Ali je statična škoda za elektriko še vedno velik problem z elektroniko?

Vsi smo slišali opozorila, da se prepričamo, da smo pravilno delujoči, ko delamo na naših elektronskih napravah, vendar so napredek v tehnologiji zmanjšal problem statične elektrike ali pa je še vedno tako razširjen kot prej? Današnja pošta SuperUser Q&A ima celovit odgovor na vprašanje radovednega bralca.

Današnja seja vprašanj in odgovorov prihaja z namenom SuperUser-a, ki je del skupine Stack Exchange, ki temelji na skupnostih spletnih mest za vprašanja in odgovore.

Fotografija, ki jo je dal Jared Tarbell (Flickr).

Vprašanje

Bralnik SuperUser Ricku želi vedeti, ali je poškodba s statično elektriko še vedno velik problem z elektroniko:

Slišal sem, da je bila statična elektrika pred nekaj desetletji velik problem. Je to še vedno velik problem? Verjamem, da je oseba, ki je zdaj v računalniku, »redka«.

Ali je statična elektrika zdaj še vedno velik problem z elektroniko?

Odgovor

Sodelavka SuperUser Argonauts ima odgovor za nas:

V industriji se imenuje elektrostatična razrešnica (ESD) in je zdaj veliko večji problem kot doslej; čeprav je bil nekoliko ublažen s precej nedavno široko sprejetimi politikami in postopki, ki pomagajo zmanjšati verjetnost poškodb ESD na izdelkih. Ne glede na to je njegov vpliv na elektronsko industrijo večji kot številne druge celotne industrije.

To je tudi velika študijska tema in zelo zapletena, zato se bom dotaknila le nekaj točk. Če vas zanima, obstajajo številni brezplačni viri, materiali in spletne strani, namenjene tej temi. Mnogi ljudje svoje kariere posvetijo temu področju. Proizvodi, ki jih je prizadel ESD, imajo zelo resničen in zelo velik vpliv na vsa podjetja, ki se ukvarjajo z elektroniko, pa naj gre za proizvajalca, oblikovalca ali „potrošnika“, in kot številne stvari, ki jih obravnava industrija, se njeni stroški prenesejo na nas.

Od združenja ESD:

Ker naprave in velikost njihovih funkcij nenehno postajajo manjše, postanejo bolj dovzetne za poškodbe zaradi ESD, kar je smiselno po nekaj misli. Mehanska trdnost materialov, ki se uporabljajo za izdelavo elektronike, se na splošno zmanjšuje, saj se njihova velikost zmanjšuje, prav tako pa tudi sposobnost materiala, da se upre hitrim temperaturnim spremembam, ki se navadno imenujejo toplotna masa (tako kot pri objektih makro). Približno leta 2003 so bile najmanjše velikosti v območju 180 nm in zdaj se hitro približujemo 10 nm.

Dogodek ESD, ki bi bil pred 20 leti neškodljiv, bi lahko uničil sodobno elektroniko. Na tranzistorjih je material vrat pogosto žrtev, vendar pa je mogoče tudi druge elemente, ki prenašajo tok, upariti ali stopiti. Spajk na zatiči IC-ja (enakovreden površinski vgradnji, kot je Ball Grid Array, ki je v teh dneh precej pogostejši) na PCB-ju se lahko stopi, silicij pa ima nekatere kritične lastnosti (zlasti dielektrično vrednost), ki se lahko spremeni z visoko toploto . Skupno lahko spremeni vezje od polprevodnika do vedno prevodnika, ki se običajno konča z iskro in slabim vonjem, ko je čip vklopljen.

Manjše velikosti funkcij so skoraj v celoti pozitivne v večini perspektiv meritev; stvari, kot so hitrosti delovanja / ure, ki jih je mogoče podpreti, porabo energije, tesno povezano proizvodnjo toplote, itd., vendar pa občutljivost na poškodbe zaradi tistega, kar bi sicer veljalo za trivialne količine energije, prav tako močno narašča z zmanjšanjem velikosti elementa.

ESD zaščita je danes vgrajena v veliko elektronike, vendar če imate 500 milijard tranzistorjev v integriranem vezju, ni težko določiti, kakšna pot bo statična razelektritev s 100-odstotno gotovostjo..

Človeško telo je včasih modelirano (model človeškega telesa; HBM) kot 100 do 250 picofaradov kapacitivnosti. V tem modelu lahko napetost doseže enako visoko (odvisno od vira) kot 25 kV (čeprav nekateri trdijo le 3 kV). Če uporabimo večje število, bi oseba imela energijski naboj približno 150 miljjoulov. Popolnoma »napolnjena« oseba se tega praviloma ne bi zavedala in se izprazni v delčku sekunde skozi prvo razpoložljivo zemeljsko pot, pogosto elektronsko napravo.

Upoštevajte, da te številke predpostavljajo, da oseba ne nosi oblačil, ki bi lahko nosila dodatno plačilo, kar je običajno. Obstajajo različni modeli za izračunavanje ravni tveganja za energijo iz ESD in ravni energije, kar zelo hitro povzroči zmedo, saj se zdi, da si v nekaterih primerih nasprotujejo. Tukaj je povezava do odlične razprave o mnogih standardih in modelih.

Ne glede na specifično metodo, ki se uporablja za izračun, ni, in zagotovo ne zveni kot veliko energije, vendar je več kot dovolj za uničenje sodobnega tranzistorja. Za kontekst je en joule energije enakovreden (glede na Wikipedijo) energiji, ki je potrebna za dvig srednje velikosti paradižnika (100 gramov), ki je en meter navpično od površine Zemlje..

To se nanaša na »najslabši scenarij« strani človeškega ESD dogodka, kjer človek nosi polnjenje in ga oddaja v dovzetno napravo. Napetost, ki je visoka pri relativno nizki količini naboja, se pojavi, ko je oseba zelo slabo ozemljena. Ključni dejavnik pri tem, kaj in koliko se poškoduje, ni dejansko polnjenje ali napetost, temveč tok, kar je v tem kontekstu mogoče razumeti kot nizko odpornost poti elektronske naprave na tla..

Osebe, ki delajo okoli elektronike, so običajno ozemljene z zapestnimi trakovi in ​​/ ali pritrdilnimi trakovi na nogah. Niso »kratke hlače« za ozemljitev; Odpornost je dimenzionirana tako, da preprečuje, da bi delavci delovali kot gromobrani (zlahka pride do električnega udara). Trakovi za zapestje so običajno v območju 1M Ohm, vendar še vedno omogočajo hitro praznjenje vseh akumuliranih energij. Kapacitivni in izolirani predmeti skupaj z vsemi drugimi materiali za ustvarjanje ali shranjevanje dajatev so izolirani od delovnih področij, kot so polistiren, mehurček in plastične skodelice.

Obstaja dobesedno nešteto drugih materialov in situacij, ki lahko povzročijo poškodbe ESD (tako pozitivne kot negativne relativne razlike v nabojih) na napravo, kjer človeško telo ne nosi naboja »interno«, ampak samo olajša njegovo gibanje. Primer risanke bi nosil volneni pulover in nogavice med hojo po preprogi, nato pa pobral ali se dotaknil kovinskega predmeta. To ustvarja bistveno višjo količino energije, kot bi jo lahko shranili samo telo.

Še zadnja točka o tem, kako malo energije potrebujemo za poškodovanje sodobne elektronike. 10 nm tranzistor (še ni običajen, vendar bo v naslednjih nekaj letih) ima debelino vrat manj kot 6 nm, ki se približuje tistemu, kar imenujemo enoslojna (enojna plast atomov)..

Gre za zelo zapleteno temo, zato je zaradi velikega števila spremenljivk, vključno s hitrostjo praznjenja (koliko odpora je med nabojem in zemljo), težko napovedati količino škode, ki jo lahko povzroči naprava ESD. , število poti do tal skozi napravo, vlažnost in temperature okolice ter še veliko več. Vse te spremenljivke je mogoče vključiti v različne enačbe, ki lahko modelirajo učinek, vendar pa niso zelo natančne pri napovedovanju dejanske škode, ampak boljše pri določanju morebitne škode zaradi dogodka.

V mnogih primerih, in to je zelo specifična za industrijo (mislim medicinsko ali vesoljsko), je katastrofalni dogodek, ki ga povzroči ESD, veliko boljši rezultat kot dogodek ESD, ki je neopažen skozi proizvodnjo in testiranje. Nezapaženi dogodki ESD lahko povzročijo zelo manjšo napako ali pa se lahko nekoliko poslabšajo že obstoječe in neodkrite latentne napake, ki se lahko v obeh primerih sčasoma poslabšajo zaradi dodatnih manjših dogodkov ESD ali samo zaradi redne uporabe..

Navsezadnje povzročijo katastrofalno in predčasno odpoved naprave v umetno skrajšanem časovnem okviru, ki je ni mogoče predvideti z modeli zanesljivosti (ki so osnova za urnike vzdrževanja in zamenjave). Zaradi te nevarnosti in je preprosto misliti na strašne situacije (npr. Mikroprocesorski instrumenti za krmiljenje srca ali instrumenti za nadzor letenja), ki sedaj predstavljajo načine za testiranje in modeliranje latentnih ESD-induciranih napak, je trenutno glavno področje raziskav..

Za potrošnika, ki ne dela in ne ve veliko o proizvodnji elektronike, se morda ne zdi, da je problem. Do trenutka, ko je večina elektronike pakiranih za prodajo, so na voljo številni zaščitni ukrepi, ki bi preprečili večjo ESD škodo. Občutljive komponente so fizično nedostopne in so na voljo primernejše poti do tal (npr. Računalniško ohišje je povezano s tlemi, izpraznitev ESD-ja v to skoraj zagotovo ne bo poškodovala CPU-ja znotraj ohišja, temveč naj bo najnižja pot upora proti ozemljite preko napajalnika in vtičnice vtičnice). Druga možnost je, da ni možnih razumnih tokovnih poti; številni mobilni telefoni imajo zunanjost, ki ni prevodna, in imajo samo ozemljitveno pot, ko se zaračunavajo.

Za zapisnik, moram iti skozi ESD usposabljanje vsake tri mesece, da bi lahko še naprej hodil. Toda mislim, da bi to lahko zadostovalo za odgovor na vaše vprašanje. Verjamem, da je vse v tem odgovoru natančno, vendar bi vam svetoval, da ga preberete neposredno, da bi se bolje seznanili s tem pojavom, če ne bi uničili vaše radovednosti za dobro..

Ena stvar, ki jo ljudje najdejo proti-intuitivno, je ta, da so vrečke, ki jih pogosto vidite v elektronski opremi (antistatične vrečke), tudi prevodne. Anti-statični pomeni, da material ne bo zbral nobene smiselne naboja iz interakcije z drugimi materiali. Toda v svetu ESD je enako pomembno (v največji možni meri), da ima vse enako referenco za zemeljsko napetost.

Delovne površine (ESD predpražniki), vreče ESD in drugi materiali so običajno vezani na skupno podlago, bodisi preprosto brez izoliranega materiala med njimi, ali bolj eksplicitno z ožičenjem poti proti uporu na tla med vsemi delovnimi mizami; priključki za trakove za zapestje delavcev, tla in nekaj opreme. Tu so varnostna vprašanja. Če delate okoli visokih eksplozivov in elektronike, se lahko vaš zapestni trak poveže neposredno s tlemi in ne z 1M Ohmskim uporom. Če delate ob zelo visoki napetosti, se sploh ne bi ozemljili.

Tukaj je citat o stroških ESD podjetja Cisco, ki bi lahko bil celo nekoliko konzervativen, saj stranska škoda zaradi napak na terenu za Cisco običajno ne povzroči izgube življenj, kar lahko poveča 100-kratno napovedano vrednost za več velikosti. :

Imate kaj dodati pojasnilu? Zvok v komentarjih. Želite prebrati več odgovorov drugih uporabnikov tehnologije Stack Exchange? Oglejte si celotno nit razprave tukaj.