28Aug

Är statisk elektricitetskada fortfarande ett enormt problem med elektronik?

click fraud protection

Alla vi har hört varningarna för att se till att vi är ordentligt jordade när vi arbetar på våra elektroniska enheter, men har tekniska framsteg minskat problemet med statisk elektriskt skada eller är det fortfarande så vanligt som tidigare? Dagens SuperUser Q & A-inlägg har ett omfattande svar på en nyfiken läsarens fråga.

Dagens fråga &Svarssession kommer till oss med tillstånd av SuperUser-en indelning av Stack Exchange, en community-driven gruppering av Q & A-webbplatser.

Foto med tillstånd av Jared Tarbell( Flickr).

Frågan

SuperUser-läsare Ricku vill veta om statisk elektriskt skador fortfarande är ett enormt problem med elektronik nu:

Jag har hört att statisk elektricitet var ett stort problem för några decennier sedan.Är det fortfarande ett stort problem nu? Jag tror att det är sällsynt för en person att "steka" en dator komponent nu.

Är statisk elektriskt skador fortfarande ett stort problem med elektroniken nu?

Svaret

SuperUser-bidragare Argonauts har svaret för oss:

instagram viewer

I branschen kallas det elektrostatisk utladdning( ESD) och är det mycket mer av ett problem nu än någonsinäven om det har mildrats något genom den ganska nyligen utbredda antagandet av policyer och förfaranden som bidrar till att minska sannolikheten för ESD-skada på produkter. Oavsett dess påverkan på elektronikindustrin är större än många andra hela branscher.

Det är också ett stort studieämne och väldigt komplext, så jag kommer bara att röra några punkter. Om du är intresserad finns det många fria källor, material och webbplatser som är dedikerade till ämnet. Många människor ägnar sig åt sina karriärer till detta område. Produkter som skadas av ESD har en mycket verklig och mycket stor inverkan på alla företag som är involverade i elektronik, vare sig det är tillverkare, designer eller "konsument" och som många saker som behandlas i en bransch, överförs kostnaden tilloss.

Från ESD Association:

Eftersom enheter och storleken på deras funktioner blir kontinuerligt mindre, blir de mer mottagliga för att skadas av ESD, vilket är meningslöst efter lite tanke. Den mekaniska hållfastheten hos de material som används för att bygga elektronik går allmänt ned i takt med att deras storlek minskar, liksom materialets förmåga att motstå snabba temperaturförändringar, vanligen kallad termisk massa( precis som i makroskalaobjekt).Cirka 2003 var de minsta funktionsstorlekarna i 180 nm-intervallet och nu närmar vi sig snabbt 10 nm.

En ESD-händelse som för 20 år sedan skulle ha varit ofarlig kan potentiellt förstöra modern elektronik. På transistorer är portmaterialet ofta offer, men andra strömbärande element kan också förångas eller smälta. Lödd på en IC-stift( en ytmonteringslikvivalent som en kullristarray är mycket vanligare idag) på en PCB kan smältas och kiseln i sig har vissa kritiska egenskaper( särskilt dess dielektriska värde) som kan ändras med hög värme. Taget helt och hållet kan det ändra kretsen från en halvledare till en alltid ledare, som vanligtvis slutar med en gnista och en dålig lukt när chipet är påslagen.

Mindre funktioner är nästan helt positiva från de flesta mätperspektiv;saker som drift / klockhastighet som kan stödjas, strömförbrukning, tätkopplad värmeproduktion etc. men känsligheten för skador från vad som annars skulle betraktas som triviala energimängder ökar också kraftigt då funktionsstorleken går ner.

ESD-skydd är inbyggt i många elektronik idag, men om du har 500 miljarder transistorer i en integrerad krets är det inte ett trakabelt problem att bestämma vilken väg statisk urladdning tar med 100 procent säkerhet.

Människokroppen är ibland modellerad( Människokroppsmodell, HBM) som har 100 till 250 picofarader av kapacitans. I den modellen kan spänningen bli så hög( beroende på källa) som 25 kV( även om vissa endast kräver så höga som 3 kV).Med hjälp av de större siffrorna skulle personen ha en energi "laddning" på ca 150 millijoules. En helt "laddad" person skulle inte typiskt vara medveten om det och det släpps ut i en bråkdel av en sekund genom den första tillgängliga markbanan, ofta en elektronisk enhet.

Observera att dessa siffror förutsätter att personen inte bär kläder som kan bära en extra kostnad, vilket normalt är fallet. Det finns olika modeller för beräkning av ESD-risk- och energinivåer, och det blir ganska förvirrande mycket snabbt eftersom de verkar motsäga varandra i vissa fall. Här är en länk till en utmärkt diskussion om många av standarderna och modellerna.

Oavsett vilken specifik metod som används för att beräkna den, är den inte, och låter verkligen inte så mycket energi, men det är mer än tillräckligt för att förstöra en modern transistor. För sammanhang är en energikälla likvärdig( enligt Wikipedia) på den energi som krävs för att lyfta en medelstor tomat( 100 gram) en meter vertikalt från jordens yta.

Detta faller på "värsta scenario" sidan av en mänsklig enda ESD-händelse, där människan bär en laddning och släpper ut den i en mottaglig enhet. En spänning som är hög från en relativt liten laddning uppstår när personen är mycket dålig jordad. En nyckelfaktor i vad och hur mycket som skadas är faktiskt inte laddningen eller spänningen, men strömmen, som i detta sammanhang kan anses vara så låg motståndet hos den elektroniska enhetens väg till marken.

Personer som arbetar kring elektronik är vanligtvis jordade med handledsremmar och / eller jordningsremmar på fötterna. De är inte "shorts" för jordning;Motståndet är dimensionerat för att förhindra att arbetarna fungerar som blixtstänger( lätt att få elektrocuterade).Handledsband är vanligtvis i 1M Ohm-området, men det tillåter fortfarande snabb utladdning av eventuell ackumulerad energi. Kapacitiva och isolerade föremål tillsammans med andra laddningsgenererande eller lagrande material isoleras från arbetsområden, t.ex. polystyren, bubbelplast och plastkoppar.

Det finns bokstavligen otaliga andra material och situationer som kan leda till ESD-skador( från både positiva och negativa relativa laddningsskillnader) till en enhet där själva människokroppen inte bär laddningen internt men bara underlättar rörelsen. Ett tecknarnivåexempel skulle ha på sig en ulltröja och strumpor medan man gick över en matta och sedan plockade upp eller rörde ett metallobjekt. Det skapar en betydligt högre mängd energi än kroppen själv kunde lagra.

En sista punkt på hur lite energi det tar att skada modern elektronik. En 10 nm transistor( inte vanlig men det kommer att bli de närmaste åren) har en grind tjocklek mindre än 6 nm, som närmar sig vad de kallar ett monoskikt( ett enda lager av atomer).

Det är ett mycket komplicerat ämne, och den mängd skador som en ESD-händelse kan orsaka till en enhet är svår att förutsäga på grund av det stora antalet variabler, inklusive hastigheten för urladdning( hur mycket motstånd det finns mellan laddningen och en mark), antalet vägar till en mark genom enheten, fuktighet och omgivande temperaturer och många fler. Alla dessa variabler kan anslutas till olika ekvationer som kan modellera effekten, men de är inte fruktansvärda noga för att förutse den faktiska skadan ännu, men bättre att inrama eventuella skador från en händelse.

I många fall, och detta är väldigt industrispecifikt( tänk medicinsk eller luftfart), är en ESD-inducerad katastrofal misslyckande ett mycket bättre resultat än en ESD-händelse som passerar genom tillverkning och testning obemärkt. Osynliga ESD-händelser kan skapa en mycket liten defekt, eller kanske försämra en existerande och oupptäckt latent defekt, som i båda scenarierna kan förvärras över tid på grund av antingen ytterligare mindre ESD-händelser eller bara vanlig användning.

De resulterar i slutändan ett katastrofalt och för tidigt misslyckande av enheten i en konstant förkortad tidsram som inte kan förutsägas av pålitlighetsmodeller( som ligger till grund för underhålls- och ersättningsplaner).På grund av denna fara, och det är lätt att tänka på hemska situationer( t.ex. en pacemakers mikroprocessor eller flygeledningsinstrument), är det ett stort forskningsområde just nu att hitta metoder för att testa och modellera latenta ESD-inducerade defekter.

För en konsument som inte arbetar med eller vet mycket om elektronikproduktion, verkar det inte vara ett problem. När de flesta elektronik är förpackade till salu finns det många skyddsåtgärder som skulle förhindra de flesta ESD-skador. De känsliga komponenterna är fysiskt otillgängliga och mer praktiska banor på marken finns tillgängliga( dvs ett datorkabinett är knutet till en jord, vilket släpper ut ESD i det kommer nästan säkert inte att skada CPU inuti fallet utan istället ta den lägsta motståndsstigen till enmarkerad via strömkällan och vägguttaget).Alternativt är inga rimliga strömbanor möjliga;många mobiltelefoner har icke-ledande exteriörer och har bara en markbana när de laddas.

För rekordet måste jag gå igenom ESD-träning var tredje månad, så jag kunde bara fortsätta. Men jag tycker att det borde vara tillräckligt för att svara på din fråga. Jag tror att allt i det här svaret är korrekt, men jag rekommenderar starkt att läsa upp det direkt för att bli bättre bekant med fenomenet om jag inte har förstört din nyfikenhet för gott.

En sak som människor tycker är kontraintuitiva är att påsar som du ofta ser elektronik som lagras och skickas i( antistatiska påsar) är också ledande. Antistatisk betyder att materialet inte kommer att samla någon meningsfull laddning från att interagera med andra material. Men i ESD-världen är det lika viktigt( i största möjliga utsträckning) att allt har samma markspänningsreferens.

Arbetsytor( ESD-mattor), ESD-påsar och annat material hålls vanligtvis bundet till en gemensam mark, antingen genom att helt enkelt inte ha isolerat material mellan dem eller mer explicit genom att leda låga motståndsstråk till en mark mellan alla arbetsbänkar;kontakterna för arbetarnas handledsband, golvet och viss utrustning. Det finns säkerhetsfrågor här. Om du arbetar runt höga sprängämnen och elektronik, kan ditt armband vara bundet direkt till en mark i stället för ett 1M Ohm motstånd. Om du arbetar runt mycket högspänning, skulle du inte slipa dig själv alls.

Här är ett citat om kostnaderna för ESD från Cisco, vilket kanske kan vara lite konservativt, eftersom säkerhetsskadorna från felsvikt för Cisco normalt inte resulterar i förlust av liv, vilket kan höja det 100x som avses i order avmagnitude:

Har något att lägga till förklaringen? Ljud av i kommentarerna. Vill du läsa mer svar från andra tech-savvy Stack Exchange-användare? Kolla in hela diskussionsgängan här.