Onko staattinen sähkönvaurio edelleen suuri ongelma elektroniikan kanssa?

Kaikki meistä ovat kuulleet varoituksia varmistaaksemme, että työskentelemme sähköisillä laitteillamme asianmukaisesti, mutta tekniikan kehityksessä on vähennetty staattisen sähkön aiheuttamaa vahinkoa tai onko se yhä yhtä yleistä kuin ennen? Tämän päivän SuperUser Q&A -postissa on kattava vastaus utelias lukijan kysymykseen.

Nykypäivän Kysymys- ja vastaus -istunto tulee meille suotuisasti SuperUserin - Stack Exchange -alueen, yhteisöpohjaisen Q & A-sivustojen ryhmittymän - kautta..

Kuva: Jared Tarbell (Flickr).

Kysymys

SuperUser-lukija Ricku haluaa tietää, onko staattisen sähkön aiheuttama vahinko yhä suuri ongelma elektroniikassa nyt:

Olen kuullut, että staattinen sähkö oli suuri ongelma muutama vuosikymmen sitten. Onko se vielä suuri ongelma? Uskon, että on harvinaista, että henkilö "paistaa" tietokonekomponentin nyt.

Onko staattisen sähkön vaurioituminen edelleen elektroniikassa vielä suuri ongelma?

Vastaus

SuperUser-avustaja Argonauteilla on vastaus meille:

Teollisuudessa sitä kutsutaan sähköstaattiseksi purkaukseksi (ESD), ja se on nyt paljon enemmän ongelma kuin koskaan; vaikka sitä on lieventänyt melko viime aikoina laajalle levinnyt politiikka ja menettelyt, jotka auttavat vähentämään ESD-tuotteiden vahingoittumisen todennäköisyyttä tuotteille. Sen vaikutus elektroniikkateollisuuteen on kuitenkin suurempi kuin monilla muilla teollisuudenaloilla.

Se on myös valtava aihe ja hyvin monimutkainen, joten kosken vain muutamia kohtia. Jos olet kiinnostunut, on olemassa lukuisia ilmaisia ​​lähteitä, materiaaleja ja verkkosivustoja, jotka on tarkoitettu aiheeseen. Monet ihmiset tekevät uransa tällä alueella. ESD: n vahingoittamilla tuotteilla on hyvin todellinen ja erittäin suuri vaikutus kaikkiin elektroniikkaan osallistuviin yrityksiin, olipa se sitten valmistaja, suunnittelija tai kuluttaja, ja kuten monet toimialalla käsitellyt asiat, sen kustannukset siirtyvät meille.

ESD-yhdistyksestä:

Koska laitteet ja niiden ominaisuuksien koko pienenevät jatkuvasti, ne ovat alttiimpia vahingoittumaan ESD: llä, mikä on järkevää hieman ajatuksen jälkeen. Elektroniikan rakentamiseen käytettävien materiaalien mekaaninen lujuus laskee yleensä, kun niiden koko pienenee, samoin kuin materiaalin kyky vastustaa nopeita lämpötilan muutoksia, joita yleensä kutsutaan lämpömassaksi (aivan kuten makro-asteikolla). Vuonna 2003 pienimmät ominaisuuskoot olivat 180 nm: n alueella, ja nyt lähestymme nopeasti 10 nm: ää.

ESD-tapahtuma, joka olisi ollut 20 vuotta sitten vaaraton, voisi tuhota nykyaikaisen elektroniikan. Transistoreissa porttimateriaali on usein uhri, mutta myös muut virtaa kantavat elementit voidaan höyrystää tai sulaa. IC-nastojen juottaminen (pinta-asennusvastaava, kuten Ball Grid Array on paljon yleisempää näinä päivinä) piirilevylle voidaan sulattaa, ja piillä itsessään on joitakin kriittisiä ominaisuuksia (erityisesti sen dielektrinen arvo), jota voidaan muuttaa suurella lämmöllä . Kaiken kaikkiaan se voi muuttaa piirin puolijohtimesta aina johtoon, joka yleensä päättyy kipinään ja huonoun hajuun, kun siru käynnistetään.

Pienemmät ominaisuuden koot ovat lähes täysin positiivisia useimmista metrikoiden näkökulmista; sellaiset asiat kuten käyttö- / kellonopeudet, joita voidaan tukea, virrankulutus, tiiviisti kytketty lämmöntuotanto jne., mutta herkkyys vahingoille, joita muutoin pidettäisiin triviaaleina energiamäärinä, myös lisääntyy huomattavasti, kun ominaisuuden koko laskee.

ESD-suojaus on rakennettu moniin elektroniikoihin tänään, mutta jos sinulla on 500 miljardia transistoria integroidussa piirissä, se ei ole ratkaistavissa oleva ongelma määrittää, mikä polku staattisen purkauksen aikana kestää 100 prosentin varmuudella.

Ihmiskehoa mallinnetaan joskus (ihmiskehon malli; HBM), jolla on 100-250 pikofaradia kapasitanssia. Tässä mallissa jännite voi olla niin korkea (lähteestä riippuen) kuin 25 kV (vaikka jotkut väittävät vain jopa 3 kV). Suurempien lukujen avulla henkilöllä olisi noin 150 millijoulin energiamaksua. Täysin "veloitettu" henkilö ei yleensä olisi tietoinen siitä, ja se purkautuu sekunnin murto-osassa ensimmäisen käytettävissä olevan maanpinnan, usein sähköisen laitteen, kautta..

Huomaa, että nämä luvut edellyttävät, että henkilö ei käytä vaatteita, jotka pystyvät kantamaan lisämaksua, mikä tavallisesti on. ESD-riskin ja energian tasojen laskemiseen on olemassa erilaisia ​​malleja, ja se on melko sekava hyvin nopeasti, koska ne näyttävät joissakin tapauksissa olevan ristiriidassa keskenään. Tässä on linkki erinomaisiin keskusteluihin useista standardeista ja malleista.

Riippumatta siitä, mitä menetelmää käytetään sen laskemiseen, se ei ole, eikä se varmasti kuulosta paljon energiasta, mutta se on enemmän kuin riittävä tuhoamaan moderni transistori. Kontekstissa yksi joule energiaa vastaa (Wikipedian mukaan) energiaa, joka tarvitaan keskikokoisen tomaatin (100 gramman) yhden metrin pystysuoran nostamiseksi maapallon pinnasta.

Tämä kuuluu ihmisen pelkästään ESD-tapahtuman "pahimpaan skenaarioon", jossa ihminen kantaa maksua ja purkaa sen alttiiseen laitteeseen. Suhteellisen alhaisesta varauksesta syntyvä jännite syntyy, kun henkilö on hyvin huonosti maadoitettu. Keskeinen tekijä siinä, mitä ja kuinka paljon vaurioituu, ei oikeastaan ​​ole lataus tai jännite, vaan virta, joka tässä yhteydessä voidaan ajatella, kuinka alhainen elektronisen laitteen polun maaperään kestävyys on.

Elektroniikan ympärillä työskentelevät ihmiset maadoitetaan yleensä rannehihnoilla ja / tai maadoitushihnoilla. Ne eivät ole ”shortsit” maadoitukseen; vastus on mitoitettu estämään työntekijöitä toimimasta salamavälineinä (helposti sähköistettäviksi). Rannekkeet ovat tyypillisesti 1 M: n ohmialueella, mutta ne mahdollistavat yhä kaiken kertyneen energian nopean purkamisen. Kapasitiiviset ja eristetyt tuotteet sekä kaikki muut varaukset tuottavat tai varastointimateriaalit eristetään työalueilta, kuten polystyreenistä, kuplamuovista ja muovikuppeista.

On olemassa kirjaimellisesti lukemattomia muita materiaaleja ja tilanteita, jotka voivat johtaa ESD-vahinkoon (sekä positiivisista että negatiivisista suhteellisista varauksen eroista) laitteeseen, jossa ihmiskeho ei itse kantaa maksua sisäisesti, vaan vain helpottaa sen liikettä. Sarjakuva tasolla esimerkki olisi pukeutunut villaa villapaita ja sukkia kävellessä maton, sitten poimien tai koskettamalla metalli esine. Tämä luo huomattavasti suuremman määrän energiaa kuin itse laitos voisi varastoida.

Viimeinen huomautus siitä, kuinka vähän energiaa nykyaikaisen elektroniikan vahingoittamiseen kuluu. 10 nm: n transistorin (joka ei ole vielä yleinen, mutta se tulee olemaan lähivuosina) gate-paksuus on alle 6 nm, mikä on lähellä sitä, mitä he kutsuvat yksikerrokseksi (yksi atomi kerros).

Se on hyvin monimutkainen aihe, ja ESD-tapahtuman aiheuttama vahingon määrä laitteeseen on vaikea ennustaa suurten muuttujien määrän, myös purkauksen nopeuden vuoksi (kuinka paljon vastusta on latauksen ja maan välillä) , polkujen määrä maahan, kosteus- ja ympäristön lämpötilat sekä paljon muuta. Kaikki nämä muuttujat voidaan kytkeä eri yhtälöihin, jotka voivat mitata vaikutusta, mutta ne eivät ole kovin tarkkoja ennustamaan todellista vahinkoa vielä, mutta paremmin kehittäessään tapahtuman mahdolliset vahingot.

Monissa tapauksissa, ja tämä on hyvin toimialakohtainen (ajattele lääketieteellistä tai ilmailuteollisuutta), ESD: n aiheuttama katastrofaalinen epäonnistumistapahtuma on paljon parempi tulos kuin ESD-tapahtuma, joka kulkee valmistuksen ja testauksen kautta huomaamatta. Huomaamattomat ESD-tapahtumat voivat aiheuttaa hyvin vähäisen vian, tai ehkä hieman heikentää ennestään olemassa olevaa ja havaittua piilevää vikaa, joka molemmissa tilanteissa voi pahentua ajan myötä joko pienempien ESD-tapahtumien tai vain säännöllisen käytön vuoksi.

Ne johtavat viime kädessä laitteen katastrofaaliseen ja ennenaikaiseen vikaantumiseen keinotekoisesti lyhennetyssä aikakehyksessä, jota ei voida ennustaa luotettavuusmalleilla (jotka ovat huolto- ja korvausaikataulujen perusta). Tämän vaaran takia on helppo ajatella kauhistuttavia tilanteita (esimerkiksi sydämentahdistimen mikroprosessori- tai lennonohjauslaitteet), ja tapa löytää testata ja piilottaa ESD: n aiheuttamat viat ovat tärkeä tutkimusalue tällä hetkellä.

Kuluttajalle, joka ei työskentele elektroniikan valmistuksessa tai tuntee sitä paljon, se ei ehkä näytä olevan ongelma. Mennessä suurin osa elektroniikasta on pakattu myyntiin, on olemassa lukuisia suojakeinoja, jotka estäisivät useimmat ESD-vauriot. Herkät komponentit ovat fyysisesti esteettömiä ja kätevämpiä polkuja maahan on saatavilla (ts. Tietokoneen runko on sidottu maahan, ESD: n purkaminen siihen ei varmasti varmasti vahingoita kotelon sisäistä prosessoria, vaan ottaa pienimmän vastuksen polun maadoitetaan virtalähteen ja pistorasian virtalähteen kautta). Vaihtoehtoisesti ei ole mahdollisia kohtuullisia kuljetusreittejä; monissa matkapuhelimissa on johtamattomia ulkotiloja ja niillä on vain maadoitusreitti latautumisen yhteydessä.

Minun täytyy mennä läpi ESD-koulutuksen kolmen kuukauden välein, joten voisin vain jatkaa. Mutta mielestäni tämän pitäisi riittää vastaamaan kysymykseesi. Uskon, että kaikki tämä vastaus on täsmällinen, mutta suosittelen voimakkaasti lukemaan sen suoraan tutustumaan ilmiöön, jos en ole tuhonnut uteliaisuuttasi hyvään.

Yksi asia, että ihmiset löytävät vastahyökkäyksen, on se, että usein tunnetut elektroniikat säilytetään ja kuljetetaan (antistaattiset pussit) ovat myös johtavia. Anti-staattinen tarkoittaa, että materiaali ei kerää mitään merkityksellistä latausta vuorovaikutuksesta muiden materiaalien kanssa. Mutta ESD-maailmassa on yhtä tärkeää (mahdollisimman paljon), että kaikilla on sama maadoitusjännite.

Työpinnat (ESD-matot), ESD-pussit ja muut materiaalit pidetään tyypillisesti sidoksissa yhteiseen maahan, joko yksinkertaisesti ilman eristettyä materiaalia niiden välissä, tai tarkemmin sanottuna kytkemällä matalaristiset polut maahan kaikkien työtasojen välillä; työntekijöiden rannekkeiden, lattian ja joidenkin laitteiden liittimet. Tässä on turvallisuusongelmia. Jos työskentelet räjähdysvaarallisten aineiden ja elektroniikan ympärillä, rannelaite saattaa olla sidottu suoraan maahan 1 M Ohm-vastuksen sijasta. Jos työskentelet erittäin korkean jännitteen ympärillä, et laskisi itseäsi.

Tässä on lainaus Ciscon ESD: n kustannuksista, jotka saattavat olla jopa hieman konservatiivisia, koska Ciscon kenttävikojen aiheuttama vakava vahinko ei yleensä johda ihmishenkien menetykseen, mikä voi nostaa 100-kertaisen suuruusluokituksen :

Onko jotain lisättävää selitykseen? Ääni pois kommenteista. Haluatko lukea lisää vastauksia muilta tech-savvy Stack Exchange -käyttäjiltä? Tutustu koko keskusteluketjuun täällä.