Vai statiskais elektrības bojājums joprojām ir milzīga problēma ar elektroniku?

Visi no mums ir dzirdējuši brīdinājumus, lai pārliecinātos, ka mēs strādājam pie mūsu elektroniskajām ierīcēm, bet ir sasnieguši progresu tehnoloģijā, samazinot statisko elektrības bojājumu problēmu, vai arī tā joprojām ir tikpat izplatīta kā iepriekš? Šodienas SuperUser Q&A ziņojumam ir visaptveroša atbilde uz ziņkārīga lasītāja jautājumu.

Šodienas jautājumu un atbilžu sesija mums dod pieklājību no SuperUser-Stack Exchange apakšnodaļas, kas ir kopienas orientēta Q & A tīmekļa vietņu grupa.

Foto pieklājīgi no Jared Tarbell (Flickr).

Jautājums

SuperUser lasītājs Ricku vēlas zināt, vai statiskā elektrības bojājumi joprojām ir liela problēma ar elektroniku tagad:

Esmu dzirdējis, ka pirms dažām desmitgadēm statiskā elektrība bija liela problēma. Vai tā joprojām ir liela problēma? Es uzskatu, ka personai ir reti sastopams datora komponents.

Vai statiskā elektrība joprojām ir liela problēma ar elektroniku tagad?

Atbilde

SuperUser ieguldītājam Argonautiem ir atbilde:

Nozarei tā tiek dēvēta par elektrostatisko izlādi (ESD), un tagad tā ir daudz problemātiskāka nekā jebkad agrāk; kaut arī to ir mazinājusi diezgan nesen pieņemtā politika un procedūras, kas palīdz samazināt ESD kaitējuma iespējamību produktiem. Neskatoties uz to, tā ietekme uz elektronikas nozari ir lielāka nekā daudzās citās nozarēs.

Tas ir arī milzīgs mācību temats un ļoti sarežģīts, tāpēc es tikai pievērsīšos dažiem jautājumiem. Ja jūs interesē, ir pieejami daudzi bezmaksas avoti, materiāli un tīmekļa vietnes. Daudzi cilvēki savu karjeru velta šai jomai. ESD bojātajiem produktiem ir ļoti reāla un ļoti liela ietekme uz visiem elektronikas nozarē iesaistītajiem uzņēmumiem, neatkarīgi no tā, vai tie ir ražotāji, dizaineri vai „patērētāji”, un tāpat kā daudzas lietas, kas tiek risinātas nozarē, tās izmaksas tiek novirzītas uz mums.

No ESD asociācijas:

Tā kā ierīces un to īpatnības nepārtraukti kļūst mazākas, tās kļūst jutīgākas pret ESD bojājumiem, kas ir jēga pēc mazliet domāt. Elektronikas veidošanai izmantoto materiālu mehāniskā izturība parasti samazinās, samazinoties to izmēram, kā arī materiāla spējai pretoties ātrām temperatūras izmaiņām, ko parasti dēvē par termisko masu (tāpat kā makro mēroga objektos). Aptuveni 2003.gadā mazākās iezīmes bija 180 nm diapazonā, un tagad mēs strauji tuvojas 10 nm.

ESD notikums, kas pirms 20 gadiem būtu bijis nekaitīgs, potenciāli varētu iznīcināt mūsdienu elektroniku. Transistoru gadījumā vārtu materiāls bieži ir cietušais, bet arī citus strāvas nesējus var iztvaicēt vai izkausēt. Lodēšanu uz IC tapām (virsmas montāžas ekvivalents, piemēram, Ball Grid Array ir daudz biežāk sastopams šajās dienās) uz PCB var izkausēt, un pats silīcijs ir dažas kritiskas īpašības (īpaši tās dielektriskā vērtība), ko var mainīt ar augstu siltumu . Kopumā tas var mainīt ķēdi no pusvadītāja līdz vienmēr vadītājam, kas parasti beidzas ar dzirksteli un sliktu smaku, kad mikroshēma tiek ieslēgta.

Mazāki iezīmju izmēri ir gandrīz pilnīgi pozitīvi no vairuma metriku perspektīvām; piemēram, darbības / pulksteņu ātrumi, ko var atbalstīt, enerģijas patēriņš, cieši savienota siltuma ražošana utt., bet jutīgums pret bojājumiem, ko citādi uzskatītu par triviālu enerģijas daudzumu, arī ievērojami palielinās, kad iezīme samazinās.

ESD aizsardzība ir iebūvēta daudzās elektronikas sistēmās, bet, ja integrētajā shēmā ir 500 miljardi tranzistoru, nav iespējams noteikt, kādu ceļu nosaka statiskā izlāde ar 100% noteiktību.

Cilvēka ķermenis dažreiz tiek modelēts (cilvēka ķermeņa modelis; HBM), kam ir 100 līdz 250 pikofarāžu kapacitātes. Šajā modelī spriegums var būt tik augsts (atkarībā no avota) kā 25 kV (lai gan daži apgalvo tikai par 3 kV). Izmantojot lielākos skaitļus, personai būtu enerģijas lādiņš aptuveni 150 miljouli. Pilnībā „iekasēta” persona parasti to neapzinās un tā izpaužas sekundes daļā, izmantojot pirmo pieejamo zemes ceļu, bieži vien elektronisko ierīci..

Ņemiet vērā, ka šie skaitļi liek domāt, ka persona nav valkājusi apģērbu, kas spēj pārvadāt papildu maksu, kas parasti notiek. ESD riska un enerģijas līmeņu aprēķināšanai ir dažādi modeļi, un tas ļoti ātri kļūst neskaidrs, jo dažos gadījumos tie šķiet savstarpēji pretrunīgi. Šeit ir saite uz lielisku diskusiju par daudziem standartiem un modeļiem.

Neatkarīgi no konkrētās metodes, ko izmanto, lai to aprēķinātu, tas nav un, protams, neizklausās daudz enerģijas, bet tas ir vairāk nekā pietiekami, lai iznīcinātu mūsdienu tranzistoru. Attiecībā uz kontekstu, viens džauls enerģijas ir līdzvērtīgs (saskaņā ar Vikipēdiju) līdz enerģijai, kas nepieciešama, lai paceltu vidēji lielu tomātu (100 gramus) vienu metru vertikāli no Zemes virsmas.

Tas attiecas tikai uz cilvēka tikai ESD notikuma “sliktāko scenāriju”, kurā cilvēks ir lādiņā un izlādē to uzņēmīgā ierīcē. Spriegums, kas ir augsts no salīdzinoši neliela uzlādes līmeņa, rodas, ja persona ir ļoti slikti iezemēta. Galvenais faktors, kas un cik daudz bojājumu rodas, nav faktiski lādiņš vai spriegums, bet gan strāva, kas šajā kontekstā var tikt uzskatīta par to, cik zema ir elektroniskās ierīces ceļa pretestība zemei..

Cilvēki, kas strādā ap elektroniku, parasti ir balstīti uz plaukstu siksnām un / vai zemējuma siksnām. Tie nav „šorti” zemei; pretestība ir izmēra, lai novērstu to, ka darba ņēmēji kalpo kā zibens stieņi (viegli kļūst elektriski). Rokas lentes parasti ir 1M Ohm diapazonā, taču tas joprojām ļauj ātri uzkrāt jebkuru uzkrāto enerģiju. Kapacitīvi un izolēti priekšmeti kopā ar citiem maksas veidojošiem vai uzglabāšanas materiāliem ir izolēti no darba zonām, tādām kā polistirols, burbuļu apvalks un plastmasas krūzes.

Ir burtiski neskaitāmi citi materiāli un situācijas, kas var izraisīt ESD bojājumus (gan no pozitīvās, gan negatīvās relatīvās maksas atšķirības) līdz ierīcei, kurā cilvēka ķermenis pats nespēj iekasēt maksu, bet tikai atvieglo tā kustību. Karikatūras līmeņa piemērs būtu valkājot vilnas džemperi un zeķes, ejot pa paklāju, pēc tam uzņemot vai pieskaroties metāla priekšmetam. Tas rada ievērojami lielāku enerģijas daudzumu, nekā var pats ķermenis.

Pēdējais punkts par to, cik maz enerģijas patērē mūsdienu elektronikas bojājumiem. 10 nm transistoram (kas vēl nav sastopams, bet tas būs tuvāko pāris gadu laikā) vārtu biezums ir mazāks par 6 nm, kas ir tuvu tam, ko viņi sauc par monolu slāni (viens atomu slānis).

Tas ir ļoti sarežģīts priekšmets, un kaitējumu, ko ESD notikums var izraisīt ierīcei, ir grūti paredzēt, ņemot vērā lielo mainīgo skaitu, tostarp izlādes ātrumu (cik liela ir pretestība starp uzlādi un zemi). , ceļu skaitu uz zemes caur ierīci, mitruma un apkārtējās vides temperatūru, un daudz ko citu. Visi šie mainīgie lielumi var tikt pieslēgti dažādiem vienādojumiem, kas var modificēt ietekmi, bet tie nav ļoti precīzi, lai prognozētu faktisko kaitējumu, bet labāk, ja tiek veidots iespējamais kaitējums no notikuma.

Daudzos gadījumos, un tas ir ļoti specifisks nozarei (domāju, ka medicīna vai kosmiskā aviācija), ESD izraisīta katastrofāla neveiksmes notikums ir daudz labāks rezultāts nekā ESD pasākums, kas iziet no ražošanas un testēšanas nepamanīts. Nenovērojami ESD notikumi var radīt ļoti nelielu defektu vai varbūt nedaudz pasliktināt iepriekš pastāvošu un nenosakāmu latento defektu, kas abos scenārijos var laika gaitā pasliktināties vai nu papildu nelielu ESD notikumu dēļ, vai vienkārši lietojot regulāri.

Tie galu galā izraisa katastrofālu un priekšlaicīgu ierīces atteici mākslīgi saīsinātā laika posmā, ko nevar paredzēt ar uzticamības modeļiem (kas ir pamats uzturēšanas un aizvietošanas grafikiem). Šīs briesmas dēļ ir viegli domāt par briesmīgām situācijām (piemēram, elektrokardiostimulatora mikroprocesoru vai lidojuma vadības instrumentus), kas ir veids, kā pārbaudīt un modelēt latentās ESD izraisītos defektus..

Patērētājam, kurš nestrādā vai zina par elektronikas ražošanu, tas, šķiet, nav problēma. Līdz tam laikam, kad vairums elektronikas ir iepakotas pārdošanai, ir daudz drošības pasākumu, kas novērstu lielāko daļu ESD bojājumu. Sensitīvie komponenti ir fiziski nepieejami, un ir pieejami ērtāki ceļi uz zemi (ti, datora korpuss ir piesaistīts zemei, ESD izlādēšana tajā gandrīz nekādā gadījumā nesabojā CPU iekšpusē, bet drīzāk uzņemas zemāko pretestības ceļu uz ar barošanas avotu un barošanas avotu). Alternatīvi nav iespējami saprātīgi strāvas pārneses ceļi; daudziem mobilajiem tālruņiem ir ārpus vadošs eksterjers un uzlādēšanas laikā tiem ir tikai zemes ceļš.

Lai to izdarītu, man ik pēc trim mēnešiem jāapmeklē ESD mācības, tāpēc es varētu turpināt. Bet es domāju, ka tas būtu pietiekami, lai atbildētu uz jūsu jautājumu. Es uzskatu, ka viss šajā atbildē ir precīzs, bet es stingri ieteiktu to izlasīt tieši, lai labāk iepazītos ar šo parādību, ja neesmu iznīcinājis jūsu interesi par labu.

Viena lieta, ko cilvēki uzskata par intuitīvu, ir tas, ka somas, ko bieži redzat elektronikā, tiek glabātas un piegādātas (antistatiskas somas) arī vadošas. Anti-static nozīmē, ka materiāls nesaņem nozīmīgu maksu no mijiedarbības ar citiem materiāliem. Taču ESD pasaulē ir vienlīdz svarīgi (cik vien iespējams), ka viss ir ar tādu pašu sprieguma atskaites punktu.

Darba virsmas (ESD paklāji), ESD maisi un citi materiāli parasti tiek piesaistīti pie kopējas zemes, vai nu vienkārši nav izolēta materiāla starp tiem, vai arī precīzāk, pieslēdzot zemas pretestības ceļus uz zemi starp visiem darba soliem; savienotāji strādnieku aprocēm, grīdai un dažām iekārtām. Šeit ir drošības jautājumi. Ja jūs strādājat pie augstām sprāgstvielām un elektronikas, jūsu rokas josla var būt tieši piesaistīta zemei, nevis 1M omu rezistoram. Ja jūs strādājat pie ļoti augsta sprieguma, jūs vispār neuzturaties.

Šeit ir citāts par ESD izmaksām no Cisco, kas varētu būt pat nedaudz konservatīvs, jo Cisco lauka bojājumu radītais kaitējums parasti nerada dzīvības zudumu, kas var paaugstināt 100x lielumu, kas minēts lieluma secībā. :

Vai kaut kas jāpievieno paskaidrojumam? Skaņas izslēgšana komentāros. Vai vēlaties lasīt vairāk atbildes no citiem tehnoloģiju gudriem Stack Exchange lietotājiem? Apskatiet pilnu diskusiju pavedienu šeit.