Kas staatiline elektrikahjustus on endiselt suur probleem elektroonikaga?

Me kõik oleme kuulnud hoiatusi, et veenduda, et oleme elektrooniliste seadmetega töötamisel nõuetekohaselt põhjendatud, kuid meil on tehnoloogia areng aeglustanud staatilise elektrikahjustuse probleemi või on see ikka nii levinud kui varem? Tänane SuperUser Q&A postitus on igakülgne vastus uudishimulikule lugeja küsimusele.

Tänane küsimuste ja vastuste seanss saabub meiega kohtades, kus on SuperUser-Stack Exchange'i alajaotis, kogukondlikult juhitav Q&A veebisaitide rühmitus.

Foto: Jared Tarbell (Flickr).

Küsimus

SuperUser-lugeja Ricku tahab teada, kas staatilise elektrikahjustuse probleem on elektroonikaga praegu väga suur:

Olen kuulnud, et staatiline elekter oli paar aastakümmet tagasi suur probleem. Kas see on praegu suur probleem? Ma usun, et isik on haruldane arvuti komponendi praadimine nüüd.

Kas staatiline elekter kahjustab endiselt elektroonikaga suurt probleemi?

Vastus

SuperUser'i toetaja Argonaudidel on meile vastus:

Tööstuses nimetatakse seda elektrostatiliseks heakskiiduks (ESD) ja see on praegu palju suurem probleem kui kunagi varem; kuigi seda on mõnevõrra leevendanud üsna hiljutine laialdane poliitikate ja menetluste vastuvõtmine, mis aitavad vähendada ESD-toodete kahjustamise tõenäosust. Vaatamata sellele on selle mõju elektroonikatööstusele suurem kui paljudel teistel tööstusharudel.

See on ka tohutu teema ja väga keeruline, nii et ma puudutan vaid mõningaid punkte. Kui olete huvitatud, on palju teemasid käsitlevaid tasuta allikaid, materjale ja veebisaite. Paljud inimesed pühendavad oma karjääri sellel alal. ESD-ga kahjustatud toodetel on väga reaalne ja väga suur mõju kõikidele elektroonikasektoris osalevatele ettevõtetele, olgu see siis tootja, disainer või „tarbija”, ning nagu paljudes tööstusharudes käsitletavates asjades, kantakse selle kulud edasi meid.

ESD ühingust:

Kuna seadmed ja nende omaduste suurus muutuvad pidevalt väiksemaks, muutuvad nad ESD-i kahjustamise suhtes vastuvõtlikumaks, mis on mõttekas pärast mõtet. Elektroonika ehitamiseks kasutatavate materjalide mehaaniline tugevus väheneb üldiselt, kui nende suurus väheneb, samuti on materjali võime vastu seista kiirele temperatuurimuutusele, mida tavaliselt nimetatakse soojuslikuks massiks (nagu makromajanduslike objektide puhul). Umbes 2003. aastal olid väikseimad mõõtmed 180 nm vahemikus ja nüüd läheneme kiiresti 10 nm-le.

ESD-sündmus, mis oleks olnud 20 aastat tagasi kahjutu, võib kaasaegse elektroonika hävitada. Transistoridel on väravmaterjal sageli ohver, kuid ka teisi voolu kandvaid elemente saab aurustada või sulatada. IC-nuppude jootmine (pindpaigaldise ekvivalent nagu pallivõrgu plaat on nendel päevadel palju tavalisem) PCB-le võib sulatada ja räni ise omab mõningaid kriitilisi omadusi (eriti selle dielektrilist väärtust), mida saab suure kuumusega muuta . Kokkuvõttes võib see muuta vooluahelat pooljuhtist alati juhtivaks, mis tavaliselt lõpeb sädeme ja halva lõhnaga, kui kiip on sisse lülitatud.

Väiksemad omaduste suurused on peaaegu täielikult positiivsed enamiku näitajate vaatenurgast; sellised asjad nagu töö / kella kiirused, mida saab toetada, energiatarbimine, tihedalt seotud soojuse tootmine jne, kuid tundlikkus kahjustuste suhtes, mida muidu peetakse triviaalseteks energiakogusteks, suureneb samuti oluliselt, kui funktsiooni suurus langeb.

ESD kaitse on tänapäeval sisse ehitatud paljudesse elektroonikatesse, kuid kui teil on integreeritud ahelas 500 miljardit transistorit, ei ole see probleemiks, milline tee on staatiline väljavõtmine 100% kindlusega.

Inimese keha on mõnikord modelleeritud (inimese keha mudel; HBM), millel on 100 kuni 250 pikofaradit mahtuvust. Selles mudelis võib pinge saada nii kõrgeks (sõltuvalt allikast) kui 25 kV (kuigi mõned väidavad ainult 3 kV). Kasutades suuremaid numbreid, oleks inimesel energiakulu umbes 150 millijouli. Täielikult "laetud" inimene ei oleks sellest tavaliselt teadlik ja see vabastatakse sekundi murdes esimese võimaliku maapealse tee, sageli elektroonilise seadme kaudu..

Pange tähele, et need numbrid eeldavad, et isik ei kanna riideid, mis on võimelised kandma lisatasu, mis tavaliselt on. ESD riski ja energia taseme arvutamiseks on erinevaid mudeleid ning see muutub üsna segadusse väga kiiresti, kuna tundub, et mõnel juhul on need üksteisega vastuolus. Siin on link paljude standardite ja mudelite suurepärasele arutelule.

Sõltumata sellest, millist konkreetset meetodit selle arvutamiseks kasutatakse, ei ole see kindlasti ja ei tundu palju energiat, kuid see on enam kui piisav tänapäeva transistori hävitamiseks. Kontekstis on üks džaul energia võrdne (vastavalt Wikipedia andmetele) energiale, mis on vajalik keskmise suurusega tomati (100 grammi) ühe meetri vertikaalselt tõstmiseks Maa pinnast.

See langeb inimese ainult ESD sündmuse „halvima stsenaariumi” poole, kus inimene kannab laengut ja laseb selle vastuvõtlikusse seadmesse. Kui isik on väga halvasti maandatud, on pinge, mis on suhteliselt madalast laengust suur. Oluline tegur, mis ja kui palju saab vigastusi, ei ole tegelikult laeng või pinge, vaid vool, mida selles kontekstis võib mõelda kui väikese elektroonilise seadme tee maapinnale vastupanu..

Elektroonika ümber töötavad inimesed on tavaliselt kinnitatud randmepaelade ja / või maandusrihmadega. Need ei ole maandamiseks „lühikesed”; vastupanu on suurusega, et takistada töötajatel töötamist välkvarrastena (kergesti elektrikatkestus). Randmekihid on tavaliselt 1M Ohm vahemikus, kuid võimaldavad siiski kogunenud energia kiiret tühjendamist. Mahukad ja isoleeritud esemed koos kõigi teiste laengut tekitavate või ladustavate materjalidega on eraldatud tööpiirkondadest, näiteks polüstüreenist, mullpakendist ja plastist tassidest.

Seal on sõna-sõnalt lugematuid muid materjale ja olukordi, mis võivad põhjustada ESD kahjustusi (nii positiivsetest kui ka negatiivsetest laengu erinevustest) seadmele, kus inimkeha ise ei võta laengut "sisemiselt", vaid lihtsalt hõlbustab selle liikumist. Klassikalise taseme näide kannaks vaiba läbimisel villast kampsunit ja sokke, seejärel metallist eseme pealevõtmist või puudutamist. See tekitab oluliselt suurema energiakoguse kui keha ise.

Viimane punkt selle kohta, kui vähe energiat kulub kaasaegse elektroonika kahjustamiseks. 10 nm transistori (mis ei ole veel tavaline, kuid see on paari järgmise aasta jooksul) värava paksus on alla 6 nm, mis on lähedane sellele, mida nad nimetavad ühekihiliseks (üks aatomkiht).

See on väga keeruline teema ning kahju, mida ESD-sündmus võib seadmele põhjustada, on raske prognoosida suure muutujate arvu, sealhulgas tühjenemise kiiruse tõttu (kui palju vastupanu on laengu ja maapinna vahel) , teede arv maapinnale seadme kaudu, niiskus ja ümbritsev temperatuur ning palju muud. Kõiki neid muutujaid saab ühendada erinevatesse võrranditesse, mis võivad modelleerida mõju, kuid nad ei ole tegeliku kahju ennustamisel veel väga täpsed, kuid on paremad sündmuse võimaliku kahju kujundamisel..

Paljudel juhtudel ja see on väga tööstuslikult spetsiifiline (mõtle meditsiinilisele või kosmosetööstusele), on ESD poolt põhjustatud katastroofiline rikke sündmus palju parem tulemus kui ESD sündmus, mis läbib tootmise ja katsetamise märkamatult. Teadmata ESD sündmused võivad tekitada väga väikese defekti või võib-olla veidi halvendada olemasolevat ja avastamata varjatud defekti, mis mõlemas stsenaariumis võib aja jooksul halveneda kas täiendavate väiksemate ESD-sündmuste või lihtsalt regulaarse kasutamise tõttu.

Lõppkokkuvõttes põhjustavad need seadme katastroofilise ja enneaegse rikke kunstlikult lühendatud aja jooksul, mida ei saa usaldusväärsuse mudelite abil prognoosida (mis on hoolduse ja asendamise ajakava). Selle ohu tõttu on kerge mõelda kohutavatest olukordadest (näiteks südamestimulaatori mikroprotsessor või lennujuhtimisseadmed), mis on varjatud ESD põhjustatud defektide testimise ja mudeli katsetamine..

Tarbija jaoks, kes ei tööta elektroonikaseadmete tootmises või ei tea, ei pruugi see olla probleem. Selleks ajaks, kui enamik elektroonikat pakendatakse müügiks, on olemas arvukad kaitsemeetmed, mis takistaksid enamiku ESD kahjustusi. Tundlikud komponendid on füüsiliselt kättesaamatud ja saadaval on mugavamad teed maapinnale (st arvuti kere on maapinnaga seotud, ESD-i tühjendamine sellesse peaaegu kindlasti ei kahjusta karpi sees olevat CPU-d, vaid võtab madalaima takistuse tee maandust toiteallika ja seinakontakti kaudu). Teise võimalusena ei ole võimalikud mõistlikud voolutrajektoorid; paljudel mobiiltelefonidel on mittejuhtiv välisilme ja neil on laadimisel ainult maapealne tee.

Sest ma pean minema läbi ESD koolituse iga kolme kuu tagant, nii et ma saaksin jätkata. Aga ma arvan, et see peaks olema teie küsimusele vastamiseks piisav. Ma usun, et kõik see vastus on täpne, kuid soovitaksin tungivalt lugeda seda otse, et sellest nähtusest paremini teada saada, kui ma pole teie uudishimu heast.

Üks asi, mida inimesed leiavad, on intuitiivne, et kotid, mida te sageli näete elektroonikaseadmetes (antistaatilised kotid), on samuti juhtivad. Anti-staatiline tähendab, et materjal ei koguta mingit sisukat laengut teiste materjalidega suhtlemisel. Kuid ESD maailmas on võrdselt oluline (nii palju kui võimalik), et kõigil on sama maapealse pinge viide.

Kõik tööpinnad (ESD-matid), ESD-kotid ja muud materjalid hoitakse tavaliselt seotuna ühise pinnaga, kas lihtsalt ei ole isoleeritud materjali nende vahel, või täpsemalt, ühendades madala töökindlusega teed maapinna vahel kõigi tööpadlite vahel; töötajate randmepaelade, põranda ja mõne seadme ühendused. Siin on ohutusprobleeme. Kui töötate kõrgete lõhkeainete ja elektroonika ümber, võib randmepael olla otseselt seotud maapinnaga, mitte 1M Ohm-takistiga. Kui te töötate väga suure pinge juures, siis sa ei laseks ennast üldse.

Siin on hinnakiri Cisco ESD kulude kohta, mis võivad isegi olla natuke konservatiivsed, kuna Cisco väljatõrgetest tulenev kahju ei põhjusta tavaliselt inimohvrit, mis võib tõsta 100-kordse suuruse suurust. :

Kas teil on midagi lisada selgitusele? Heli on kommentaarides välja lülitatud. Kas soovite lugeda rohkem vastuseid teistelt tech-savvy Stack Exchange'i kasutajatelt? Vaadake siin täielikku arutelu lõiku.