Onko staattinen sähkövahinko edelleen valtava ongelma elektroniikassa?

Olemme kaikki kuulleet varoituksia varmistaaksemme, että olemme kunnolla maadoitettuina, kun työskentelemme sähköisten laitteidemme kanssa, mutta teknologian kehitys heikentää staattisen sähkövahingon ongelmaa vai onko se edelleen yhtä yleistä kuin aiemmin? Tänään SuperUser Q & Postilla on kattava vastaus utelias lukijan kysymykseen.

Päivän kysymys &Vastausistunto tulee meille kohteliaasti SuperUser-osastoon Stack Exchange, yhteisöllinen ryhmittely Q & A verkkosivuilla.

Kuva Jared Tarbellilta( Flickr).

Kysymys

SuperUser-lukija Ricku haluaa tietää, onko staattinen sähkövahinko edelleen valtava ongelma elektroniikan kanssa nyt:

Olen kuullut, että staattinen sähkö oli iso ongelma pari vuosikymmentä sitten. Onko se vielä iso ongelma nyt? Uskon, että on harvinaista, että henkilö "pudottaa" tietokoneen komponentti nyt.

Onko staattinen sähkövahinko edelleen suuri ongelma elektroniikan kanssa nyt?

Vastaus

SuperUser-avustaja Argonautsilla on vastaus meille:

Teollisuudessa sitä kutsutaan elektro-staattiseksi purkaukseksi( ESD) ja se on paljon enemmän ongelma kuin koskaan aikaisemmin.vaikka sitä on jonkin verran lieventänyt melko äskettäin hyväksytty politiikka ja menettelyt, jotka auttavat vähentämään ESD-tuotteiden todennäköistä vahinkoa. Riippumatta sen vaikutus elektroniikkateollisuuteen on suurempi kuin monet muut koko toimialat.

Se on myös valtava tutkimusaihe ja hyvin monimutkainen, joten kosketin vain muutamia kohtia. Jos olet kiinnostunut, on olemassa lukuisia vapaita lähteitä, materiaaleja ja aiheita. Monet ihmiset omistavat uransa tähän alueeseen. ESD: n vahingoittamilla tuotteilla on erittäin todellinen ja erittäin suuri vaikutus kaikkiin elektroniikkateollisuuden yrityksiin, olivatpa ne sitten valmistaja, suunnittelija tai "kuluttaja", ja kuten monet asiat käsittelivät teollisuudessa, sen kustannukset kulkeutuvatmeille.

ESD-yhdistyksestä:

Koska laitteet ja niiden ominaisuuksien koko pienenevät jatkuvasti, ne ovat alttiimpia ESD: n vahingoittumiselle, mikä on mielekästä hieman ajatuksen jälkeen. Elektroniikan rakentamiseen käytettyjen materiaalien mekaaninen lujuus vähenee yleensä niiden koon pienentyessä, samoin kuin materiaalin kyky vastustaa nopeita lämpötilamuutoksia, joita yleensä kutsutaan lämpömuotoisiksi( kuten makro-asteikko-olosuhteissa).Noin vuonna 2003 pienimmät piirikokot olivat 180 nm: n alueella ja nyt lähestymme nopeasti 10 nm.

ESD-tapahtuma, joka 20 vuotta sitten olisi ollut vaaratonta, voisi tuhota modernin elektroniikan. Transistoreissa porttimateriaali on usein uhri, mutta muut nykyiset kantoelementit voidaan höyrystää tai sulattaa. Juotos IC: n nastoilla( pintaliitos, joka on samanlainen kuin Ball Grid Array on paljon yleisempi näinä päivinä) PCB: ssä voidaan sulattaa ja piin itsessään on joitain kriittisiä ominaisuuksia( erityisesti sen dielektristä arvoa), joita voidaan muuttaa korkealla lämmöllä.Kaiken kaikkiaan se voi vaihtaa piirin puolijohteesta aina johdin, joka yleensä päättyy kipinä ja huono tuoksu, kun siru on kytketty päälle.

Pienemmät ominaiskokot ovat melkein täysin positiivisia useimmista metrijärjestelmän näkökulmista;kuten käyttö / kellonopeudet, joita voidaan tukea, virrankulutus, tiiviisti kytketty lämmöntuotto, jne., mutta herkkyys sille, mitä muutoin voitaisiin pitää triviaaleina energiamäärinä, kasvaa myös suuresti, kun ominaisuuskoko laskee.

ESD-suojaus on rakennettu moneen elektroniikkaan tänään, mutta jos sinulla on 500 miljardia transistoria integroituun piiriin, ei ole haitallista ongelmaa määrittää, millä polulla staattinen purkaus vie 100 prosentin varmuudella.

Ihmiskeho on joskus mallinnettu( ihmiskehon malli, HBM), jolla on 100-250 picofaradia kapasitanssia. Tässä mallissa jännite voi saada korkeinta( lähteestä riippuen) kuin 25 kV( vaikka jotkut väittävät vain korkeintaan 3 kV).Suurten numeroiden käyttämisellä henkilöllä olisi noin 150 millijoulea energiaa "lataus".Täysin "varautunut" henkilö ei tavallisesti tiedä sitä, ja se pääsee purkautumaan murto-osaan ensimmäisestä saatavilla olevasta maadoitusreitistä, usein elektronisesta laitteesta.

Huomaa, että nämä numerot olettavat, ettei henkilö ole pukeutunut vaatteisiin, jotka pystyvät kantamaan lisämaksua, mikä yleensä tapahtuu. ESD-riskien ja energiatasojen laskentaan on olemassa erilaisia ​​malleja, jotka ovat melko hämmentyneitä hyvin nopeasti, koska ne näyttävät olevan ristiriidassa toistensa kanssa joissakin tapauksissa. Tässä on linkki monien standardien ja mallien erinomaiseen keskusteluun.

Riippumatta sen laskemiseen käytetystä erityismenetelmästä, se ei ole eikä varmasti ole paljon energiaa, mutta nykyaikaisen transistorin tuhoaminen on enemmän kuin tarpeellista. Kontekstissa yksi energia joule vastaa Wikipediasta energiaa, joka tarvitaan keskisuurten tomaattien( 100 grammaa) yhden metrin nostamaan pystysuoraan maapallon pinnalta.

Tämä kuuluu ihmisen ainoan ESD-tapahtuman "pahin skenaario" -puoliin, jossa ihminen kantaa latauksen ja purkaa sen alttiiksi laitteeksi. Suhteellisen alhaisen varaustason korkea jännite ilmenee, kun henkilö on hyvin huonosti maadoitettu. Keskeinen tekijä siitä, mitä ja kuinka paljon vaurioituu, ei ole itse asiassa lataus tai jännite vaan nykyinen, mikä tässä yhteydessä voidaan ajatella kuinka vähäinen elektroniikkalaitteen polun maastoon kohdistuva vastus on.

Elektroniikan ympärillä työskentelevät ihmiset ovat yleensä maadoitettuja rantehihnoilla ja / tai maadoitushihoilla jaloillaan. Ne eivät ole "shortsit" maadoitukseen;vastus on mitoitettu estämään työntekijöitä toimimasta salamoina( helposti sähköiskun alla).Rannebändit ovat tyypillisesti 1M Ohm-alueella, mutta silti mahdollistaa minkä tahansa kertyneen energian nopean purkautumisen. Kapasitiiviset ja eristetyt esineet ja muut materiaalien tuottamiseen tai säilyttämiseen liittyvät varaukset erotetaan työalueista, kuten polystyreeniä, kuplivääriä ja muovikupoja.

On olemassa kirjaimellisesti lukemattomia muita materiaaleja ja tilanteita, jotka voivat johtaa ESD-vaurioihin( sekä positiivisista että negatiivisista suhteellisista varauksista) laitteeseen, jossa ihmiskeho ei itse kanna maksua "sisäisesti" vaan vain helpottaa sen liikkumista. Sarjakuvatasolla esimerkki olisi villapusero ja sukat kävellessäsi maton yli, sitten noutamaan tai koskettamaan metalliesineitä.Se luo huomattavasti suuremman määrän energiaa kuin itse laitos voisi tallentaa.

Viimeinen kohta siitä, kuinka vähän energiaa se tarvitsee vaurioittaa nykyaikaista elektroniikkaa.10 nm: n transistori( ei ole vielä yhteinen, mutta seuraavien parien vuosien aikana) on portin paksuus alle 6 nm, joka lähestyy sitä, mitä he kutsuvat yksikerrokseksi( yksi kerros atomeja).

Se on hyvin monimutkainen aihe ja vahinko, jonka ESD-tapahtuma voi aiheuttaa laitteelle, on vaikea ennustaa johtuen valtavasta muuttujamäärästä, mukaan lukien purkautumisnopeus( kuinka paljon vastetta on latauksen ja maadoituksen välillä), polkujen määrän maaperään laitteen läpi, kosteus ja ympäristön lämpötilat ja paljon muuta. Kaikki nämä muuttujat voidaan liittää erilaisiin yhtälöihin, jotka voivat mallintaa vaikutuksen, mutta eivät ole kovin tarkkoja ennakoivan todellista vahinkoa vielä, mutta paremminkin mahdollisen vahingon määrittelystä tapahtumasta.

Monissa tapauksissa, ja tämä on hyvin teollisuuskohtaista( ajattele lääketieteellistä tai avaruusteollisuutta), ESD: n aiheuttama katastrofaalinen vika -tapahtuma on paljon parempi tulos kuin ESD-tapahtuma, joka kulkee valmistuksen ja testaamisen kautta huomaamatta. Huomattamattomat ESD-tapahtumat voivat aiheuttaa hyvin vähäisen virheen tai ehkä hieman pahentaa olemassa olevaa ja havaitsematonta piilevää vikaa, joka kummassakin skenaariossa voi pahentua ajan mittaan joko pienempien ESD-tapahtumien tai vain säännöllisen käytön vuoksi.

Ne aiheuttavat viime kädessä laitteen katastrofaalisen ja ennenaikaisen vaurioitumisen keinotekoisesti lyhennetyssä aikakehyksessä, jota ei voida ennakoida luotettavuusmalleilla( jotka ovat huolto- ja korvaussuunnitelmien perustana).Tämän vaaran vuoksi, ja on helppo kuvitella kauhistuttavia tilanteita( esim. Sydämentahdistimen mikroprosessori tai lennonohjausinstrumentit), jotka tulevat esiin tapoja testata ja mallintaa latentteja ESD-indusoituja vikoja, on tärkeä tutkimusalue juuri nyt.

Kuluttajalle, joka ei toimi tai tietää paljon elektroniikan valmistuksesta, se ei välttämättä ole ongelma. Kun suurin osa elektroniikasta pakataan myyntiin, on olemassa lukuisia suojalausekkeita, jotka estäisivät useimmat ESD-vauriot. Herkät komponentit ovat fyysisesti esteettömiä ja käytettävissä on käteviä polkuja( eli tietokoneen runko on sidottu maahan, ESD: n purkautuminen siihen lähes varmasti ei vahingoita prosessorin sisäistä koteloa, vaan ottaa sen sijaan pienimmän vastusreitinmaahan syöttöjännitteen ja seinäpistorasian kautta).Vaihtoehtoisesti ei ole mahdollista järkevää kantavuutta.monilla matkapuhelimilla ei ole johtavia ulkotiloja ja niillä on vain maaportaita, kun niitä ladataan.

Minun on mentävä läpi ESD-koulutus joka kolmas kuukausi, joten voin vain jatkaa. Mielestäni tämän pitäisi riittää vastaamaan kysymykseesi. Uskon kaiken tämän vastauksen olevan täsmällinen, mutta suosittelen ehdottomasti lukea sitä suoraan, jotta voisin tutustua paremmin ilmiöön, jos en ole tuhonnut uteliaisuutesi hyväksi.

Yksi asia, jota ihmiset löytävät vasta-intuitiiviselta, on, että pussit, joita usein pidät elektroniikan varastoimisessa ja toimittamisessa( antistaattiset pussit), ovat myös johtavat. Antistaattinen tarkoittaa, että materiaali ei kerää mielekästä maksua vuorovaikutuksessa muiden materiaalien kanssa. Mutta ESD-maailmassa on yhtä tärkeää( mahdollisimman paljon), että kaikilla on sama maadoitusjännite.

Työpinnat( ESD-matot), ESD-laukut ja muut materiaalit ovat tyypillisesti sidoksissa yhteiseen maahan, joko yksinkertaisesti ilman eristettyä materiaalia niiden välillä tai tarkemmin, kun johdotetaan matala vastusreitti maahan kaikkien työpenkkien;työntekijöiden rannebändien, lattian ja joidenkin laitteiden liittimet. Tässä on turvallisuuskysymyksiä.Jos työskentelet suurilla räjähdysaineilla ja elektroniikassa, rannebändi saattaa olla sidottu suoraan maahan 1M ohmia vasten. Jos työskentelet erittäin korkealla jännitteellä, et luota itseesi ollenkaan.

Tässä on lainaus Ciscon ESD: n kustannuksista, mikä voi olla jopa hieman konservatiivinen, koska Cisco-järjestelmän kenttävaurioista aiheutuva vakuuttava vahinko ei yleensä johda elämän menetykseen, mikä voi nostaa 100x: n tilaustenmagnitude:

Onko jotain lisättävä selitykseen? Kuulkaa kommentit. Haluatko lukea lisää vastauksia muilta tech-tajuilta Stack Exchange-käyttäjiltä?Katso koko keskusteluketju täältä.