Je statická škoda elektriny stále obrovským problémom s elektronikou?

Všetci sme počuli upozornenia, aby sme sa uistili, že budeme správne zakotveni pri práci s našimi elektronickými zariadeniami, ale pokroky v technológii zmenšili problém statickej elektrickej energie alebo sú ešte stále také rozšírené ako predtým? Dnešný príspevok SuperUser Q & A obsahuje komplexnú odpoveď na otázku zvedavého čitateľa.

Dnešná relácia otázok a odpovedí sa k nám pridelí zdvorilosťou SuperUser - podskupiny Stack Exchange, zoskupenia webových stránok typu Q & A.

Foto s láskavým dovolením Jared Tarbell (Flickr).

Otázka

Čítačka SuperUser Ricku chce vedieť, či poškodenie statickej elektriny je stále obrovským problémom s elektronikou:

Počul som, že statická elektrina bola pred pár desiatkami rokov veľkým problémom. Je to stále veľký problém? Som presvedčený, že je zriedkavé, keď sa človek môže teraz "vyprážať" počítačovú súčasť.

Je poškodením statickej elektriny stále obrovský problém s elektronikou?

Odpoveď

Sponzor SuperUser Argonauts má pre nás odpoveď:

V priemysle sa označuje ako elektrostatické vybíjanie (ESD) a je oveľa viac problémom, než kedy bolo; hoci sa mierne zmiernil pomerne nedávnym rozsiahlym prijatím politík a postupov, ktoré pomáhajú znížiť pravdepodobnosť poškodenia výrobkov ESD. Bez ohľadu na to, jeho vplyv na elektronický priemysel je väčší ako mnohé iné priemyselné odvetvia.

Je to tiež obrovská téma a veľmi zložité, takže sa len dotknem niekoľkých bodov. Ak máte záujem, existuje množstvo bezplatných zdrojov, materiálov a webových stránok venovaných tomuto predmetu. Mnoho ľudí venuje svoju kariéru tejto oblasti. Výrobky poškodené systémom ESD majú veľmi reálny a veľmi veľký vplyv na všetky spoločnosti zaoberajúce sa elektronikou, či už ide o výrobcu, dizajnéra alebo "spotrebiteľa", a podobne ako v mnohých veciach, ktoré sa zaoberajú priemyslom, jeho náklady sa prenášajú nami.

Z asociácie ESD:

Keďže zariadenia a veľkosť ich vlastností sú stále menšie, stávajú sa náchylnejšie na poškodenie ESD, čo má zmysel po trochu premýšľania. Mechanická pevnosť materiálov používaných na zostavovanie elektroniky zvyčajne klesá, pretože ich veľkosť klesá, rovnako ako schopnosť materiálu odolávať rýchlym teplotným zmenám, zvyčajne označovaným ako tepelná hmotnosť (rovnako ako u objektov na makroúrovni). Okolo roku 2003 boli najmenšie veľkosti prvkov v rozmedzí 180 nm a teraz sa rýchlo približujeme k 10 nm.

ESD udalosť, ktorá by pred 20 rokmi bola neškodná, by mohla potenciálne zničiť modernú elektroniku. Na tranzistoch je materiál brány často obeťou, ale iné prúdové nosné prvky môžu byť tiež odparené alebo roztavené. Pájka na čipoch IC (povrchová montáž ekvivalentná ako Ball Grid Array sú v dnešnej dobe oveľa bežnejšie) na doske plošných spojov je možné roztaviť a samotný kremík má niektoré kritické vlastnosti (najmä jeho dielektrická hodnota), ktoré je možné meniť vysokou teplotou , Celkom vzaté, môže zmeniť okruh z polovodiča na vždy-vodič, ktorý zvyčajne končí iskrou a zlým vôňou, keď je zapnutý čip.

Menšie veľkosti funkcií sú takmer úplne pozitívne z väčšiny perspektív metrika. napríklad rýchlosť prevádzky / hodiny, ktorú možno podporiť, spotrebu elektrickej energie, tesne spojený generovanie tepla atď., ale citlivosť na poškodenie z toho, čo by sa inak považovalo za triviálne množstvo energie, sa tiež výrazne zvyšuje,.

ESD ochrana je dnes zabudovaná do mnohých elektroník, ale ak máte v integrovanom obvode 500 miliárd tranzistorov, nie je problémom určiť, akú cestu statické vybíjanie bude robiť so 100% istotou.

Ľudské telo je niekedy modelované (ľudský telový model, HBM) ako má 100 až 250 picofarád kapacity. V tomto modeli môže byť napätie rovnako vysoké (v závislosti od zdroja) ako 25 kV (hoci niektoré tvrdia iba 3 kV). Pri použití väčších čísel by osoba mala energiu "poplatok" približne 150 milijoulov. Plne nabitá osoba by o ňom zvyčajne nebola informovaná a dostane sa za zlomok sekundy vypustená cez prvú dostupnú pozemnú cestu, často elektronické zariadenie.

Upozorňujeme, že tieto čísla predpokladajú, že osoba nenosí oblečenie, ktoré je schopné niesť dodatočný poplatok, čo je normálne prípad. Existujú rôzne modely na výpočet rizika ESD a energetickej úrovne a veľmi rýchlo sa matú veľmi rýchlo, pretože sa zdá, že v niektorých prípadoch navzájom odporujú. Tu je odkaz na vynikajúcu diskusiu o mnohých štandardoch a modeloch.

Bez ohľadu na konkrétnu metódu, ktorá sa používa na jej výpočet, nie je a určite neznie tak veľa energie, ale je viac ako dostatočné zničiť moderný tranzistor. Pre kontext je jeden joule energie rovnocenný (podľa Wikipédie) s energiou potrebnou na zdvihnutie stredne veľkých paradajok (100 gramov) o jeden meter vertikálne od povrchu Zeme.

To spadá do stránky "najhoršieho scenára" udalosti ESD len pre človeka, kde ľudia nesú náboj a uvoľňujú ho do náchylného zariadenia. Napätie, ktoré je vysoké z pomerne nízkeho množstva náboja, sa vyskytuje, keď je osoba veľmi zle uzemnená. Kľúčovým faktorom v tom, čo a koľko sa poškodí, nie je vlastne náboj alebo napätie, ale prúd, ktorý v tejto súvislosti možno považovať za to, ako nízky odpor dráhy elektronického zariadenia na zemi je.

Ľudia, ktorí pracujú v oblasti elektroniky, sú zvyčajne na zemi uchytení pásmi na zápästie a / alebo zemnými pásmi. Nie sú "šortky" na uzemnenie; odpor je dimenzovaný tak, aby zabránil tomu, aby pracovníci slúžili ako bleskové tyče (ľahko sa poškodili elektrickým prúdom). Pásky na zápästie sú zvyčajne v rozsahu 1M Ohm, ale stále to umožňuje rýchle vybíjanie akejkoľvek nahromadenej energie. Kapacitné a izolované predmety spolu s akýmikoľvek inými náplňami vytvárajúcimi alebo skladujúcimi materiálmi sú izolované z pracovných priestorov, veci ako polystyrén, bublinkové fólie a plastové poháre.

Existujú doslova nespočetné množstvo ďalších materiálov a situácií, ktoré môžu viesť k poškodeniu ESD (od pozitívnych i negatívnych rozdielov v relatívnom náboji) k zariadeniu, kde samotné ľudské telo nenesie náboj "vnútorne", ale jednoducho uľahčuje jeho pohyb. Príkladom karikatúry by bolo nosenie sveterového svetre a ponožiek pri prechode cez koberec a následné zdvihnutie alebo dotýkanie sa kovového predmetu. To vytvára výrazne vyššie množstvo energie, ako by mohlo samo uložiť telo.

Jeden posledný bod o tom, koľko energie potrebuje na poškodenie modernej elektroniky. 10-metrový tranzistor (ešte nie je bežný, ale bude to v nasledujúcich rokoch) má hrúbku brány menej ako 6 nm, ktorá sa blíži tomu, čo nazýva monovrstva (jedna vrstva atómov).

Je to veľmi zložitý predmet a množstvo škôd, ktoré udalosť ESD môže spôsobiť zariadeniu, je ťažké predvídať kvôli obrovskému počtu premenných vrátane rýchlosti vypúšťania (koľko odporov je medzi nábojom a zemou) , počet ciest na zemi cez zariadenie, vlhkosť a okolité teploty a mnoho ďalších. Všetky tieto premenné môžu byť zapojené do rôznych rovníc, ktoré môžu modelovať náraz, ale nie sú strašne presné pri predpovedaní skutočných škôd, ale lepšie pri určovaní možných škôd z udalosti.

V mnohých prípadoch a to je veľmi špecifické pre priemysel (myslím lekárske alebo letecké), udalosť katastrofického zlyhania spôsobená ESD je oveľa lepší výsledok ako udalosť ESD, ktorá prechádza bezpredmetným spracovaním a testovaním. Neobmedzené udalosti ESD môžu spôsobiť veľmi malú chybu alebo možno mierne zhoršiť už existujúcu a nedetegovanú skrytú chybu, ktorá sa v obidvoch scenároch môže časom zhoršiť z dôvodu buď ďalších malých udalostí ESD alebo len bežného používania.

Výsledkom je katastrofické a predčasné zlyhanie zariadenia v umelo skrátenom časovom rámci, ktoré nemožno predpovedať modely spoľahlivosti (ktoré sú základom pre plány údržby a náhrady). Kvôli tomuto nebezpečenstvu a ľahko je možné myslieť na hrozné situácie (napríklad mikroprocesor alebo riadiace nástroje letu na kardiostimulátore), prísť s spôsobmi testovania a modelovania latentných porúch spôsobených ESD je hlavnou oblasťou výskumu práve teraz.

Pre spotrebiteľa, ktorý nepracuje ani nepozná veľa o výrobe elektroniky, nemusí to byť problém. V čase, keď je väčšina elektroniky balená na predaj, existuje veľa ochranných opatrení, ktoré by zabránili poškodeniu väčšiny ESD. Citlivé komponenty sú fyzicky neprístupné a sú k dispozícii pohodlnejšie cesty k zemi (tj počítačový podvozok je viazaný na zem, vybíjanie ESD do nej takmer určite nepoškodí procesor vo vnútri skrinky, ale namiesto toho má najnižšiu cestu odporu k uzemnite cez napájací zdroj a sieťový zdroj napájania). Alternatívne nie sú možné žiadne rozumné dráhy prenášania prúdu; veľa mobilných telefónov má nevodivé exteriéry a pri nabíjaní majú iba pozemnú cestu.

Pre záznam, musím absolvovať tréning ESD každé tri mesiace, aby som mohol pokračovať. Myslím si však, že by to malo stačiť na to, aby ste odpovedali na vašu otázku. Myslím si, že všetko v tejto odpovedi musí byť presné, ale rád by som vám odporučil, aby ste si ju priamo prečítali, aby ste sa lepšie oboznámili s týmto javom, ak som nezničil svoju zvedavosť pre dobro.

Jedna vec, ktorú ľudia považujú za protiintuitu, je to, že tašky, ktoré často vidíte v elektronike uloženej a dodanej (antistatické vrecká), sú tiež vodivé. Antistatické znamená, že materiál nebude zbierať žiadny zmysluplný náboj z interakcie s inými materiálmi. Ale vo svete ESD je rovnako dôležité (v čo najväčšom možnom rozsahu), aby všetko malo rovnaké referenčné hodnoty zemného napätia.

Pracovné plochy (ESD rohože), vrecká ESD a iné materiály sú typicky udržiavané viazané na spoločnú zem, buď jednoducho nemajú izolovaný materiál medzi nimi, alebo explicitnejšie zapojením nízkych odporových ciest do zeme medzi všetkými pracovnými lavicami; konektory pre pracovné pásy zápästia, podlahu a niektoré zariadenia. Tu sú bezpečnostné otázky. Ak pracujete s vysokými výbušninami a elektronikou, vaše pásmo zápästia by mohlo byť viazané priamo na zem, a nie na rezistor 1M Ohm. Ak pracujete s veľmi vysokým napätím, nemali by ste sa vôbec osadiť.

Tu je citát o nákladoch na ESD od spoločnosti Cisco, čo by mohlo byť trochu konzervatívne, pretože vedľajšie škody spôsobené zlyhaním poľa pre spoločnosť Cisco zvyčajne nevedú k stratám na živote, čo môže spôsobiť, že 100x odkazuje na poriadok :

Máte niečo doplniť vysvetlenie? Znie to v komentároch. Chcete sa dozvedieť viac odpovedí od iných používateľov technickej úrovne Stack Exchange? Pozrite sa na celý diskusný príspevok tu.