Je li statična šteta za električnu energiju još uvijek veliki problem s elektronikom?

Svi smo čuli upozorenja kako bismo bili sigurni da smo ispravno utemeljeni kada radimo na našim elektroničkim uređajima, ali napredak u tehnologiji smanjio je problem štete od statičkog elektriciteta ili je i dalje prisutan kao i prije? Današnja postova s ​​pitanjima o odgovorima korisnika imaju sveobuhvatan odgovor na pitanje znatiželjnog čitatelja.

Današnja sesija pitanja i odgovora dolazi nam ljubaznošću SuperUser-a, podjele Stack Exchangea, grupiranja web-lokacija za pitanja i odgovore u zajednici.

Fotografija zahvaljujući Jaredu Tarbellu (Flickr).

Pitanje

Čitač SuperUser Ricku želi znati je li oštećenje statičkog elektriciteta još uvijek veliki problem s elektronikom:

Čuo sam da je statički elektricitet bio veliki problem prije nekoliko desetljeća. Je li još uvijek veliki problem? Vjerujem da je rijetkost da osoba sada "prži" kompjutorsku komponentu.

Je li oštećenje statičkog elektriciteta još uvijek veliki problem s elektronikom?

Odgovor

Odgovorni suradnik SuperUser Argonaut ima odgovor za nas:

U industriji, to se naziva elektro-statičkim pražnjenjem (ESD) i sada je daleko veći problem nego što je ikada bio; iako je donekle ublažena nedavno široko prihvaćenim politikama i postupcima koji pomažu smanjiti vjerojatnost oštećenja ESD-a na proizvode. Bez obzira na to, njegov utjecaj na elektroničku industriju veći je od mnogih drugih cjelokupnih industrija.

To je također velika tema proučavanja i vrlo složena, pa ću samo dotaknuti nekoliko točaka. Ako ste zainteresirani, postoje brojni besplatni izvori, materijali i web stranice posvećene toj temi. Mnogi ljudi svoje karijere posvećuju ovom području. Proizvodi oštećeni ESD-om imaju vrlo stvaran i vrlo velik utjecaj na sve tvrtke uključene u elektroniku, bilo da se radi o proizvođaču, dizajneru ili „potrošaču“, a kao i mnoge druge stvari u industriji, njezini se troškovi prenose na nas.

Iz Udruge za ESD:

Kako uređaji i veličina njihovih značajki postaju sve manji, oni postaju osjetljiviji na oštećenja zbog ESD-a, što ima smisla nakon malo razmišljanja. Mehanička čvrstoća materijala koji se koristi za izradu elektronike općenito se smanjuje kako se njihova veličina smanjuje, kao i sposobnost materijala da se odupre brzim temperaturnim promjenama, koje se obično nazivaju toplinska masa (baš kao i kod makroskopskih objekata). Oko 2003. Godine najmanji su bili u rasponu od 180 nm i sada se brzo približavamo 10 nm.

ESD događaj koji je prije 20 godina bio bezopasan mogao bi potencijalno uništiti modernu elektroniku. Na tranzistorima, materijal vrata često je žrtva, ali i drugi elementi koji prenose struju mogu se također ispariti ili istopiti. Lemljenje na IC-pinovima (ekvivalentno površinskom montiranju kao što je Ball Grid Array) mnogo je češće ovih dana) na PCB-u se može rastopiti, a sam silicij ima neke kritične karakteristike (posebno dielektrične vrijednosti) koje se mogu mijenjati visokom temperaturom , Sve u svemu, može promijeniti krug od polu-vodiča do uvijek-vodiča, koji se obično završava iskrom i lošim mirisom kada se čip uključi.

Manje veličine značajki gotovo su potpuno pozitivne u većini perspektiva mjerenja; stvari kao što su radna / taktna brzina koja se može podržati, potrošnja energije, čvrsto povezivanje proizvodnje topline, itd., ali osjetljivost na oštećenje od onoga što bi se inače smatralo trivijalnim količinama energije također se uvelike povećava kako se veličina značajke smanjuje.

ESD zaštita je ugrađena u mnoge elektronike danas, ali ako imate 500 milijardi tranzistora u integriranom krugu, to nije problem koji se može riješiti kako bi se utvrdilo koji put statičkog pražnjenja će trajati sa 100 posto sigurnosti.

Ljudsko tijelo se ponekad modelira (model ljudskog tijela; HBM) kao da ima 100 do 250 picofarada kapacitivnosti. U tom modelu napon može biti visok (ovisno o izvoru) kao 25 ​​kV (iako neki tvrde samo do 3 kV). Koristeći veće brojeve, osoba bi imala “naboj” energije od približno 150 miljouula. Potpuno "napunjena" osoba to obično ne bi bila svjesna i ona bi se ispraznila u djeliću sekunde kroz prvi slobodni put zemlje, često elektronički uređaj.

Imajte na umu da ovi brojevi pretpostavljaju da osoba ne nosi odjeću koja može nositi dodatnu naknadu, što je inače slučaj. Postoje različiti modeli za izračunavanje ESD rizika i energetskih razina, i vrlo brzo postaje zbunjujuće, budući da se u nekim slučajevima čine suprotnim. Ovdje je link na izvrsnu raspravu o mnogim standardima i modelima.

Bez obzira na specifičnu metodu kojom se izračunava, nije, i zasigurno ne zvuči kao mnogo energije, ali je više nego dovoljno za uništenje modernog tranzistora. Za kontekst, jedan joule energije je ekvivalentan (prema Wikipediji) energiji koja je potrebna za podizanje srednje veličine rajčice (100 grama) jednog metra okomito s površine Zemlje.

To pada na "najgori scenarij" na strani ljudskog ESD događaja, gdje čovjek nosi naboja i ispušta ga u osjetljivi uređaj. Napon koji je visok od relativno male količine naboja javlja se kada je osoba vrlo slabo uzemljena. Ključni čimbenik u tome što i koliko se oštećuje zapravo nije naboj ili napon, već struja, što se u ovom kontekstu može smatrati kako je niska otpornost puta elektroničkog uređaja na tlo.

Ljudi koji rade oko elektronike obično su uzemljeni s trakama za zglob i / ili trakama za uzemljenje na nogama. Oni nisu “kratki” za uzemljenje; Otpor je dimenzioniran da spriječi radnike da služe kao gromobrani (lako dobivanje strujnog udara). Trake za zglob obično su u rasponu od 1M Ohma, ali još uvijek omogućuju brzo pražnjenje bilo koje akumulirane energije. Kapacitivni i izolirani predmeti zajedno s drugim materijalima koji stvaraju ili skladište su izolirani od radnih područja, kao što su polistiren, omotač mjehurića i plastične čaše.

Postoje doslovno nebrojeni drugi materijali i situacije koje mogu rezultirati oštećenjem ESD-a (od pozitivnih i negativnih relativnih razlika u naboju) do uređaja u kojem ljudsko tijelo ne nosi naboj “interno”, već samo olakšava njegovo kretanje. Primjer na razini crtanih filmova bio bi nošenje vunenog džempera i čarapa dok bi se hodalo po tepihu, a zatim podizanje ili dodirivanje metalnog predmeta. To stvara znatno veću količinu energije nego što bi tijelo moglo pohraniti.

Jedna posljednja točka o tome koliko malo energije treba da bi se oštetila moderna elektronika. Tranzistor od 10 nm (još nije uobičajeno, ali bit će u narednih nekoliko godina) ima debljinu vrata manja od 6 nm, koja se približava onome što oni nazivaju monosloj (jedan sloj atoma).

To je vrlo složen predmet, a količina štete koju ESD događaj može prouzročiti uređaju teško je predvidjeti zbog velikog broja varijabli, uključujući brzinu pražnjenja (koliko otpora postoji između naboja i tla). , broj putova do tla kroz uređaj, vlažnost i temperature okoline, i još mnogo toga. Sve ove varijable mogu se uključiti u različite jednadžbe koje mogu modelirati utjecaj, ali nisu pretjerano točne u predviđanju stvarne štete, ali bolje pri određivanju moguće štete zbog događaja.

U mnogim slučajevima, a to je vrlo specifično za industriju (mislim medicinski ili zrakoplovni), ESD-inducirani katastrofalni događaj je daleko bolji rezultat od ESD događaja koji prolazi kroz proizvodnju i testiranje nezapaženo. Neobjašnjivi ESD događaji mogu stvoriti vrlo manji nedostatak, ili možda malo pogoršati postojeći i neotkriveni latentni defekt, koji se u oba scenarija može pogoršati tijekom vremena uslijed dodatnih manjih ESD događaja ili samo redovite upotrebe.

Oni u konačnici rezultiraju katastrofalnim i prijevremenim otkazivanjem uređaja u umjetno skraćenom vremenskom okviru koji se ne može predvidjeti modelima pouzdanosti (koji su osnova za planove održavanja i zamjene). Zbog ove opasnosti, a lako se može sjetiti strašnih situacija (primjerice mikroprocesor ili instrument za kontrolu leta u pejsmejkeru), kako doći do načina testiranja i modeliranja latentnih ESD-induciranih defekata, trenutno je glavno područje istraživanja..

Za potrošače koji ne rade ili znaju mnogo o proizvodnji elektronike, to možda nije problem. Do trenutka kada se većina elektronike pakira za prodaju, postoje brojne mjere zaštite koje bi spriječile većinu ESD oštećenja. Osjetljive komponente su fizički nepristupačne i dostupne su prikladnije staze za tlo (npr. Kućište računala je vezano za tlo, pražnjenje ESD-a gotovo sigurno neće oštetiti CPU u kućištu, već umjesto toga uzeti najnižu putanju otpora do uzemljenje putem izvora napajanja i zidne utičnice). Alternativno, nisu mogući razumni strujni putovi; mnogi mobilni telefoni imaju vanjske vodove koji nisu vodljivi i imaju samo putanju uzemljenja kada se naplaćuju.

Da se zna, moram proći ESD trening svaka tri mjeseca, tako da mogu nastaviti. Ali mislim da bi ovo trebalo biti dovoljno za odgovor na vaše pitanje. Vjerujem da je sve u ovom odgovoru točno, ali ja bih jako savjetovao da ga pročitate kako bi se bolje upoznali s pojavom ako nisam uništio vašu radoznalost.

Jedna stvar koju ljudi smatraju protu-intuitivnim je to što su vrećice koje često gledate pohranjene i otpremljene (antistatičke vrećice) također provodljive. Anti-statički znači da materijal neće prikupljati nikakvu značajnu naknadu iz interakcije s drugim materijalima. No, u ESD svijetu, jednako je važno (u najvećoj mogućoj mjeri) da sve ima isti referentni napon.

Radne površine (ESD mats), ESD torbe i drugi materijali se obično drže vezani za zajedničko tlo, ili jednostavno nemajući izolirani materijal između njih, ili eksplicitnije ožičenjem putova niskog otpora do tla između svih radnih stolova; konektore za radne trake za zglobove, pod i neku opremu. Ovdje postoje sigurnosni problemi. Ako radite oko visokih eksploziva i elektronike, vaš ručni pojas može biti vezan izravno za tlo, a ne otpornik od 1M Ohma. Ako radite oko vrlo visokog napona, nećete se uopće uzemljiti.

Slijedi citat o troškovima ESD-a tvrtke Cisco, koji bi mogli biti pomalo konzervativni, jer kolateralna šteta od kvarova na terenu za Cisco obično ne rezultira gubitkom života, što može povećati broj od 100x koji se odnosi na red veličine :

Imate li što dodati objašnjenju? Zvuk isključen u komentarima. Želite li pročitati više odgovora od drugih tehničkih korisnika Stack Exchangea? Pogledajte cjelokupnu temu za raspravu ovdje.