Všichni jsme slyšeli varování, abychom se ujistili, že jsme při práci na našich elektronických zařízeních řádně uzemněni, ale pokroky v technologii zmenšily problém poškození statickou elektřinou nebo je stále tak rozšířený jako dříve? Dnešní příspěvek SuperUser Q&A má komplexní odpověď na otázku zvědavého čtenáře.
Dnešní relace Otázky a odpovědi k nám přichází s laskavým svolením SuperUser - členění Stack Exchange, komunitního seskupení webů otázek a odpovědí.
Foto s laskavým svolením Jared Tarbell (Flickr).
Otázka
Čtečka SuperUser Ricku chce vědět, zda je poškození statické elektřiny stále velkým problémem elektroniky:
Před pár desítkami let jsem slyšel, že statická elektřina byla velkým problémem. Je to stále velký problém? Věřím, že je vzácné, aby člověk „vypražil“ počítačovou součástku.
Je poškození statickou elektřinou stále velkým problémem s elektronikou?
Odpověď
Přispěvatel SuperUser Argonauts má pro nás odpověď:
V tomto odvětví se označuje jako elektrostatický výboj (ESD) a je nyní mnohem větším problémem než kdy dříve; ačkoli to bylo poněkud zmírněno poměrně nedávným rozšířeným přijetím politik a postupů, které pomáhají snižovat pravděpodobnost poškození produktů ESD. Bez ohledu na to je jeho dopad na elektronický průmysl větší než v mnoha jiných celých průmyslových odvětvích.
Je to také obrovské studijní téma a velmi složité, takže se dotknu jen několika bodů. Máte-li zájem, existuje řada bezplatných zdrojů, materiálů a webových stránek věnovaných tomuto tématu. Mnoho lidí věnuje svou kariéru této oblasti. Výrobky poškozené ESD mají velmi skutečný a velmi velký dopad na všechny společnosti zabývající se elektronikou, ať už jde o výrobce, návrháře nebo „spotřebitele“, a stejně jako mnoho věcí, které se řeší v průmyslovém odvětví, se jejich náklady přenášejí nás.
Od asociace ESD:
Jak se zařízení a velikost jejich funkcí neustále zmenšují, stávají se náchylnějšími k poškození ESD, což má po trošce zamyšlení smysl. Mechanická pevnost materiálů použitých k výrobě elektroniky obecně klesá, jak se zmenšuje jejich velikost, stejně jako schopnost materiálu odolávat rychlým teplotním změnám, obvykle označovaným jako tepelná hmota (stejně jako u objektů v makrozvětšení). Kolem roku 2003 byly nejmenší velikosti funkcí v rozsahu 180 nm a nyní se rychle přibližujeme 10 nm.
Událost ESD, která by před 20 lety byla neškodná, by mohla potenciálně zničit moderní elektroniku. U tranzistorů je materiál brány často obětí, ale mohou být také odpařeny nebo roztaveny další prvky nesoucí proud. Pájení na čepech IC (ekvivalent povrchové montáže jako Ball Grid Array je dnes mnohem běžnější) na PCB lze tavit a samotný křemík má některé kritické vlastnosti (zejména jeho dielektrickou hodnotu), které lze měnit vysokým teplem . Celkově to může změnit obvod z polovodiče na vodič vždy, který obvykle končí jiskrou a zápachem, když je čip zapnutý.
Menší velikosti funkcí jsou téměř úplně pozitivní z pohledu většiny metrik; věci jako provozní / taktovací rychlosti, které lze podporovat, spotřeba energie, pevně spojené vytváření tepla atd., ale citlivost na poškození způsobené tím, co by se jinak považovalo za triviální množství energie, se také výrazně zvyšuje, jak klesá velikost funkce.
Ochrana ESD je dnes integrována do mnoha elektronik, ale pokud máte 500 miliard tranzistorů v integrovaném obvodu, není problémem určit, jakou cestou bude statický výboj se 100% jistotou.
Lidské tělo je někdy modelováno (model lidského těla; HBM) tak, že má kapacitu 100 až 250 pikofarad. V tomto modelu může být napětí vysoké (v závislosti na zdroji) až 25 kV (i když některé tvrdí, že jsou vysoké až 3 kV). Při použití větších čísel by měl člověk energetický „náboj“ přibližně 150 milijoulů. Plně „nabitá“ osoba by si toho obvykle nebyla vědoma a vybije se za zlomek sekundy první dostupnou pozemní cestou, často elektronickým zařízením.
Upozorňujeme, že tato čísla předpokládají, že daná osoba nemá na sobě oděv schopný nést další poplatek, což je obvykle případ. Existují různé modely pro výpočet úrovně rizika a energie ESD a velmi rychle se stává matoucí, protože se zdá, že si v některých případech navzájem odporují. Zde je odkaz na vynikající diskuse mnoha standardů a modelů.
Bez ohledu na konkrétní metodu použitou k jejímu výpočtu to není a rozhodně to nezní jako mnoho energie, ale je to více než dostačující ke zničení moderního tranzistoru. Pro kontext je jeden joule energie ekvivalentní (podle Wikipedie) k energii potřebné ke zvednutí středně velkého rajčete (100 gramů) jeden metr svisle od povrchu Země.
To spadá na stranu „nejhoršího scénáře“ události ESD pouze pro člověka, kdy člověk nese náboj a vybije jej do citlivého zařízení. Napětí, které je vysoké z relativně malého množství náboje, nastane, když je osoba velmi špatně uzemněna. Klíčovým faktorem toho, co a kolik se poškodí, není ve skutečnosti náboj nebo napětí, ale proud, který lze v této souvislosti považovat za nízký odpor cesty elektronického zařízení k zemi.
Lidé pracující kolem elektroniky jsou obvykle uzemněni řemínky na zápěstí a / nebo uzemňovacími řemínky na nohou. Nejsou to „šortky“ pro uzemnění; odpor je dimenzován tak, aby zabránil pracovníkům sloužit jako hromosvody (snadno se dostanou elektrickým proudem). Pásky na zápěstí jsou typicky v rozsahu 1M Ohm, ale to stále umožňuje rychlé vybití nahromaděné energie. Kapacitní a izolované předměty spolu s jakýmkoli dalším materiálem vytvářejícím nebo skladujícím náboj jsou izolovány od pracovních prostor, jako je polystyren, bublinková fólie a plastové kelímky.
Existuje doslova bezpočet dalších materiálů a situací, které mohou mít za následek poškození ESD (z pozitivních i negativních rozdílů relativního náboje) na zařízení, kde lidské tělo samo nenese náboj „interně“, ale pouze usnadňuje jeho pohyb. Příkladem kreslené úrovně by bylo nošení vlněného svetru a ponožek při chůzi po koberci a následném zvednutí nebo dotyku kovového předmětu. Tím se vytvoří výrazně vyšší množství energie, než by si tělo samo dokázalo uložit.
Poslední bod k tomu, jak málo energie je potřeba k poškození moderní elektroniky. 10 nm tranzistor (zatím není běžný, ale bude to v příštích několika letech) má tloušťku brány menší než 6 nm, což se blíží tomu, čemu se říká monovrstva (jedna vrstva atomů).
Je to velmi komplikovaný předmět a množství poškození, které může událost ESD způsobit zařízení, je obtížné předvídat kvůli velkému počtu proměnných, včetně rychlosti vybíjení (kolik odporu je mezi nábojem a zemí) , počet cest k zemi zařízením, vlhkost a teploty okolí a mnoho dalších. Všechny tyto proměnné mohou být zapojeny do různých rovnic, které mohou modelovat dopad, ale zatím nejsou strašně přesné při předpovídání skutečného poškození, ale lepší při stanovení možného poškození z události.
V mnoha případech, a to je velmi specifické pro dané odvětví (například lékařské nebo letecké), je událost katastrofického selhání způsobená ESD mnohem lepším výsledkem než událost ESD, která prochází výrobou a zkoušením bez povšimnutí. Nepozorované události ESD mohou vytvořit velmi malou vadu nebo možná mírně zhoršit již existující a nezjištěnou latentní vadu, která se v obou scénářích může časem zhoršit buď kvůli dalším malým událostem ESD, nebo jen kvůli běžnému používání.
Nakonec vedou ke katastrofickému a předčasnému selhání zařízení v uměle zkráceném časovém rámci, který nelze předpovědět modely spolehlivosti (které jsou základem pro plány údržby a výměny). Kvůli tomuto nebezpečí a lze snadno myslet na hrozné situace (například kardiostimulátorový mikroprocesor nebo přístroje pro řízení letu), je nyní hlavní oblastí výzkumu vymýšlení způsobů testování a modelování latentních defektů vyvolaných ESD.
Pro spotřebitele, který nepracuje nebo o výrobě elektroniky příliš neví, se nemusí zdát problém. V době, kdy je většina elektroniky zabalena k prodeji, existuje řada ochranných opatření, která by zabránila většině poškození ESD. Citlivé součásti jsou fyzicky nepřístupné a jsou k dispozici pohodlnější cesty k zemi (tj. Šasi počítače je připojeno k zemi, vybití ESD do něj téměř jistě nepoškodí CPU uvnitř skříně, ale místo toho se použije cesta s nejnižším odporem k uzemnění prostřednictvím napájecího zdroje a zdroje napájení ze zásuvky). Alternativně nejsou možné žádné rozumné cesty pro vedení proudu; mnoho mobilních telefonů má nevodivé exteriéry a při nabíjení mají pouze zemní cestu.
Abych toho dosáhl, musím každé tři měsíce absolvovat školení ESD, abych mohl pokračovat. Ale myslím, že by to mělo stačit k zodpovězení vaší otázky. Věřím, že vše v této odpovědi je přesné, ale důrazně doporučuji, abyste si ji přečetli přímo, abyste se lépe seznámili s tímto fenoménem, pokud jsem navždy nezničil vaši zvědavost.
Jedna věc, kterou lidé považují za neintuitivní, je ta, že tašky, které často vidíte a v nichž je uložena a odesílána elektronika (antistatické tašky), jsou také vodivé. Antistatický znamená, že materiál nebude sbírat žádný smysluplný náboj z interakce s jinými materiály. Ale ve světě ESD je stejně důležité (v nejvyšší možné míře), že všechno má stejnou referenční hodnotu zemního napětí.
Pracovní povrchy (podložky ESD), tašky ESD a další materiály jsou obvykle udržovány vázány na společnou zem, a to buď jednoduše tím, že mezi nimi není izolovaný materiál, nebo přesněji zapojením cest s nízkým odporem k zemi mezi všemi pracovními lavičkami; konektory pro náramky pracovníků, podlahu a některé vybavení. Tady jsou bezpečnostní problémy. Pokud pracujete s výbušninami a elektronikou, může být váš náramek připevněn přímo k zemi, spíše než k odporu 1M Ohm. Pokud pracujete s velmi vysokým napětím, vůbec byste se neuzemnili.
Zde je citát o nákladech na ESD od společnosti Cisco, které mohou být dokonce trochu konzervativní, protože vedlejší škody způsobené selháním pole pro společnost Cisco obvykle nevedou ke ztrátám na životech, což může zvýšit tento počet stovekkrát na řádově :
Máte co dodat k vysvětlení? Zvuk v komentářích. Chcete si přečíst více odpovědí od ostatních technicky zdatných uživatelů Stack Exchange? Podívejte se na celé diskusní vlákno zde .
