Este daune statice de electricitate încă o problemă imensă cu electronica?

Toți am auzit avertismentele pentru a ne asigura că suntem bine fundamentați atunci când lucrăm la dispozitivele noastre electronice, dar progresele tehnologice au diminuat problema daunelor cauzate de electricitatea statică sau sunt încă la fel de răspândite ca înainte? Postul de astăzi SuperUser Q & A are un răspuns cuprinzător la întrebarea curioasă a cititorului.

Sesiunea de întrebări și răspunsuri din ziua de astăzi vine de la amabilitatea SuperUser - o subdiviziune a Stack Exchange, o grupare bazată pe comunitate a site-urilor web Q & A.

Fotografie prin amabilitatea lui Jared Tarbell (Flickr).

Intrebarea

Cititorul superutilizatorului Ricku dorește să știe dacă daunele cauzate de electricitatea statică reprezintă în continuare o problemă enormă cu electronica acum:

Am auzit că electricitatea statică a fost o problemă mare cu câteva decenii în urmă. Este încă o problemă mare acum? Cred că este rară pentru o persoană să "prăjească" o componentă de calculator acum.

Este daunele cauzate de electricitatea statică încă o problemă enormă cu electronica acum?

Răspunsul

Supporterul Argonauts are răspunsul pentru noi:

În industrie, acesta este denumit descărcare electrostatică (ESD) și este mult mai dificil acum decât a fost vreodată; deși a fost atenuată într-o oarecare măsură de adoptarea pe scară largă a politicilor și a procedurilor destul de recente, care ajută la reducerea probabilității producerii de daune produse ESD. Indiferent, impactul său asupra industriei electronice este mai mare decât multe alte industrii întregi.

Este, de asemenea, un subiect imens de studiu și foarte complex, așa că voi ating doar câteva puncte. Dacă sunteți interesat, există numeroase surse gratuite, materiale și site-uri web dedicate subiectului. Mulți oameni își dedică cariera în acest domeniu. Produsele afectate de ESD au un impact foarte real și foarte mare asupra tuturor companiilor implicate în electronică, indiferent dacă este vorba de producător, designer sau "consumator", și ca multe lucruri tratate într-o industrie, costurile sale sunt transferate ne.

De la Asociația ESD:

Deoarece dispozitivele și dimensiunile caracteristicilor lor devin tot mai mici, devin mai sensibile la deteriorarea prin ESD, ceea ce are sens după un pic de gândire. Rezistența mecanică a materialelor utilizate pentru a construi electronica scade, în general, dimensiunea dimensiunilor, la fel ca și capacitatea materialului de a rezista schimbărilor rapide ale temperaturii, denumite în mod obișnuit masa termică (la fel ca în cazul obiectelor la scară macro). În jurul anului 2003, cele mai mici dimensiuni ale caracteristicilor au fost în intervalul de 180 nm și acum ne apropiem rapid de 10 nm.

Un eveniment ESD care acum 20 de ani ar fi fost inofensiv ar putea distruge electronica moderna. Pe tranzistori, materialul porții este adesea victima, dar și alte elemente de purtare a curentului pot fi vaporizate sau topite, de asemenea. Îndepărtarea pe pinii unui IC (un echivalent de suprafață echivalentă cu o matrice de grilă cu bile sunt mult mai frecvente în aceste zile) pe un PCB poate fi topit, iar siliciul în sine are anumite caracteristici critice (în special valoarea dielectrică) . Luat cu totul, poate schimba circuitul de la un semiconductor la un conductor întotdeauna, care de obicei se termină cu o scânteie și un miros rău când cipul este pornit.

Dimensiunile caracteristicilor mai mici sunt aproape în întregime pozitive din cele mai multe perspective de metrici; lucruri precum vitezele de funcționare / ceas care pot fi suportate, consumul de energie, generarea de căldură cuplată strâns etc., dar sensibilitatea la deteriorare din ceea ce altfel ar fi considerat cantități banale de energie crește de asemenea foarte mult pe măsură ce dimensiunea caracteristicilor scade.

Protecția ESD este construită astăzi în mai multe sisteme electronice, dar dacă aveți 500 de miliarde de tranzistori într-un circuit integrat, nu este o problemă tractabilă pentru a determina ce cale va avea o descărcare statică cu o certitudine de 100%.

Corpul uman este uneori modelat (Modelul corpului uman, HBM) ca având 100 până la 250 picofarade de capacitate. În acest model, tensiunea poate ajunge la fel de mare (în funcție de sursă) ca 25 kV (deși unii revendică numai 3 kV). Folosind numere mai mari, persoana ar avea o "încărcătură" de energie de aproximativ 150 milijouli. O persoană complet încărcată nu ar fi de obicei conștientă de aceasta și va fi descărcată într-o fracțiune de secundă prin prima cale de sol disponibilă, frecvent un dispozitiv electronic.

Rețineți că aceste numere presupun că persoana nu poartă îmbrăcăminte capabilă să suporte o taxă suplimentară, ceea ce este în mod normal cazul. Există diferite modele pentru calcularea riscului ESD și a nivelului de energie și devine destul de confuz foarte rapid, deoarece pare să se contrazică reciproc în unele cazuri. Iată o legătură într-o discuție excelentă a multor standarde și modele.

Indiferent de metoda specifică utilizată pentru calcularea acesteia, ea nu este, și cu siguranță nu sună prea multă energie, dar este mai mult decât suficientă pentru a distruge un tranzistor modern. Pentru context, un joulu de energie este echivalent (conform Wikipedia) cu energia necesară pentru a ridica o tomată de mărime medie (100 grame) la un metru vertical de la suprafața Pământului.

Acest lucru se încadrează în partea "celui mai rău scenariu" al unui eveniment ESD numai la om, unde omul poartă o încărcătură și o descărcă într-un dispozitiv sensibil. O tensiune ridicată de la o cantitate relativ mică de încărcare are loc atunci când persoana este foarte slab împământată. Un factor cheie în ceea ce și cât de mult se distrugă nu este de fapt sarcina sau tensiunea, dar curentul, care în acest context poate fi considerat ca fiind cât de scăzută este rezistența căii dispozitivului electronic la un sol.

Oamenii care lucrează în domeniul electronicii sunt de obicei împământați cu curele de mână și / sau curele de împământare pe picioarele lor. Nu sunt "pantaloni scurți" pentru împământare; rezistența este dimensionată pentru a împiedica lucrătorii să servească drept fulgere (ușor de electrocutat). Mijloacele de incheiere sunt în mod obișnuit în gama 1M Ohm, dar care încă permit evacuarea rapidă a oricărei energii acumulate. Elementele capacitive și izolate, împreună cu orice alte materiale care generează sau depozitează materiale, sunt izolate de zonele de lucru, lucruri precum polistirenul, învelișul cu bule și cupele din plastic.

Există literalmente nenumărate alte materiale și situații care pot duce la distrugerea ESD (atât din diferențele pozitive cât și negative relative ale încărcăturii) într-un dispozitiv în care corpul uman nu poartă sarcina "intern", ci doar facilitează mișcarea. Un exemplu de nivel de desene animate ar fi purtarea unui pulover de lână și a șosetelor în timp ce mergeți pe un covor, apoi luați sau atingeți un obiect metalic. Acest lucru creează o cantitate semnificativ mai mare de energie decât corpul însuși ar putea stoca.

Un ultim punct despre cât de puțină energie este necesară pentru a deteriora electronica modernă. Un tranzistor de 10 nm (care nu este încă obișnuit, dar va fi în următorii câțiva ani) are o grosime a porții mai mică de 6 nm, care se apropie de ceea ce numesc un monostrat (un singur strat de atomi).

Este un subiect foarte complicat și cantitatea de pagube pe care un eveniment ESD poate provoca unui dispozitiv este dificil de prezis datorită numărului mare de variabile, inclusiv a vitezei de descărcare (cât de multă rezistență există între încărcare și un sol) , numărul de căi către un sol prin dispozitiv, umiditatea și temperaturile ambientale și multe altele. Toate aceste variabile pot fi conectate la diferite ecuații care pot modela impactul, dar nu sunt foarte exacte în ceea ce privește estimarea daunelor reale, dar mai bine la încadrarea posibilelor daune de la un eveniment.

În multe cazuri, și acest lucru este foarte specific industriei (cred că este medical sau aerospațial), un eveniment de insuficiență catastrofică indusă de ESD este un rezultat mult mai bun decât un eveniment ESD care trece prin fabricație și testarea neobservată. Evenimentele ESD neobservate pot crea un defect foarte mic sau poate agrava ușor un defect latent preexistent și nedetectat, care în ambele scenarii se poate agrava în timp, datorită fie unor evenimente suplimentare ESD minore, fie doar unei utilizări obișnuite.

În cele din urmă, acestea duc la o defecțiune catastrofică și prematură a dispozitivului într-un interval de timp redus în mod artificial, care nu poate fi prevăzut de modelele de fiabilitate (care stau la baza programelor de întreținere și înlocuire). Din cauza acestui pericol și este ușor să se gândească la situații teribile (microprocesorul unui stimulator cardiac sau instrumentele de control al zborului, de exemplu), apariția unor modalități de a testa și de a defini defectele latente cauzate de ESD este un domeniu important de cercetare chiar acum.

Pentru un consumator care nu lucrează sau nu știe prea multe despre fabricarea de electronice, este posibil să nu pară o problemă. Până când majoritatea produselor electronice sunt ambalate pentru vânzare, există numeroase măsuri de siguranță care ar împiedica cele mai multe daune ESD. Componentele sensibile sunt inaccesibile din punct de vedere fizic și sunt disponibile căi mai convenabile pentru un teren (de exemplu, un șasiu de calculator este legat de un sol, descărcarea ESD în el aproape sigur nu va deteriora procesorul în interiorul carcasei, ci va lua cea mai mică cale de rezistență împământare prin sursa de alimentare și sursa de alimentare). Alternativ, nu sunt posibile căi rezonabile de transport; multe telefoane mobile au exterioruri neconductoare și au doar un drum la sol atunci când sunt încărcate.

Din punct de vedere al înregistrării, trebuie să trec prin cursurile de ESD la fiecare trei luni, așa că aș putea continua. Dar cred că acest lucru ar trebui să fie suficient pentru a răspunde la întrebarea dvs. Cred că totul în acest răspuns trebuie să fie corect, dar aș sfătui cu fermitate să citiți direct acest lucru pentru a vă familiariza mai bine cu fenomenul dacă nu v-am distrus curiozitatea pentru bine.

Un lucru pe care oamenii îl găsesc contra-intuitiv este că pungile pe care le vedeți frecvent electronice stocate și expediate (pungi anti-statice) sunt, de asemenea, conductive. Antistatic înseamnă că materialul nu va colecta nicio taxă semnificativă în interacțiunea cu alte materiale. Dar, în lumea ESD, este la fel de important (în cea mai mare măsură posibilă) ca totul să aibă aceeași referință de tensiune la sol.

suprafețe de lucru (rogojine ESD), pungi ESD și alte materiale sunt de obicei ținute legat de un teren comun, fie prin pur și simplu nu au un material izolant între ele, sau mai explicit prin conectarea căi cu rezistență scăzută la o masă între toate bancuri de lucru; conectorii pentru benzi de încheietura mâinii, podeaua și unele echipamente. Există probleme de siguranță aici. Dacă lucrați în jurul valorii de explozivi de mare și electronice, trupa încheietura mâinii poate fi legat direct la o masă, mai degrabă decât un rezistor 1M Ohm. Dacă lucrați în jurul valorii de foarte înaltă tensiune, nu v-ați munci deloc.

Aici este un citat cu privire la costurile ESD de la Cisco, care ar putea fi chiar un pic conservatoare, ca pagube colaterale de eșecuri pe teren pentru Cisco de obicei nu duce la pierderea vieții, care poate ridica că 100x menționate de ordine de mărime :

Aveți ceva de adăugat la explicație? Sunați în comentariile. Doriți să citiți mai multe răspunsuri de la alți utilizatori de tehnologie Stack Exchange? Check out discuția completă aici.