Je statická elektřina škoda stále obrovským problémem s elektronikou?

Všichni jsme slyšeli upozornění, abychom se ujistili, že jsme správně zakotveni při práci na našich elektronických zařízeních, ale pokroky v technologii zmenšily problém poškození statickou elektřinou nebo jsou stále stejně převládající jako předtím? Dnešní příspěvek SuperUser Q & A obsahuje komplexní odpověď na otázku zvědavého čtenáře.

Dnešní zasedání Otázky a odpovědi nás přichází s laskavým svolením SuperUser - podřízené rozdělení Stack Exchange, které je založeno na komunitě prostřednictvím skupin webových stránek.

Foto s laskavým svolením Jared Tarbell (Flickr).

Otázka

Superpočítač Reader Ricku chce vědět, zda poškození statické elektřiny je stále obrovským problémem s elektronikou:

Slyšel jsem, že statická elektřina byla velkým problémem před několika desetiletími. Je to stále velký problém? Věřím, že je zřídka, aby člověk mohl "smažit" počítačovou komponentu.

Je poškození statickou elektřinou stále obrovským problémem s elektronikou?

Odpověď

Příspěvek SuperUser Argonauts má pro nás odpověď:

V průmyslu je označován jako elektrostatický výboj (ESD) a je mnohem větší problém, než kdy bylo. ačkoli byla poněkud zmírněna poměrně nedávným rozsáhlým přijetím politik a postupů, které pomáhají snižovat pravděpodobnost poškození výrobků ESD. Bez ohledu na to má dopad na elektronický průmysl větší než mnoho jiných průmyslových odvětví.

Je to také obrovské studijní téma a velmi složité, takže se jen dotknu několika bodů. Pokud máte zájem, existuje mnoho bezplatných zdrojů, materiálů a webových stránek věnovaných tomuto tématu. Mnoho lidí věnuje svou kariéru této oblasti. Výrobky poškozené systémem ESD mají velmi reálný a velmi velký dopad na všechny společnosti zabývající se elektronikou, ať již jako výrobce, konstruktér, nebo "spotřebitel", a stejně jako mnoho věcí, které se v průmyslu zabývají, nás.

Z ESD asociace:

Vzhledem k tomu, že se zařízení a velikost jejich vlastností postupně zmenšují, stávají se náchylnějšími na poškození v důsledku ESD, což má smysl po trochu myšlení. Mechanická pevnost materiálů používaných k výrobě elektroniky obecně klesá s tím, jak se jejich velikost snižuje, stejně jako schopnost materiálu odolávat rychlým teplotním změnám, obvykle označovaným jako tepelná hmota (stejně jako u makroskopických objektů). Okolo roku 2003 byly nejmenší znaky v rozmezí 180 nm a nyní se blížíme rychlosti 10 nm.

ESD událost, která by před 20 lety byla neškodná, by mohla potenciálně zničit moderní elektroniku. U tranzistorů je materiál brány často obětí, ale jiné proudové nosné prvky mohou být také odpařovány nebo roztaveny. Pájka na kolících IC (povrchová montáž, která je ekvivalentní jako kuličková mřížka v dnešní době mnohem častější) na desce plošných spojů může být roztavena a samotný křemík má některé kritické vlastnosti (zejména jeho dielektrickou hodnotu), které mohou být měněny vysokým teplem . Celkově lze měnit obvod od polovodiče až po vždy-vodič, který obvykle končí jiskrou a špatnou vůní, když je čip zapnutý.

Menší velikosti znaků jsou téměř úplně pozitivní z většiny hledisek metrik; věci, jako je například provozní / hodinové rychlosti, které lze podpořit, spotřebu energie, těsné propojení výroby tepla apod., avšak citlivost na poškození, která by jinak byla považována za triviální množství energie, se také výrazně zvyšuje s tím,.

ESD ochrana je v současné době zabudována do mnoha elektronik, ale pokud máte 500 miliard tranzistorů v integrovaném obvodu, není problém vyřešit, jakou cestu statický výboj bude mít 100% jistotu.

Lidské tělo je někdy modelováno (lidský tělový model, HBM) jako má 100 až 250 picofarád kapacity. V tomto modelu se napětí může dostat stejně vysoko (v závislosti na zdroji) jako 25 kV (ačkoli někteří požadují pouze 3 kV). Použitím větších čísel by člověk měl "náboj" energie přibližně 150 milijulů. Plně "nabitý" člověk by o něm obvykle nevěděl a dostane se za zlomek vteřiny vyčerpán prostřednictvím první dostupné pozemní cesty, často elektronického zařízení.

Všimněte si, že tato čísla předpokládají, že osoba nemá oblečení schopné nést dodatečný poplatek, což je normální případ. Existují různé modely pro výpočet rizik ESD a energetických úrovní a velmi poměrně matoucí, protože se zdá, že se v některých případech navzájem odporují. Zde je odkaz na vynikající diskusi o mnoha normách a modelech.

Bez ohledu na konkrétní metodu, která se používá k výpočtu, není a jistě nezní jako moc energie, ale je více než dostatečné zničit moderní tranzistor. V kontextu je jeden joule energie ekvivalentní (podle Wikipedie) energii potřebné ke zvednutí středně velikého rajčete (100 gramů) o jeden metr vertikálně od povrchu Země.

To spadá na stranu "nejhoršího scénáře" události ESD pouze pro člověka, kde člověk nese náboj a vypouští ho do náchylného zařízení. Napětí, které je vysoké z relativně nízkého množství náboje, nastane, když je osoba velmi špatně uzemněna. Klíčovým faktorem toho, co a kolik se poškodí, není vlastně náboj nebo napětí, ale proud, který v tomto kontextu lze považovat za to, jak nízká je odolnost elektronického zařízení vůči zemi.

Lidé, kteří pracují v elektronice, jsou obvykle na nohou uzemněni popruhy na zápěstí a / nebo uzemňovacími pásky. Nejsou "šortky" pro uzemnění; odpor je dimenzován tak, aby zabránil tomu, aby pracovníci sloužili jako bleskojistky (snadno se dostanou k elektrickému záření). Pásky na zápěstí jsou typicky v rozsahu 1M Ohm, ale to stále umožňuje rychlé vybíjení jakékoliv nahromaděné energie. Kapacitní a izolované předměty společně s jakýmikoli jinými náboji vytvářejícími nebo skladujícími materiály jsou izolovány z pracovních oblastí, věci jako polystyren, bublinková fólie a plastové kelímky.

Existují doslova nespočet jiných materiálů a situací, které mohou způsobit poškození ESD (z pozitivních i negativních relativních rozdílů náboje) na zařízení, kde samotné lidské tělo nenese náboj "vnitřně", ale jen usnadňuje jeho pohyb. Příkladem příběhu karikatury by měl být oblečení vlněný svetr a ponožky při procházce kobercem a následné zvedání nebo dotýkání se kovového předmětu. To vytváří výrazně vyšší množství energie, než by samo o sobě mohlo uložit.

Jeden poslední bod o tom, jak málo energie potřebuje k poškození moderní elektroniky. 10nm tranzistor (který není dosud běžný, ale bude to v příštích několika letech) má tloušťku brány menší než 6 nm, která se blíží tomu, co říkají monovrstva (jediná vrstva atomů).

Jedná se o velmi složitý předmět a množství poškození, které může způsobit událost ESD na zařízení, je obtížné předvídat kvůli obrovskému počtu proměnných, včetně rychlosti vypouštění (kolik odporu existuje mezi nábojem a zemí) , počet cest k zemi přes zařízení, vlhkost a okolní teploty a mnoho dalších. Všechny tyto proměnné mohou být připojeny k různým rovnicím, které mohou modelovat náraz, ale zatím nejsou příliš přesné při předvídání skutečných škod, ale lépe při vytváření možného poškození z události.

V mnoha případech, a to je velmi specifické pro daný průmysl (přemýšlejte o lékařském nebo leteckém průmyslu), katastrofální selhání způsobené ESD je mnohem lepší výsledek než událost ESD, která prochází výrobou a testováním bez povšimnutí. Nepozorované události ESD mohou způsobit velmi malou vadu nebo snad lehce zhoršit již existující a nedetekovatelnou latentní vadu, která se v obou scénářích může časem zhoršovat z důvodu buď dalších malých událostí ESD, nebo jen běžného používání.

Výsledkem je katastrofální a předčasné selhání zařízení v umělém zkrácení časového rámce, které nelze předpovědět pomocí modelů spolehlivosti (které jsou základem pro údržbu a výměnu plánů). Kvůli tomuto nebezpečí je snadné myslet na hrozné situace (např. Mikroprocesor kardiostimulátoru nebo nástroje pro kontrolu letu), přichází s způsoby, jak testovat a modelovat latentní defekty způsobené ESD, je hlavní oblastí výzkumu právě teď.

Pro spotřebitele, který nepracuje nebo neví mnoho o výrobě elektroniky, se nemusí zdát problémem. V době, kdy je většina elektroniky balena k prodeji, existuje mnoho ochranných opatření, která by zabránila větším poškozením ESD. Citlivé součásti jsou fyzicky nepřístupné a jsou k dispozici pohodlnější cesty k zemi (tj. Počítačový podvozek je připevněn k zemi, vybíjení ESD do něj téměř jistě nepoškodí procesor uvnitř skříně, ale místo toho má nejnižší cestu odporu k zem napájecím zdrojem a napájecím zdrojem ve zdi). Alternativně nejsou možné žádné rozumné proudové cesty; mnoho mobilních telefonů má nevodivé exteriéry a při nabíjení mají pouze pozemní cestu.

K záznamu musím každý tři měsíce absolvovat školení ESD, takže mohu jen pokračovat. Domnívám se však, že by to mělo stačit k zodpovězení vaší otázky. Věřím, že všechno v této odpovědi je přesné, ale důrazně doporučuji, abyste si ji přímo přečetli, abyste se lépe seznámili s tímto jevem, pokud jsem nezničil svou zvědavost pro dobro.

Jedna věc, kterou lidé najdou proti-intuici, je to, že tašky, které často vidíte v elektronice uložené a dodané (antistatické sáčky), jsou také vodivé. Antistatické znamená, že materiál nebude shromažďovat žádný smysluplný náboj z interakce s jinými materiály. Ale ve světě ESD je stejně důležité (v co největší možné míře), že všechno má stejné referenční napětí na zemi.

Pracovní plochy (ESD rohože), ESD sáčky a další materiály jsou obvykle drženy vázány na společnou zem, buď prostě nemají izolovaný materiál mezi nimi, nebo více explicitně zapojením dráh s nízkým odporem do země mezi všemi pracovními stoly; konektory pro pracovní zápěstí, podlahu a některé zařízení. Tam jsou bezpečnostní otázky zde. Pokud pracujete s vysokými výbušninami a elektronikou, vaše zápěstní pásmo by mohlo být spojeno přímo se zemí, nikoliv s 1M Ohm rezistorem. Pokud pracujete s velmi vysokým napětím, vůbec byste se vůbec nezemřel.

Zde je citace na náklady ESD od společnosti Cisco, které by mohly být i trochu konzervativní, neboť vedlejší škody z selhání pole pro společnost Cisco obvykle nevedou ke ztrátě života, což může způsobit, že 100x odkazuje na řády velikosti :

Musíte něco přidat k vysvětlení? Vyjměte v komentářích. Chcete se dozvědět více odpovědí od ostatních uživatelů technologie Stack Exchange? Podívejte se na celý diskusní příspěvek zde.