Чи є пошкодження статичної електроенергії ще великою проблемою з електронікою?

Всі ми чули попередження, щоб переконатися, що ми правильно заземлені при роботі на наших електронних пристроях, але досягнення в області технологій зменшили проблему пошкодження статичною електрикою або ж вона як і раніше поширена? Сьогоднішня посада із запитами та відповідями SuperUser має всебічну відповідь на запитання цікавого читача.

Сьогоднішня сесія запитань та відповідей приходить до нас люб'язно SuperUser - підрозділ Stack Exchange, групування веб-сайтів із запитаннями та відповідями на рівні спільноти..

Фото надано Джаредом Тарбеллом (Flickr).

Питання

Читач SuperUser Ricku хоче знати, чи є пошкодження статичною електрикою все ще великою проблемою з електронікою:

Я чув, що статична електрика була великою проблемою кілька десятиліть тому. Чи є вона ще великою проблемою зараз? Я вважаю, що зараз людина рідко «підсмажує» комп'ютерну складову.

Пошкодження статичної електрики все ще є великою проблемою з електронікою?

Відповідь

Співробітник SuperUser Argonauts має відповідь для нас:

У галузі він називається електростатичним розрядом (ESD) і є набагато більшою проблемою, ніж коли-небудь; хоча це було дещо пом'якшено досить недавним поширеним прийняттям політики та процедур, які допомагають знизити ймовірність пошкодження продуктів ОУР. Незважаючи на це, його вплив на електронну промисловість більше, ніж у багатьох інших галузях.

Це також величезна тема для вивчення і дуже складна, тому я просто доторкнуся до кількох питань. Якщо ви зацікавлені, існують численні безкоштовні джерела, матеріали та веб-сайти, присвячені цій темі. Багато людей присвячують свою кар'єру в цю область. Продукти, пошкоджені ОУР, мають дуже реальний і дуже великий вплив на всі компанії, що займаються електронікою, незалежно від того, як виробник, дизайнер або "споживач", і як багато речей, які розглядаються в галузі, його витрати передаються нас.

Від Асоціації ОУР:

Оскільки пристрої та розміри їхніх функцій постійно стають меншими, вони стають більш сприйнятливими до пошкодження ESD, що має сенс після небагато думки. Механічна міцність матеріалів, що використовуються для побудови електроніки, як правило, знижується, оскільки їх розмір зменшується, а також здатність матеріалу протистояти швидким змінам температури, що зазвичай називають термічною масою (так само, як у макромасштабних об'єктах). Близько 2003 року найменші розміри об'єктів були в діапазоні 180 нм, і зараз ми швидко наближаємося до 10 нм.

Подія ОУР, яка 20 років тому була б нешкідливою, могла потенційно знищити сучасну електроніку. На транзисторах матеріал ворота часто є жертвою, але інші елементи, що несуть струм, також можуть бути випарені або розплавлені. Припій на штирях мікросхеми (еквівалент поверхневого монтажу, подібний до масиву шарової сітки є набагато більш поширеним у ці дні) на платі може бути розплавлений, а сам кремній має деякі критичні характеристики (особливо його діелектричне значення), які можуть бути змінені високою температурою . Загалом, він може змінити схему від напівпровідника до постійного провідника, який зазвичай закінчується іскрою і неприємним запахом, коли чіп живиться.

Менші розміри функцій майже повністю позитивні з більшості показників показників; подібні операційні / тактові частоти, які можна підтримувати, споживання енергії, тісно пов'язане виробництво тепла тощо, але чутливість до пошкодження від того, що можна було б вважати тривіальною кількістю енергії, також значно зростає по мірі зменшення розміру об'єкта.

ESD захист вбудований в багатьох електроніки сьогодні, але якщо у вас є 500 мільярдів транзисторів в інтегральній схемі, це не спритна проблема, щоб визначити, який шлях статичного розряду займе зі 100-відсотковою впевненістю.

Іноді людський організм моделюється (модель людського тіла; HBM) як має від 100 до 250 пікофарадів ємності. У цій моделі напруга може досягати як високого (залежно від джерела) 25 кВ (хоча деякі стверджують лише 3 кВ). Використовуючи більші числа, людина має енергетичний «заряд» приблизно 150 міліжоулів. Повністю "заряджена" людина, як правило, не буде обізнана з нею, і вона розряджається за частку секунди через перший доступний шлях землі, часто електронний пристрій.

Зверніть увагу, що ці цифри передбачають, що людина не носить одягу, здатного нести додаткову плату, що зазвичай є справою. Існують різні моделі для розрахунку ризику та енергетичних рівнів ОУР, і це дуже швидко стає дуже заплутаним, оскільки у деяких випадках вони суперечать один одному. Ось посилання на чудове обговорення багатьох стандартів і моделей.

Незалежно від конкретного методу, що використовується для його розрахунку, це не так, і, звичайно, не звучить як багато енергії, але більш ніж достатньо, щоб знищити сучасний транзистор. Для контексту, один джоуль енергії еквівалентний (відповідно до Вікіпедії) енергії, необхідній для підйому середнього розміру томата (100 грамів) на один метр вертикально від поверхні Землі.

Це потрапляє на "найгірший сценарій" сторони події ESD, лише для людини, де людина несе заряд і видаляє її у сприйнятливий пристрій. Напруга, що високе від відносно невеликої кількості заряду, виникає, коли людина дуже погано заземлена. Ключовим фактором у тому, що і наскільки пошкоджується, насправді не є заряд або напруга, а струм, який в цьому контексті можна розглядати як низький опір шляху електронного пристрою до землі..

Люди, що працюють навколо електроніки, зазвичай заземлюються за допомогою ремінців на зап'ясті та / або ремінців заземлення на ногах. Вони не є «шортами» для заземлення; опір має розмір, щоб запобігти роботі працівників як блискавковідвід (легко перетворюється на електричний струм). Наручні смуги зазвичай знаходяться в діапазоні 1 М Ом, але це все ще дозволяє швидко розряджати будь-яку накопичену енергію. Ємнісні та ізольовані елементи разом з іншими матеріалами, що генерують або зберігають заряд, ізольовані від робочих областей, таких як полістирол, пухирчаста плівка та пластикові стаканчики.

Існують буквально незліченні інші матеріали та ситуації, які можуть призвести до пошкодження ОУР (як від позитивних, так і від негативних відносних зарядів) до пристрою, де саме тіло людини не несе заряд «внутрішньо», а просто полегшує його рух. Приклад мультяшного рівня міг би носити вовняний светр і шкарпетки під час прогулянки по килиму, а потім збирати або торкатися металевого предмета. Це створює значно більшу кількість енергії, ніж може зберігатися саме тіло.

Один останній пункт про те, наскільки мало енергії потрібно для пошкодження сучасної електроніки. 10 нм транзистор (ще не поширений, але він буде в найближчі кілька років) має товщину затвора менше 6 нм, що наближається до того, що вони називають моношаром (один шар атомів).

Це дуже складна тема, і велику пошкодження, яке може викликати подія ESD на пристрій, важко передбачити через величезну кількість змінних, включаючи швидкість розряду (скільки опору між зарядом і землею). , кількість шляхів до землі через пристрій, вологість і температура навколишнього середовища, і багато іншого. Всі ці змінні можуть бути підключені до різних рівнянь, які можуть моделювати вплив, але вони не дуже точні при прогнозуванні фактичних збитків ще, але краще при створенні можливого збитку від події.

У багатьох випадках, і це дуже специфічна галузь (думаю, медична чи аерокосмічна), катастрофічна подія катастрофічної аварії є набагато кращим результатом, ніж подія ESD, яка проходить через виробництво і тестування непомітно. Непомічені події ESD можуть створити дуже незначний дефект, або, можливо, трохи погіршити існуючий і не виявлений прихований дефект, який в обох сценаріях може з часом погіршитися через додаткові дрібні події ESD або просто регулярне використання.

Вони в кінцевому підсумку призводять до катастрофічного та передчасного виходу з ладу пристрою в штучно скороченому періоді часу, який не може бути передбачений моделями надійності (які є основою для графіків обслуговування та заміни). Через цю небезпеку, і легко думати про страшні ситуації (мікропроцесор кардіостимулятора або прилади керування польотом, наприклад), придумати способи перевірки і моделювання прихованих дефектів, обумовлених ESD, є основною областю досліджень.

Для споживача, який не працює або знає багато про виробництво електроніки, це не може бути проблемою. До того часу, коли більшість електроніки упаковані для продажу, існують численні гарантії, які запобігають б більшій шкоді ОУР. Чутливі компоненти фізично недоступні і більш зручні шляхи до землі доступні (тобто шасі комп'ютера прив'язані до землі, розрядження ESD в нього майже напевно не пошкодить CPU всередині корпусу, але замість цього беруть найнижчий шлях опору до заземлення через джерело живлення та розетки настінної розетки). Альтернативно, не можливі розумні струмопровідні шляхи; багато мобільних телефонів мають непровідні зовнішній вигляд і мають тільки траєкторію землі під час зарядки.

Для довідки, я повинен пройти навчання ESD кожні три місяці, таким чином я міг тільки утримати ідуть. Але я думаю, що цього має бути достатньо, щоб відповісти на ваше запитання. Я вважаю, що все в цій відповіді є точною, але я б дуже радив прочитати на ньому безпосередньо, щоб краще познайомитися з явищем, якщо я не знищив вашу цікавість назавжди.

Одна річ, яку люди знаходять протилежна, полягає в тому, що сумки, які ви часто бачите, зберігаються та відправляються в електроніку (антистатичні пакети) також є провідними. Антистатичний засіб означає, що матеріал не збирає жодного значущого заряду від взаємодії з іншими матеріалами. Але в світі ОУР не менш важливо (у максимально можливій мірі), що все має таке ж посилання на напругу на землі.

Робочі поверхні (ESD mats), ESD сумки та інші матеріали, як правило, тримаються прив'язаними до спільної землі, або просто не мають ізоляційного матеріалу між ними, або більш явно, шляхом підключення низьких шляхів опору до землі між усіма робочими столами; роз'єми для робочих зап'ясткових смуг, підлогу і деяке обладнання. Тут є питання безпеки. Якщо ви працюєте навколо високих вибухових речовин і електроніки, ваш зап'ясток може бути прив'язаний безпосередньо до землі, а не резистором 1 м Ом. Якщо ви працюєте навколо дуже високої напруги, ви взагалі не заземлитеся.

Ось цитата про витрати ОУР від Cisco, які можуть бути навіть дещо консервативними, оскільки побічний збиток від збоїв у польових умовах для Cisco зазвичай не призводить до втрати життя, що може підвищити 100x, що називається порядками величини :

Маєте щось додати до пояснення? Звучить в коментарях. Хочете прочитати більше відповідей від інших технологічних користувачів Stack Exchange? Перегляньте повний потік обговорення тут.