Статичната електроенергия все още ли е голям проблем с електрониката?

Всички ние сме чували предупрежденията, за да сме сигурни, че сме правилно обосновани, когато работим по нашите електронни устройства, но имаме напредък в технологиите, намалил проблема със статичното електричество или все още е толкова разпространен, както преди? Днешната публикация за въпроси и отговори SuperUser има изчерпателен отговор на един любопитен въпрос на читателя.

Днешната сесия за въпроси и отговори идва при нас с любезното съдействие на SuperUser - подразделение на Stack Exchange, групирано от общността уеб сайтове за въпроси и отговори.

Снимката е предоставена от Джаред Тарбел (Flickr).

Въпроса

Читателят на суперпотребителя Ricku иска да разбере дали повредата от статичното електричество все още е огромен проблем с електрониката:

Чувал съм, че статичното електричество е голям проблем преди няколко десетилетия. Все още ли е голям проблем сега? Смятам, че рядко човек може да „изпържи“ компютърен компонент сега.

Сега статичното електричество все още е голям проблем с електрониката?

Отговорът

Сътрудникът на SuperUser Argonauts има отговор за нас:

В индустрията, тя се нарича Електростатично освобождаване от отговорност (ESD) и сега е много по-голям проблем, отколкото някога; въпреки че донякъде бе смекчен от сравнително скорошното широко разпространено приемане на политики и процедури, които спомагат за намаляване на вероятността от увреждане на ESD върху продуктите. Независимо от това, въздействието му върху електронната индустрия е по-голямо от много други цели индустрии.

Също така е и огромна тема за изучаване и много сложна, така че просто ще докосна няколко точки. Ако се интересувате, има многобройни безплатни източници, материали и уебсайтове, посветени на темата. Много хора посвещават своята кариера в тази област. Продуктите, повредени от ESD, имат много реално и много голямо въздействие върху всички компании, занимаващи се с електроника, независимо дали е като производител, дизайнер или „потребител“ и както много неща, разглеждани в дадена индустрия, разходите му се предават на нас.

От Асоциацията на ESD:

Тъй като устройствата и размерите на техните функции постоянно стават по-малки, те стават по-податливи на повреда от ESD, което има смисъл след малко мисъл. Механичната якост на материалите, използвани за изграждане на електроника, като цяло намалява, тъй като размерът им намалява, както и способността на материала да устои на бързите температурни промени, обикновено наричани термична маса (точно както при макромащабните обекти). Около 2003 г. най-малките размери на характеристиките бяха в диапазона от 180 nm и сега се приближаваме бързо към 10 nm.

Едно ESD събитие, което преди 20 години би било безвредно, може потенциално да унищожи съвременната електроника. При транзисторите, материалът на вратата често е жертва, но други тоководещи елементи могат да бъдат изпарени или разтопени. Припой на щифтове на IC (повърхностен еквивалент, подобен на Ball Grid Array са много по-често срещани в наши дни) на PCB може да се разтопи, а самият силиций има някои критични характеристики (особено диелектричната му стойност), които могат да се променят при висока температура , Взети общо, той може да промени веригата от полупроводник до винаги проводник, който обикновено завършва с искра и лоша миризма, когато чипът е включен.

По-малките размери на функциите са почти изцяло положителни от повечето гледни точки на показателите; неща като операционни / тактови скорости, които могат да бъдат поддържани, консумация на енергия, плътно свързано генериране на топлина и т.н., но чувствителността към щети от това, което иначе би се смятало за тривиални количества енергия също значително се увеличава с намаляването на размера на функцията.

ESD защитата е вградена в много електроника днес, но ако имате 500 милиарда транзистора в интегрална схема, не е проблем да се определи какъв път на статичен разряд ще отнеме със 100 процента сигурност.

Човешкото тяло понякога се моделира (модел на човешкото тяло; HBM) като имащ 100 до 250 пикофарада капацитет. В този модел, напрежението може да достигне толкова високо (в зависимост от източника), колкото 25 kV (въпреки че някои твърдят, че достигат само 3 kV). Използвайки по-големите числа, човекът би имал „зареждащ“ енергия от около 150 милиджаула. Напълно „зареденият“ човек обикновено не би бил наясно с него и той се освобождава за част от секундата през първата налична пътна настилка, често електронно устройство.

Имайте предвид, че тези числа предполагат, че лицето не носи облекло, което може да носи допълнителна такса, което обикновено е случаят. Съществуват различни модели за изчисляване на ESD риска и енергийните нива и то става доста объркващо много бързо, тъй като в някои случаи те изглежда си противоречат. Това е връзка към отлично обсъждане на много от стандартите и моделите.

Независимо от специфичния метод, използван за изчисляването му, той не е и със сигурност не звучи като много енергия, но е повече от достатъчен за унищожаване на модерен транзистор. За контекст една джоул енергия е еквивалентна (според Уикипедия) на енергията, необходима за повдигане на среден домат (100 грама) на един метър вертикално от повърхността на Земята.

Това пада върху „най-лошия сценарий” от самото човешко ESD събитие, където човекът носи такса и го изхвърля в чувствително устройство. Напрежението, което е високо при относително ниско ниво на зареждане, се появява, когато лицето е много слабо заземено. Ключов фактор за това какво и колко ще се повреди е всъщност не таксата или напрежението, а тока, което в този контекст може да се мисли за това колко ниско е съпротивлението на пътя на електронното устройство към земята..

Хората, които работят около електрониката, обикновено са заземени с ленти за китката и / или ремъци за заземяване на краката си. Те не са “къси панталони” за заземяване; Съпротивлението е оразмерено, за да предотврати работата на работниците като гръмоотводи (лесно да се удари ток). Лентите на китката обикновено са в диапазона от 1M ома, но това все още позволява бързото разреждане на всяка акумулирана енергия. Капацитетните и изолираните елементи, заедно с други материали за генериране или съхранение на такси, са изолирани от работните зони, като полистирол, обвивка с балон и пластмасови чаши..

Има буквално безброй други материали и ситуации, които могат да доведат до ESD увреждане (от положителни и отрицателни относителни зарядни разлики) до устройство, където самото човешко тяло не носи такса “вътрешно”, а просто улеснява неговото движение. Пример за анимационен филм би бил носенето на вълнен пуловер и чорапи, докато се ходи по килим, след това се вдига или докосва метален предмет. Това създава значително по-голямо количество енергия, отколкото самото тяло може да съхранява.

Една последна точка за това колко малко енергия е необходимо, за да се повреди съвременната електроника. А 10 nm транзистор (все още не е общ, но ще бъде в следващите няколко години) има дебелина на вратата по-малка от 6 nm, която се доближава до това, което те наричат ​​монослой (един слой от атоми).

Това е много сложен обект, а размерът на щетите, причинени от ESD събитие на устройство, е трудно да се предскаже поради огромния брой променливи, включително скоростта на разтоварване (колко съпротивление има между заряда и земята). броя на пътищата към земята през устройството, влажността и температурата на околната среда и много други. Всички тези променливи могат да бъдат включени в различни уравнения, които могат да моделират въздействието, но те не са много точни при предсказване на действителните щети, но по-добре да очертаят възможните щети от събитие..

В много случаи, и това е много специфична за индустрията (помислете за медицински или аерокосмически), катастрофичното събитие, предизвикано от ESD, е далеч по-добър резултат от ESD събитие, което преминава през незабелязано производство и тестване. Незабелязаните ESD събития могат да създадат много малък дефект, или може би леко да влошат съществуващ и неоткрит латентен дефект, който и в двата сценария може да се влоши с течение на времето поради допълнителни незначителни ESD събития или просто редовно използване..

Те в крайна сметка водят до катастрофално и преждевременно разрушаване на устройството в изкуствено съкратен период от време, който не може да бъде предвиден от моделите за надеждност (които са в основата на графиците за поддръжка и замяна). Поради тази опасност и е лесно да се мисли за ужасни ситуации (например микропроцесор за пейсмейкър или инструменти за управление на полета), които предлагат начини за тестване и моделиране на скрити дефекти, предизвикани от ESD, е основна област на изследване в момента.

За потребител, който не работи или знае много за производството на електроника, може да не изглежда да е проблем. По времето, когато повечето електроника са опаковани за продажба, съществуват многобройни предпазни мерки, които биха предотвратили повечето ESD щети. Чувствителните компоненти са физически недостъпни и са достъпни по-удобни пътеки към земята (т.е. компютърното шаси е свързано с земята, изхвърлянето на ESD в него почти със сигурност няма да повреди процесора вътре в кутията, а вместо това да поеме най-ниския път на съпротивление към заземяване чрез захранващия източник и източника на захранване). Алтернативно, не са възможни разумни токови носещи пътища; много мобилни телефони имат непроводими външни части и имат само път на заземяване, когато се зареждат.

За протокола, трябва да преминавам през тренировки за ОУР на всеки три месеца, за да мога да продължа. Но мисля, че това трябва да е достатъчно, за да отговорим на въпроса ви. Вярвам, че всичко в този отговор е точно, но аз силно бих препоръчал да го прочетете директно, за да се запознаете по-добре с това явление, ако не съм унищожил вашето любопитство за добро.

Едно нещо, което хората намират за контра-интуитивно е, че чантите, които често виждате в електрониката, които се съхраняват и изпращат в (антистатични торби), също са проводими. Антистатичният означава, че материалът няма да събира никаква значима такса от взаимодействие с други материали. Но в света на ESD е също толкова важно (до възможно най-голяма степен), че всичко има същото позоваване на напрежението на земята.

Работните повърхности (ESD mats), ESD торбички и други материали обикновено се държат привързани към обща основа, или просто като не са изолирани материали между тях, или по-ясно чрез окабеляване на ниско съпротивление пътища към земята между всички работни пейки; конекторите за лентите на китката на работниците, пода и някои съоръжения. Тук има проблеми с безопасността. Ако работите около високи експлозиви и електроника, лентата на китката може да бъде свързана директно към земята, а не с резистор от Ом. Ако работите около много високо напрежение, изобщо няма да се заземите.

Ето един цитат за разходите на ESD от Cisco, който може дори да е малко консервативен, тъй като допълнителните щети от откази на място за Cisco обикновено не водят до загуба на човешки живот, което може да повиши тази 100x по-малка стойност :

Имате ли какво да добавите към обяснението? Звучи в коментарите. Искате ли да прочетете повече отговори от други технологични потребители на Stack Exchange? Вижте пълната тема за дискусия тук.