermuatan negatif.

Seri tribo-listrik

Muatan positif
Kulit
Rambut
Wol
Sutra
Kertas
Kapas
Kayu
Karet
Rayon
Poliester
Polythene
Pvc
Teflon
Muatan negatif

Ada banyak cara di mana biaya dapat dibuat. Bahkan berjalan di atas karpet dapat menimbulkan tegangan yang sangat besar. Biasanya ini mungkin menimbulkan potensi 10 kV. Dalam kasus yang buruk bahkan bisa menimbulkan potensi tiga kali lipat dari nilai ini. Bahkan tindakan berjalan melintasi lantai vinil dapat menghasilkan potensi sekitar 5 kV. Faktanya, setiap bentuk gerakan di mana permukaan saling bergesekan akan menghasilkan listrik statis. Seseorang yang bekerja di bangku dengan menggunakan komponen elektronik dapat dengan mudah menghasilkan potensi statis 500 V atau lebih.


Contoh praktis ESD

Salah satu contoh yang paling umum terlihat dari menghasilkan muatan adalah saat berjalan melintasi ruangan. Bahkan kejadian sehari-hari ini dapat menghasilkan tegangan yang sangat tinggi. Tegangan sebenarnya sangat bervariasi tergantung pada berbagai faktor, tetapi perkiraan dapat diberikan untuk menggambarkan sejauh mana masalahnya.

Untuk mengilustrasikan sejauh mana masalah tersebut, berbagai contoh dirinci dalam tabel di bawah ini:


Kemungkinan besar tegangan ESD disebabkan oleh tindakan sehari-hari
Penyebab pembangkitan muatanKemungkinan tegangan yang dihasilkan (kV) *
Berjalan melintasi karpet30
Mengambil kantong plastik20
Berjalan di atas permukaan ubin vinil15
Bekerja di bangku5

* Ini adalah angka perkiraan dan mengasumsikan kelembapan relatif hingga 25%. Saat kelembaban naik, maka level ini turun: dengan kelembaban sekitar 75%, level statis bisa turun dengan faktor sangat kira-kira 25 atau lebih. Semua angka ini sangat mendekati, karena sangat bergantung pada kondisi tertentu, tetapi memberikan panduan urutan besaran ke tingkat ESD yang diharapkan.

Meskipun hasil dari ESD tampak sangat tinggi, mereka biasanya terlewat tanpa disadari. Debit elektrostatis terkecil yang dapat dirasakan adalah sekitar 5kV, dan bahkan besarnya pelepasan ini hanya dapat dirasakan pada saat-saat tertentu. Alasannya adalah bahwa meskipun arus puncak yang dihasilkan mungkin sangat tinggi, arus tersebut hanya berlangsung dalam waktu yang sangat singkat dan tubuh tidak dapat mendeteksinya karena muatan di belakangnya relatif kecil. Tegangan sebesar ini dari peralatan elektronik atau listrik yang sumber arus lebih banyak dan lebih lama akan memiliki efek yang jauh lebih besar dan bisa sangat berbahaya.


Transfer statis

Ada beberapa cara di mana muatan statis dapat ditransfer ke perangkat semikonduktor yang mengakibatkan kerusakan dari ESD. Yang paling jelas adalah ketika mereka disentuh oleh barang yang bermuatan dan konduktif. Contoh paling jelas dari ini mungkin terjadi ketika semikonduktor berada di meja kerja dan seseorang berjalan melintasi lantai membangun muatan dan kemudian mengambilnya.

Jari yang terisi kemudian memberikan muatan statis dengan sangat cepat ke semikonduktor dengan kemungkinan kerusakan. Alat mungkin bisa lebih berbahaya. Obeng logam bahkan lebih konduktif dan akan memberi muatan lebih cepat dan ini menghasilkan tingkat arus puncak yang lebih tinggi.

Namun tidak perlu menyentuh komponen yang menyebabkan kerusakan pada mereka. Benda-benda seperti gelas plastik membawa muatan yang sangat tinggi, dan menempatkan salah satunya di dekat IC dapat "menyebabkan" muatan yang berlawanan ke dalam IC. Ini juga dapat merusak perangkat semikonduktor. Dasi yang terbuat dari serat buatan juga merupakan bahaya ESD karena dapat mengisi daya dan dengan mudah digantung di dekat peralatan elektronik yang sensitif.

Mekanisme kegagalan ESD

Ada beberapa cara di mana ESD dapat merusak komponen semikonduktor. Hasil yang paling nyata dari tegangan statik yang sangat tinggi, menimbulkan arus puncak tingkat tinggi yang dapat menyebabkan burn out lokal. Meskipun arus mengalir untuk periode waktu yang sangat singkat, ukuran fitur yang sangat kecil dalam sirkuit terintegrasi berarti bahwa kerusakan dapat terjadi dengan sangat mudah. Tautan atau area kabel yang saling berhubungan di dalam chip itu sendiri dapat disatukan oleh arus puncak yang tinggi.

Cara lain di mana kerusakan dapat terjadi sebagai akibat dari ESD adalah ketika level tegangan tinggi menyebabkan kerusakan terjadi pada komponen di perangkat itu sendiri. Ini dapat merusak lapisan oksida di perangkat yang membuat perangkat tidak dapat dioperasikan. Dengan dimensi di beberapa IC yang jauh lebih kecil dari satu mikron, tidak mengherankan bahwa bahkan tegangan yang relatif rendah dapat menyebabkan kerusakan.

Meskipun kerusakan dari ESD dapat langsung menghancurkan perangkat, mereka juga dapat membuat apa yang disebut kegagalan laten. Ini terjadi karena ESD tidak sepenuhnya merusak perangkat, tetapi kerusakan yang disebabkan hanya melemahkannya, sehingga berisiko gagal di kemudian hari. Cacat laten ini biasanya tidak dapat dideteksi. Hasilnya adalah keseluruhan tingkat keandalan sangat berkurang, atau (lebih dalam kasus perangkat analog) kinerja mungkin menurun. Kegagalan laten yang disebabkan oleh ESD bisa sangat merugikan karena perbaikan saat item dalam perbaikan jauh lebih mahal daripada memperbaiki item yang gagal di pabrik. Alasannya adalah karena teknisi perbaikan biasanya perlu memperbaiki barang di lokasi, atau harus dikirim ke fasilitas perbaikan.

Kegagalan laten dapat terjadi jika interkoneksi sebagian digabungkan oleh ESD. Seringkali bagian dari konduktor telah rusak oleh lucutan statik yang membuatnya rentan nantinya. Cara lain di mana chip rusak adalah ketika material yang dihasilkan dari kerusakan tersebar di permukaan semikonduktor, dan ini dapat menghasilkan jalur konduksi alternatif.

Karena fakta bahwa komponen dapat dengan mudah rusak oleh ESD, sebagian besar pabrikan memperlakukan semua semikonduktor sebagai perangkat sensitif statis, dan bersama dengan ini banyak menangani semua perangkat termasuk komponen pasif seperti kapasitor dan resistor sebagai sensitif statis juga. Ketika melihat ini, harus diingat bahwa sebagian besar peralatan yang diproduksi secara massal saat ini menggunakan komponen pemasangan di permukaan yang dimensinya jauh lebih kecil daripada komponen tradisional dan ini membuatnya jauh lebih rentan terhadap kerusakan akibat ESD.


Tonton videonya: Hukum Coulomb - Fisika Kelas XII (September 2021).