Czy obrażenia od elektryczności statycznej wciąż stanowią ogromny problem z elektroniką?

Wszyscy słyszeliśmy ostrzeżenia, aby upewnić się, że jesteśmy właściwie uziemione podczas pracy nad naszymi urządzeniami elektronicznymi, ale czy postęp technologiczny zmniejszył problem uszkodzenia elektryczności statycznej, czy też jest tak powszechny jak poprzednio? Dzisiejszy post pytań i odpowiedzi dla SuperUser zawiera wyczerpującą odpowiedź na ciekawe pytanie czytelnika.

Dzisiejsza sesja pytań i odpowiedzi przychodzi do nas dzięki uprzejmości SuperUser - poddziału Stack Exchange, opartego na społecznościach grupowania witryn z pytaniami i odpowiedziami.

Zdjęcie dzięki uprzejmości Jared Tarbell (Flickr).

Pytanie

Czytnik SuperUser Ricku chce wiedzieć, czy elektryczność statyczna wciąż stanowi ogromny problem z elektroniką:

Słyszałem, że elektryczność statyczna była dużym problemem kilka lat temu. Czy to nadal duży problem? Uważam, że rzadko zdarza się, aby osoba "smażyła" teraz komponent komputerowy.

Czy elektryczność statyczna wciąż stanowi ogromny problem z elektroniką?

Odpowiedź

Współpracownik SuperUser Argonauts ma dla nas odpowiedź:

W branży nazywa się to "wyładowaniem elektrostatycznym" (ESD) i jest teraz znacznie większym problemem niż kiedykolwiek; chociaż został nieco złagodzony przez dość niedawne powszechne stosowanie polityk i procedur, które pomagają obniżyć prawdopodobieństwo uszkodzenia produktów ESD. Niezależnie od tego, jego wpływ na przemysł elektroniczny jest większy niż w wielu innych branżach.

Jest to również ogromny temat badań i bardzo złożony, więc po prostu dotknę kilku punktów. Jeśli jesteś zainteresowany, istnieje wiele darmowych źródeł, materiałów i stron internetowych poświęconych temu tematowi. Wiele osób poświęca się tej dziedzinie. Produkty uszkodzone przez ESD mają bardzo realny i bardzo duży wpływ na wszystkie firmy zajmujące się elektroniką, czy to jako producent, projektant, czy "konsument", i podobnie jak wiele rzeczy, którymi zajmuje się branża, jej koszty są przekazywane do nas.

Ze Stowarzyszenia ESD:

Ponieważ urządzenia i rozmiar ich funkcji stają się coraz mniejsze, stają się bardziej podatne na uszkodzenie przez ESD, co ma sens po chwili namysłu. Wytrzymałość mechaniczna materiałów stosowanych do budowy elektroniki zmniejsza się wraz ze spadkiem ich rozmiarów, podobnie jak zdolność materiału do wytrzymywania gwałtownych zmian temperatury, zwykle określanych jako masa termiczna (tak jak w obiektach o skali makro). Około 2003 r. Najmniejsze rozmiary cechowały się w zakresie 180 nm, a teraz zbliżamy się do 10 nm.

Zdarzenie ESD, które 20 lat temu byłoby nieszkodliwe, mogłoby potencjalnie zniszczyć nowoczesną elektronikę. W tranzystorach materiał bramki jest często ofiarą, ale inne elementy przenoszące prąd mogą również zostać odparowane lub stopione. Lutowanie na sworzniach IC (równoważnik powierzchniowy, taki jak Ball Grid Array, jest obecnie znacznie powszechniejszy) na PCB może być topione, a sam krzem ma pewne cechy krytyczne (zwłaszcza jego wartość dielektryczną), które mogą być zmieniane przez wysokie temperatury . Podsumowując, może zmienić obwód z półprzewodnika na zawsze przewodzący, który zwykle kończy się iskrą i nieprzyjemnym zapachem, gdy chip jest zasilany.

Mniejsze rozmiary funkcji są prawie całkowicie pozytywne z większości perspektyw dotyczących metryk; takie rzeczy jak obsługiwane prędkości zegara, które mogą być obsługiwane, pobór mocy, ściśle powiązane wytwarzanie ciepła itp., ale wrażliwość na obrażenia, które w przeciwnym razie byłyby uważane za trywialne ilości energii, również znacznie wzrasta wraz ze spadkiem rozmiaru funkcji.

Ochrona ESD jest dzisiaj wbudowana w wiele elektroniki, ale jeśli masz 500 miliardów tranzystorów w obwodzie scalonym, nie jest łatwym problemem określenie, jaką drogą będzie absolutorium statyczne z 100% pewnością.

Ludzkie ciało jest czasem modelowane (Human Body Model, HBM) jako posiadające od 100 do 250 pikofaradów pojemności. W tym modelu napięcie może być tak wysokie (w zależności od źródła), jak 25 kV (choć niektóre twierdzą tylko 3 kV). Używając większych liczb, osoba ta będzie miała "ładunek" energetyczny około 150 mililitrów. Osoba w pełni "naładowana" zazwyczaj nie jest tego świadoma i zostaje rozładowana w ułamku sekundy przez pierwszą dostępną ścieżkę naziemną, często urządzenie elektroniczne.

Zauważ, że te liczby zakładają, że dana osoba nie nosi ubrania, które może wnieść dodatkowe obciążenie, co zwykle ma miejsce. Istnieją różne modele obliczania ryzyka ESD i poziomów energetycznych, i bardzo szybko staje się to mylące, ponieważ w niektórych przypadkach wydają się one wzajemnie sprzeczne. Oto link do doskonałej dyskusji na temat wielu standardów i modeli.

Niezależnie od konkretnej metody zastosowanej do jej obliczenia, nie jest, i na pewno nie brzmi jak dużo energii, ale jest to więcej niż wystarczające, aby zniszczyć nowoczesny tranzystor. Dla kontekstu, jeden dżul energii jest równoważny (według Wikipedii) z energią potrzebną do uniesienia średniej wielkości pomidora (100 gramów) jeden metr w pionie z powierzchni Ziemi.

Obejmuje to stronę "najgorszego scenariusza" zdarzenia związanego z ESD, w którym człowiek przenosi ładunek i wprowadza go do wrażliwego urządzenia. Napięcie wysokie od stosunkowo niskiego poziomu naładowania występuje, gdy osoba jest bardzo słabo uziemiona. Kluczowym czynnikiem wpływającym na to, co i ile ulega uszkodzeniu, nie jest w rzeczywistości ładunek ani napięcie, ale prąd, który w tym kontekście można uznać za niski opór ścieżki urządzenia elektronicznego do ziemi..

Osoby pracujące w elektronice są zwykle uziemione paskami na nadgarstki i / lub taśmami uziemiającymi na stopach. Nie są "szortami" do uziemienia; opór ma takie rozmiary, aby uniemożliwić robotnikom pełnienie roli piorunochronu (łatwe porażenie prądem). Opaski na nadgarstek są zwykle w zakresie 1M Ohm, ale nadal pozwala to na szybkie rozładowanie zgromadzonej energii. Pojemne i izolowane przedmioty wraz z innymi materiałami generującymi ładunek lub magazynujące są izolowane z obszarów roboczych, takich jak polistyren, folia bąbelkowa i plastikowe kubki.

Istnieją dosłownie niezliczone inne materiały i sytuacje, które mogą spowodować uszkodzenie ESD (od dodatnich i ujemnych względnych różnic ładunkowych) do urządzenia, w którym ludzkie ciało samo nie przenosi ładunku "wewnętrznie", ale tylko ułatwia jego ruch. Przykładem na poziomie kreskówki byłoby noszenie wełnianego swetra i skarpetek podczas przechodzenia przez dywan, a następnie podnoszenia lub dotykania metalowego przedmiotu. To stwarza znacznie większą ilość energii niż ciało może przechowywać.

Jeszcze jedna kwestia, jak mało energii potrzeba, aby uszkodzić nowoczesną elektronikę. Tranzystor 10 nm (nie jest jeszcze powszechny, ale nastąpi to w ciągu najbliższych kilku lat) ma grubość bramki poniżej 6 nm, która zbliża się do tego, co nazywają monowarstwą (pojedyncza warstwa atomów).

Jest to bardzo skomplikowany temat, a ilość uszkodzeń, które może spowodować wyładowanie ESD dla urządzenia, jest trudna do przewidzenia ze względu na ogromną liczbę zmiennych, w tym prędkość wyładowania (jak duży jest opór między ładunkiem a podłożem) , liczba ścieżek do ziemi przez urządzenie, wilgotność i temperatury otoczenia i wiele innych. Wszystkie te zmienne można podłączyć do różnych równań, które mogą modelować wpływ, ale nie są one zbyt dokładne, aby przewidzieć rzeczywiste szkody, ale lepiej radzić sobie z możliwymi uszkodzeniami spowodowanymi zdarzeniem.

W wielu przypadkach, i to jest bardzo specyficzne dla branży (np. Medycyna lub lotnictwo), katastroficzne zdarzenie wywołane ESD jest o wiele lepszym wynikiem niż zdarzenie ESD, które przechodzi przez produkcję i testy niezauważone. Niezauważone zdarzenia ESD mogą spowodować bardzo niewielką wadę, lub może nieco pogorszyć wcześniej istniejącą i niewykrytą ukrytą wadę, która w obu scenariuszach może się z czasem pogorszyć z powodu dodatkowych drobnych zdarzeń ESD lub zwykłego użycia.

Ostatecznie skutkują katastrofalną i przedwczesną awarią urządzenia w sztucznie skróconym czasie, którego nie można przewidzieć na podstawie modeli niezawodności (które są podstawą harmonogramów konserwacji i wymiany). Z powodu tego niebezpieczeństwa i łatwego myślenia o okropnych sytuacjach (na przykład mikroprocesor lub instrumenty kontroli lotu), znalezienie sposobów na przetestowanie i modelowanie utajonych defektów wywołanych przez ESD jest obecnie ważnym obszarem badań.

Dla konsumenta, który nie pracuje lub nie wie dużo o produkcji elektroniki, może to nie być problemem. Zanim większość elektroniki zostanie zapakowana do sprzedaży, istnieje wiele zabezpieczeń, które zapobiegają większości uszkodzeń ESD. Drażliwe komponenty są fizycznie niedostępne i dostępne są bardziej dogodne ścieżki do podłoża (tj. Podwozie komputera jest przywiązane do ziemi, wyładowanie ESD do niego prawie na pewno nie uszkodzi procesora wewnątrz obudowy, ale zamiast tego przyjmuje ścieżkę najniższej rezystancji do uziemić za pomocą źródła zasilania i ściennego źródła zasilania). Ewentualnie nie są możliwe rozsądne ścieżki przenoszenia prądu; wiele telefonów komórkowych ma nieprzewodzące powierzchnie zewnętrzne i ma tylko ścieżkę uziemiającą podczas ładowania.

Dla przypomnienia, muszę przejść przez szkolenie ESD co trzy miesiące, więc mogłem po prostu iść dalej. Ale myślę, że to powinno wystarczyć, by odpowiedzieć na twoje pytanie. Uważam, że wszystko w tej odpowiedzi jest dokładne, ale zdecydowanie zaleciłbym przeczytanie go bezpośrednio, aby lepiej poznać fenomen, jeśli nie zniszczyłem twojej ciekawości na dobre..

Jedną rzeczą, którą ludzie uważają za sprzeczną z intuicją, jest to, że torby, które często widzi się w elektronice przechowywanej i wysyłanej (torby antystatyczne) również przewodzą. Antystatyczne oznacza, że ​​materiał nie będzie zbierał żadnego znaczącego ładunku z interakcji z innymi materiałami. Ale w świecie ESD jest równie ważne (w najlepszym możliwym zakresie), że wszystko ma takie samo odniesienie do napięcia gruntu.

Powierzchnie robocze (maty ESD), torby ESD i inne materiały są zazwyczaj utrzymywane w jednej płaszczyźnie ze sobą, albo po prostu nie mają między sobą izolowanego materiału, albo bardziej wyraźnie, łącząc ścieżki o niskiej rezystancji z podłożem między wszystkimi stanowiskami roboczymi; złącza dla opasek na rękę, podłogi i niektórych urządzeń. Tutaj są problemy z bezpieczeństwem. Jeśli pracujesz z wysokimi materiałami wybuchowymi i elektroniką, twoja opaska na rękę może być przywiązana bezpośrednio do ziemi, a nie do rezystora 1M Ohm. Jeśli pracujesz przy bardzo wysokim napięciu, nie uziemiłbyś się wcale.

Oto cytat dotyczący kosztów ESD od Cisco, który może być nawet trochę konserwatywny, ponieważ dodatkowe obrażenia z awarii pola dla Cisco zazwyczaj nie powodują utraty życia, co może zwiększyć to 100x, o których mowa w zamówieniu wielkości :

Czy masz coś do dodania do wyjaśnienia? Dźwięk w komentarzach. Chcesz przeczytać więcej odpowiedzi od innych użytkowników Stack Exchange, którzy znają się na technologii? Sprawdź cały wątek dyskusji tutaj.