Statisk elektricitet – så tacklas den

Jörgen Städje
7 år sedan

Att blixten skulle kunna göra din server till en liten svart, förvriden hög kommer nog inte som en överraskning. Men varje gång du själv är inne och kladdar i en server händer samma sak, fast i miniatyrformat, inne i CPUn. Ge dina maskiner längre liv genom att skaffa en ESD-policy!

Skulle den här blixten slagit ned i din server hade den inte levt länge. Bild: Henrikas Selevicius.

Datorer som stannar oförklarligt, kretskort som måste bytas utan att det verkar finnas något egentligt fel på dem, program som kraschar fast de aldrig kraschat förr, ett robotiserat höglager som stannar ibland och inget fel kan hittas när man startar om, kassaapparater som går sönder oförklarligt, sånt brukar resultera i att man svär över program- eller maskintillverkaren i valfri ordning, men i själva verket kan du ha dig själv att skylla.

När du märker den statiska elektriciteten kan skadan i datorn redan vara skedd. En liten smäll på fingret och elektroniken är död. Eller halvdöd. Är skadan inte så stor kanske datorn börjar fungera dåligt efter ett tag och krascha oförklarligt för att en dag dö helt. Och då är det inte kondensatorerna på moderkortet du ska anklaga. Det dig själv du bör rikta fingret mot.

Efter lång tid kanske du börjar kunna skönja ett mönster. Det är alltid servrarna i änden av rackraden som råkar illa ut, eller också smäller det oftare på vintern än på sommaren, eller kanske anläggningen alltid stannar klockan fem på kvällen. Först när du förstått sambandet kan du börja göra något åt saken. Du måste försöka reda ut varför det händer och vad du kan göra åt det. Och det är inte så lätt. Ämnet är fortfarande höljt i mystik och därför tabubelagt. Vi kämpar mot en osynlig fiende.

Men själva uttrycket? Statisk elektricitet? När elektroner befinner sig i ett ledande material kan de flyta in i ena änden och ut i andra. Det kallar vi för en ström. När elektroner hamnat i ett oledande material kan de inte förflytta sig utan blir kvar där de lagts. De är statiska, vilket kommer av latinets orörlig. Blir det väldigt många elektroner på samma ställe, trängs de och vill därifrån (lika laddningar repellerar varandra). Är de tillräckligt många får de kraft att hoppa till sitt favoritställe, något med längre potential. Det brukar vara Jorden. Men det kan också vara luften runt omkring, där elektronerna kan sprida ut sig och långsamt vandra mot Jorden med hjälp av luftfuktigheten.

När elektronerna hoppar tillsammans till något med lägre potential sker det i en gnista, men när de sprider ut sig i luften kallas det för coronaurladdning. På engelska kallas de båda electrostatic discharge och förkortas ESD.

Ett gott råd: Hissknappar är alltid jordade. Tryck på dem med knogen.

En mycket vanlig händelse i till exempel moderna hotell och liknande lokaler. När du går omkring på mattorna i de oändliga korridorerna laddas du upp av fötternas släpande mot syntetmaterialet och när du når hissknappen, som är ordentligt jordad, vill alla elektronerna dit. Smällen du får i pekfingret gör att handen studsar tillbaka en halvmeter, men hissen kommer ändå till sist – hisstillverkaren har lyckats med sitt ESD-skydd. Efter ett tag lär man sig att trycka på hissknappar med knogen, som inte är lika känslig som fingertoppen.

Lichtenbergfigur belyst underifrån. Bild: Wikimedia

En extrem form av statisk elektricitet är denna lichtenbergfigur. Konstverket har skapats genom att man ställt in ett plexiglasblock (~10×10 cm) i elektronstrålen i en elektronaccelerator, till exempel avsedd för medicinsk strålbehandling. I acceleratorn har man givit elektronerna så hög energi att de kan färdas fram som en stråle i luften, som annars är en isolator. När elektronerna träffar plasten far de in en bit, men kan sedan inte komma vidare, eftersom plasten är en god isolator och rörelseenergin har förlorats. När plastbiten fått stå ett tag läcker elektronerna runt ytterkanterna bort, men de i mitten blir kvar. Då tar man en jordad ledning och sätter den mot plastblockets ena kortsida, där man tidigare borrat ur en fördjupning. Det ger elektronerna en möjlighet att ta sig ut, allihopa på en gång i en stor gnista, och flyta bort i den jordade tråden. På sin väg ut förgasar elektronerna plasten, som blir till grånade kanaler där de stora strömmarna flutit. Man ser exakt var det funnits flest elektroner, nämligen mitt i plastblocket, eftersom de inte kunnat smita bort till luften genom coronaurladdning.

Så alstras statisk elektricitet

Van de Graaf-generator. Otäcka saker. Bild: Wikimedia.

Lät mig få börja med en sedelärande historia om alstring av statisk elektricitet. Jag började min elektronikkarriär som servicetekniker på fotosättutrustning, den typ av mikrodatorstyrda optomekaniska apparater som var dominerande före laserskrivaren, för att mata ut högkvalitativ text på papper.

Ett av mina uppdrag var att utreda de oförklarliga krascharna på Riksdagstryckeriet. I Sverige ska allt som sägs i Riksdagen finnas i tryckt form dagen efter, så att allmänheten kan ta del av det. Det sköttes under 80-talet av ett tryckeri i Riksdagshuset, när Riksdagen tillfälligtvis var utlokaliserad till Kulturhuset på Drottninggatan i Stockholm.

Stenografiremsorna från riksdagsstenograferna knappades in som text på magnetband vid terminaler i tryckeriet och banden med text togs sedan vidare till redigering och tryckning. Tyvärr kraschade inmatningsstationerna ofta så fort någon kom in i rummet och hela arbetet fick göras om. Riksdagstrycket förlorade mycket tid på dessa oförklarliga fel och eftersom jag hade serviceansvaret fick jag åka dit och undersöka orsaken. Det märktes omedelbart att luften var mycket torr och att det sprakade och gnistrade överallt.

Jag lödde ihop en högspänningsprob av några tio-megohm-motstånd och kunde på oscilloskopet se att man bara genom att gnugga foten i mattan kunde skapa spänningstoppar på flera tiotals kilovolt. Bovarna i dramat var alltså den låga luftfuktigheten och mattan. Flickorna som gick omkring med magnetbanden skapade massor av statisk elektricitet i sina kläder, vilken sedan laddades ur mot de jordade datorerna och fick dem att krascha.

Operatriserna kunde gnugga fram elektriciteten mot stolen också. Jag gjorde ett experiment och satte en av operatriserna på en kvadratmeter ledande matta som jag anslöt till samma jord som datorn. Då försvann problemet. Gnugg-problematiken var klarlagd.

Hur gärna jag än hade velat kontrollera operatrisernas underkläder så gick det inte utan jag fick ta till andra metoder. Riksdagstrycket påstod att de köpt antistatiska mattor, men när mattillverkaren såg mina bevis lämnade de tillbaka pengarna. Det var tyvärr inte till stor hjälp. Inte kunde vi få högre luftfuktighet av driftorganisationen heller. Ett halvhjärtat försök till åtgärd från datortillverkaren gav inte heller några resultat. Att löda in plastfoliekondensatorer i tangentborden (som tillverkaren rekommenderade) hade föga verkan mot de statiska urladdningarna. Laddningarna måste fortfarande ha någonstans att ta vägen och det var fortfarande tangentbordssladden och in i datorn som gällde. Detta var i CMOS-teknikens barndom, när kunskaperna om ESD var relativt små hos apparattillverkarna.

Det gick inte att sätta hela företaget på ledande mattor. Magnetbanden var emellertid kassetter av 3Ms typ med plåtbaksida och min lösning blev istället att utbilda personalen att alltid dunka magnetbandet i elementet (som var jordat) innan man gick in i ett rum.

Felmekanismer

Man kan säga att ESD åstadkommer två typer av fel, tillfälliga och permanenta. De tillfälliga felen resulterar ofta i en krasch och sedan fungerar datorn igen. Ett NFF. No Fault Found.

Bort med fingrarna! Det du tror är jordat eller Faradays burar är det inte alls. Omgivningen i datorhallen ligger säkert på jordpotential, men när du är uppladdad och kommer emot ett rackskåp går strömmen hellre genom rackskåpet och ut i luften än ned i jorden de första mikrosekunderna. Oavsett vilket ställer den till skada på vägen.

Tänk dig situationen ovan. Du har gått runt på företaget och blivit uppladdad och går in i datorhallen (eller i din datorgarderob) och kommer emot en datorrack. Det slår en gnista från din hand till den till synes jordade racken och alltihop kraschar. Varför?

Den elektrostatiska urladdningen är en mikrovågspuls, en kort bruspuls med stort frekvensspektrum. Rackskåpet ska helst vara jordat, men sannolikt är jordledaren för lång och för högimpediv för att kunna ta hand om all laddning på en mikrosekund, även om den givetvis fungerar som avsett för likström och 50 Hz. Resultatet blir att datorracken far upp 100 kV i potential under en mikrosekund, tills laddningen läckt ut i luften (antennsymbolen i bilden). På sin väg dit passerar strömmen genom rackens alla delar och genom datorerna och skulle någon av dem ha en öppen slits (hörn, plåtlock) kommer den att bilda en slitsantenn som strålar in mikrovågorna i datorlådan.

Men lådan är ju en Faradays bur! Nej. Faradays burar i form av datorlådor fungerar bara vid låga frekvenser. När en HF-ström flyter längs lådan stöter den på öppningar och slitsar som är tillräckligt stora för att strömmen ska betrakta dem som slitsantenner och stråla in sin energi i lådan. Därinne induceras den elektromagnetiska vågen i alla ledare och så fortsätter den sin destruktiva väg mot halvledarna.

En kilovoltpuls som träffar ett moderkort där spänningsnivåerna bara är ett par volt, ställer till oreda och en instruktion på databussen kan misstolkas. Programmet stannar.

Är inte alla springor och slitsar mellan luckor och låda kortslutna? Inte alls. Är längden i stil med en våglängd, 2–3–4 decimeter fungerar springan som antenn. Att det sitter skruvar här och var spelar mindre roll – de är induktiva och medverkar inte i kretsen. Något fåtal företag, som exempelvis IBM, har förstått att man måste använda bronsfingrar (spring fingers) för att mikrovågstäta lådan, men långt ifrån alla. Och skulle slitsarna vara HF-täta finns det alltid kablage för vågorna att ta sig in genom.

Det finns otaliga historier kring dessa fenomen.

I början av 80-talet hade ett stort elektronikföretag problem med att testutrustningen i datorhallen stängdes av klockan nio varje morgon. Man satte in folk som fick stå och titta på vad som hände och kunde konstatera att det var just då städarna kom och samlade in sina svarta sopsäckar och släpade över golvet genom halva byggnaden. De genererade massor av statisk elektricitet som slog ut testutrustningen.

Ytterligare oförklarliga händelser inom elektronikindustrin gav 1984 upphov till en svensk arbetsgrupp. Det var telekom, biltillverkare, vapentillverkare m fl som bildade den svenska ESD-gruppen, som ägnade sig åt forskning och utveckling inom ESD. Efter 16 år under namnet ESD-gruppen togs det nya tag och gruppen ville utöka arbetet med de övriga länderna i Norden, Nordiska ESD-rådet bildades. Företag från Sverige, Norge och Danmark finns idag representerade. Samarbetet växer hela tiden. Gruppen har bland annat utarbetat den europeiska ESD-standarden IEC 61340-5-1 och försöker ta fram ytterligare mätmetoder, utbildning m.m.

Elektrometern

Efter att jag ägnat mig åt fotosätteri i ett antal år, övergick jag till att bli mikrodatorkonstruktör, på ett företag som utvecklade sedelutmatare. Bankmaskiner är fantastiska generatorer av statisk elektricitet. Torra sedlar som far fram längs ett gummiband är själva urtypen till stat-el-generatorn, Van de Graaf-generatorn.

Mitt arbete var att försöka bli av med statisk elektricitet. Problemet var att veta hur mycket statisk elektricitet vi hade och var den uppstod. Det behövdes någon form av mätare, en sk elektrometer. Elektroskop i form av guldblad i glasflaskor fanns redan på 1700-talet. Numera kan man köpa elektroniska mätare, men de är dyra och lite svåra att begripa sig på (överkvalificerade). Jag byggde en själv, istället.

Konstruktionen är mycket enkel: ingången från en FET-OP-förstärkare som bara drar några nanoampere går i stort sett rätt ut på antennen och förstärkaren mäter helt enkelt läckströmmarna i luften, mot handen som håller i apparatlådan.

Med min Stat-O-Meter var det enkelt att spåra statisk elektricitet, kontrollera om en matta genererade statisk el och liknande. Dessutom kan den spåra elektriska förändringar i atmosfären, i och med att den mäter de svaga strömmar som flyter genom luften mot molnen. Strömmarna förändras om ett åskväder är på gång. Mätaren har skrivarutgång så det går bra att ansluta en Xt-skrivare och göra långtidsmätningar.

Jordning i jordad kontakt hjälper inte

Är en dator som man har hemma över huvud taget jordad? Går det att jorda en dator i hemmet? Ur elverkssynpunkt kan man jorda den i ett jordat uttag. Det fungerar fint för 50 Hz, men induktansen i nätsladden är allt för stor för att mikrovågspulsen ska kunna ta sig igenom. Istället kommer datorn och en bit av sladden att fungera som antenn och stråla ut pulsen i omgivningen. Är datorns skal ordentligt elektriskt tillslutet, som en sann faradaybur, kommer pulsen inte att göra skada, men finns det springor fungerar de som slitsantenner och strålar in de elektromagnetiska vågorna inuti datorlådan.

Pulsen kan ta sig in genom kablaget också. Det är av den anledningen man sätter ferritringar (runda klumpar) på tilledare. Dessutom ska det finnas störningsfilter på ingångarna på moderkortet.

Ethernet är dock ett specialfall, eftersom nätverksledningen är isolerad mot moderkortet av en pulstransformator som ska tåla några kilovolt. Därför är Ethernet tämligen ofarligt i sammanhanget. Det bästa är naturligtvis fiberoptisk anslutning som inte leder ström alls.

Våld mot kisel

Emittern på en transistor som fläkts upp av energin i en urladdning.

Energin har skjutit ett hål i kislet.

En ledare har sprängts av.

Här har en ledare bränts av till häften. Den fungerar ännu, men kommer att gå sönder senare.

ESD-skador på integrerade kretsar ser närmast ut som flygangrepp på en stad när man tittar i elektronmikroskop. Gnistan slår upp stora hål i kislet och material sprutar omkring. Det behöver inte vara direkt dödande. Kanske bara halva ledaren slits av, kanske en halv-kortslutning görs mot en intilliggande ledare. Blåskärmarna kommer efter ett tag, när just den ledaren börjar användas eller den börjat brytas ned av strömmen som flyter igenom den. Du skjuter kanske bara bort ena halvan av en av de tvåhundrafemtio miljoner transistorer som finns i CPUn, och just den transistorn används inte när Windows bootar, men sen, när du ska köra Excel, då används den. Kretsen åldras och det aluminium som sprutat, migrerar långsamt över mot intilliggande ledare.

Skydd

Du ska meka en dator. Vad ska du använda för skyddsåtgärder för att undvika att ha sönder den med statisk elektricitet?

Moderkortstillverkarna har redan förstått problemet med ESD och härdat sina kort med olika metoder, men tro inte att du kommer undan säkerhetsarbetet för det.

Korten är ofta av sexlagerstyp och har vanligtvis två spänningsplan (5 volt och jord) som agerar skärm för både signaler och mot externa störningar. Spänningsplanen är sammankopplade med en stor mängd kondensatorer överallt på kortet som fungerar som kortslutning för snabba pulser. Resultatet ska förhoppningsvis bli att båda spänningsplanen inklusive allt som är anslutet där emellan hoppar upp på den högre potentialen samtidigt när pulsen kommer, vilket är ofarligt. Det farliga är den elektronik som inte kan ”hoppa med”, nämligen den som är ansluten till omgivningen med ledning, alltså interfacedelarna. Bildskärm, tangentbord, skrivare mm fungerar då som antenner som kan leda ut störströmmen och stråla ut den i omgivningen.

För att inte bli långrandig kan man sammanfatta säkerhetsarbetet så här:

Tänk alltid: All elektronik är ESD-känslig!
Dra ut alla sladdar innan du öppnar datorlådan, så du inte får antenner
Arbeta på ledande underlag och se till att själv vara ansluten till det
Håll hög luftfuktighet i lokalen, > 60 % RH
Klä dig helst i bomullsmaterial som inte laddas upp
Förvara alla elektronikkomponenter i ledande påsar

Det finns en anledning till att företag som bygger elektronik alltid förvarar kretskort i ledande plastbackar och skeppar dem i påsar med ledande yta. Påsarna är högohmiga och den som tar i påsen kommer långamt (alltså: inte med en smäll) att ta upp påsens potential till sin egen.

Bild: Wikimedia.

Det finns alla möjliga sorters påsar för kretskort. De ”rosa påsarna” består av vanlig oledande plast som behandlats med ett medel som absorberar luftfuktighet och på så sätt blir svagt ledande. Antistatspray fungerar på samma sätt. Båda ytbehandlingarna har den egenheten att de nöts bort eller torkar ut efter ett till tre år och blir verkningslösa. Svarta påsar, täckta med kol, eller metalliserade påsar, fungerar mera permanent.

Svarta sopsäckar av PVC orsakar årligen ESD-skador för mångmiljonbelopp. Undvik dem!

Egen jonisator?

Att skaffa en jonisator som sprutar ut joner i luften, som neutraliserar de elektriska laddningar de stöter på, är att överdriva i hemmiljö. Det fungerar bara där den joniserade luften träffar. Då är hög luftfuktighet bättre eftersom den kortsluter bort den statiska elektriciteten och är hälsosam och trevlig för människan.

Det finns egentligen bara ett tillfälle då en jonisator kan vara nyttig i hemmiljö och det är vid arbete med LP-skivor, till exempel avspelning och digitalisering. Plasten samlar på sig massor av statisk elektricitet (det sprakar och smäller när man drar ut skivan ur fodralet) och när elektronerna hoppar över från skivytan till den elektriskt ledande pick-upen blir det en smäll i ljudet. Då är det bättre att skjuta på LPn med en el-stat-pistol i förväg. Den neutraliserar laddningarna tillfälligt, åtminstone så länge du spelar av skivan (men de kommer tillbaka senare).

Skjut aldrig på elektronik med en el-stat-pistol. Då har du garanterat sönder den. Pistolen är inget mindre än ett EMP-vapen.

Se för övrigt upp om du blir erbjuden jonisatorer och underliga apparater för att eliminera statisk elektricitet, för det är mycket mumbo-jumbo i branschen. Just för att ämnet är så okänt och obskyrt finns det skrupellösa personer som försöker sälja magiska apparater som ska eliminera statisk elektricitet, som inte gör det.

Potentialutjämning

Som vi sagt tidigare är det tveksamt om det lönar sig att jorda en dator i lägenhetsmiljö för att komma åt ESD.

Finns det sann jord i lägenhetsmiljö? Det gör det inte. Det finns elverksjord i säkringstavlan eller i vägguttagen i modernare lägenheter, men ingen av dem duger till att ta emot ESD. Du kanske tillhör dem som jordar saker i elementet eller i diskbänken? Det är osäkert och farligt, för du vet inte hur rörledningssystemet är anslutet i andra änden (mät strömmen mellan en (avstängd) spisplatta och diskbänken under en längre stund ska du få se).

Jordpotential, dvs att din arbetsplats håller noll volt mot jorden runt om huset, är inte viktig. Det viktiga är att du, dina verktyg och datorlådan håller samma potential.

Potentialutjämning är lösningen. En metod är att skaffa ett ledande underlag.

Det enklaste sättet att åstadkomma potentialutjämning är att alltid ta i datorlådan innan du stoppar ned händerna i den, att alltid slå skruvmejseln mot datorlådan innan du börjar skruva osv. Och visst, om du arbetar på diskbänken och lägger alla verktyg på diskbänken håller de alltid samma potential som datorlådan, men det blir aningen obekvämt.

Bild: Wikimedia.

En ledande matta på arbetsbordet duger bra, och en handledsremsa med anslutning till den ledande mattan är en billig försäkring mot skador.

Köper du ESD-utrustning, ohmmät och kolla att den fungerar och inte är bluff. Ohms lag gäller!

Kan det här verkligen vara sant?

Du har förmodligen mekat åtskilliga datorer och aldrig sett något problem? Eller?

Kanske du har haft tur? Kanske du vet vad du gör? Kanske du omedvetet gjort rätt? Kanske har du orsakat en permanent skada som visar sig ett halvår senare, som ingen kopplar samman med problemet statisk elektricitet?

Fantastiska fakta

Statisk elektricitet har troligen varit känd mycket långt tillbaka i den mänskliga historien. Den första kända nedskrivna redogörelsen härstammar från greken Thales från Miletos, 600 f kr. Han skriver om ett märkligt fenomen: Då han gned ett föremål av bärnsten med en tygbit, kunde detta föremål sedan dra till sig lätta objekt som fjädrar, hårstrån och liknande. Bärnsten heter ”elektron” på grekiska och därifrån har vi fått orden elektron, elektricitet osv.

Du har säkert åstadkommit statisk elektricitet i skolan genom att gnida en katt mot en ebonitstav. Kattskinnet utbyter laddningar med ebonitstaven som är oledande och håller kvar laddningen. Laddningen är sedan tillräckligt stark för att kunna attrahera små (torra) pappersbitar som är oladdade, eller har motsatt laddning.

När man tankar flygplan, börjar man alltid med att ansluta en jordledning till härför avsedd skruv under flygplansvingen innan man ens lyfter på tanklocket. Det är standard procedure. Flygbränsle som faller en meter kan åstadkomma en uppladdning på 60 kilovolt mellan vingen och jord (tankbilen), bara genom sin gnidning mot luften (triboelektricitet) eftersom flygplanet står på isolerande gummihjul. Slår den gnistan mot vingtanken, är olyckan ett faktum.

Av en helt annan anledning är tankmunstycket och tankhålet gjort i brons och inte i stål, eftersom två stålbitar som slås mot varandra också kan orsaka gnistor. Med samma trista resultat.

Foppa-tofflorna har ställt till med mycket problem på sjukhusen. De är sköna, men laddas upp förfärligt när personalen släpar den längs golvet. Det har hänt att dialysutrustning har slutat fungera av toffel-el. Samma sak händer när man rullar bord och sjukhussängar över PVC-golv.

Rätt tankesätt

ESD är i stort sett okänt bland vanliga tekniker och konstruktörer och dess förmåga att skapa mikroskador gör den extra farlig. Det är lite grann som att ha långa lösenord – alla vet att de behövs men ingen vill göra sig omaket. Skaffa en ESD-policy innan dina kunder undrar vad du håller på med.

När du ser en sån här skylt – respektera den. Kladda inte!

Ett företag i elektronikbranschen har ett prov man utsätter alla aspiranter för. Den som vill bli anställd får en genomgång av fabriken och när man kommer fram till ett bord där någon sitter och monterar ett kretskort, räcker denne över kretskortet till aspiranten. Om aspiranten bara tar emot kortet, åker han ut. Om denne vägrar ta emot kortet utan att först ha skakat hand med montören, ligger han mycket bättre till. Det visar på en medvetenhet om statisk elektricitet.

Det finns en anledning till att företag som bygger elektronik alltid förvarar kretskort i ledande plastbackar och skeppar dem i påsar med ledande yta. Påsarna är högohmiga och den som tar i påsen kommer långsamt att ta upp påsens potential till sin egen. Lådorna behöver inte vara jordade för att ge skydd.

Industrin har fortfarande massor att lära. Alla företag bör ha minst en ESD-samordnare. Det spelar ingen roll hur mycket ESD-skydd ett företag köper in. Om man inte har kunskapen så fungerar det inte. Samordnaren kan i sin tur utbilda andra. Större företag kan behöva en samordnare på inköpsavdelningen, i packningsavdelningen, vid ankomstkontrollen, bland konstruktörerna osv. Tillsammans bör de bilda en arbetsgrupp som kan påverka alla, från städpersonalen till högsta ledningen. Man ska ställa krav på alla entreprenörer, städare, byggarbetare, vaktbolag mm.

Jag upprepar: