Kaikki meistä ovat kuulleet varoitukset varmistaaksemme, että meillä on kunnollinen maadoitus työskenneltäessä elektronisten laitteidemme kanssa, mutta onko tekniikan kehitys vähentänyt staattisen sähkön aiheuttamien vahinkojen ongelmaa vai onko se edelleen yhtä yleistä kuin aiemmin? Tämän päivän SuperUser Q & A -postilla on kattava vastaus utelias lukijan kysymykseen.
Tämän päivän Kysymys- ja vastausistunto tulee meille SuperUser-yhteisöstään, joka on Stack Exchangen osasto.
Kuva: Jared Tarbell (Flickr).
Kysymys
SuperUser-lukija Ricku haluaa tietää, onko staattinen sähkövaurio edelleen suuri ongelma elektroniikassa nyt:
Olen kuullut, että staattinen sähkö oli iso ongelma pari vuosikymmentä sitten. Onko se edelleen suuri ongelma nyt? Uskon, että on harvinaista, että ihminen "paistaa" tietokoneosaa nyt.
Onko staattisen sähkön vaurioituminen edelleen valtava ongelma elektroniikassa?
Vastaus
SuperUser-avustaja Argonautsilla on vastaus meille:
Teollisuudessa sitä kutsutaan sähköstaattiseksi purkaukseksi (ESD), ja se on nyt paljon suurempi ongelma kuin koskaan; vaikka sitä on jonkin verran lieventänyt melko äskettäin otettu laajasti käyttöön politiikat ja menettelyt, jotka auttavat vähentämään ESD-tuotteiden vahingoittumisen todennäköisyyttä. Siitä huolimatta sen vaikutus elektroniikkateollisuuteen on suurempi kuin monet muut kokonaiset teollisuudenalat.
Se on myös valtava tutkimusaihe ja erittäin monimutkainen, joten kosketan vain muutamia kohtia. Jos olet kiinnostunut, aiheesta on omistettu lukuisia ilmaisia lähteitä, materiaaleja ja verkkosivustoja. Monet ihmiset omistavat uransa tälle alueelle. ESD: n vahingoittamilla tuotteilla on hyvin todellinen ja erittäin suuri vaikutus kaikkiin elektroniikkaan liittyviin yrityksiin, olivatpa ne sitten valmistajia, suunnittelijoita tai "kuluttajia", ja kuten monet teollisuudenalat, niiden kustannukset siirtyvät meille.
ESD-yhdistykseltä:
Kun laitteet ja niiden ominaisuuksien koko pienenevät jatkuvasti, ne ovat alttiimpia ESD: n vaurioittamiselle, mikä on järkevää vähän ajateltuaan. Elektroniikan rakentamiseen käytettyjen materiaalien mekaaninen lujuus yleensä pienenee, kun niiden koko pienenee, samoin kuin materiaalin kyky vastustaa nopeita lämpötilamuutoksia, joita yleensä kutsutaan termiseksi massaksi (aivan kuten makrokokoisissa kohteissa). Noin 2003 pienimmät ominaisuuskoot olivat 180 nm: n alueella, ja nyt lähestymme nopeasti 10 nm: tä.
ESD-tapahtuma, joka olisi ollut 20 vuotta sitten vaaraton, voi tuhota nykyaikaisen elektroniikan. Transistoreissa porttimateriaali on usein uhri, mutta myös muut virtaa kuljettavat elementit voidaan höyrystää tai sulattaa. IC: n nastojen juote (pintakiinnitysvastine, kuten palloruudukkorakenne ovat nykyään paljon yleisempiä) piirilevyllä voidaan sulattaa, ja itse piillä on joitain kriittisiä ominaisuuksia (erityisesti sen dielektrisyysarvo), jotka voidaan muuttaa korkealla lämmöllä . Kaiken kaikkiaan se voi vaihtaa piirin puolijohteesta ainajohtimeen, mikä yleensä päättyy kipinä ja paha haju, kun siru kytketään päälle.
Pienemmät ominaisuuksien koot ovat melkein täysin positiivisia useimmista mittareista; asioita, kuten toiminta- / kellotaajuudet, joita voidaan tukea, virrankulutus, tiiviisti kytketty lämmöntuotto jne., mutta herkkyys vahingoille, joita muuten pidettäisiin triviaalina energiamäärinä, kasvaa myös huomattavasti ominaisuuden koon pienentyessä.
ESD-suojaus on rakennettu moniin elektroniikoihin nykyään, mutta jos integroidussa piirissä on 500 miljardia transistoria, ei ole vaikeata määritellä, minkä polun staattinen purkaus kulkee 100 prosentin varmuudella.
Ihmiskeho mallinnetaan toisinaan (ihmiskehomalli; HBM) siten, että sen kapasitanssi on 100 - 250 pikofaradia. Tuossa mallissa jännite voi nousta niin korkeaksi (lähteestä riippuen) kuin 25 kV (vaikka jotkut väittävät vain korkeintaan 3 kV). Suurempia lukuja käyttämällä henkilön energiavaraus olisi noin 150 millijoulea. Täysin "ladattu" henkilö ei yleensä ole tietoinen siitä ja se purkautuu sekunnin murto-osan läpi ensimmäisen käytettävissä olevan maareitin, usein elektronisen laitteen, läpi.
Huomaa, että nämä luvut olettavat, että henkilöllä ei ole vaatteita, jotka kykenisivät kuljettamaan lisämaksua, mikä yleensä tapahtuu. On eri malleja ESD-riskin ja energiatason laskemisessa, ja se hämmentyy melko nopeasti, koska ne näyttävät olevan joissakin tapauksissa ristiriidassa keskenään. Tässä on linkki erinomainen keskustelu monista standardeista ja malleista.
Riippumatta sen laskemiseen käytetystä erityisestä menetelmästä, se ei ole, eikä varmasti kuulosta kovin paljon energialta, mutta se on enemmän kuin riittävä tuhoamaan moderni transistori. Kontekstin kannalta yksi joulien energia vastaa (Wikipedian mukaan) energiaa, joka tarvitaan keskikokoisen tomaatin (100 grammaa) nostamiseen yhden metrin korkeudessa maan pinnalta.
Tämä kuuluu vain ihmisille tarkoitetun ESD-tapahtuman "pahin skenaario" -puolelle, jossa ihminen kantaa varausta ja purkaa sen alttiiseen laitteeseen. Jännite, joka on korkea suhteellisen matalasta latauksesta, tapahtuu, kun henkilö on hyvin huonosti maadoitettu. Avaintekijä sille, mikä ja kuinka paljon vahingoittuu, ei oikeastaan ole varaus tai jännite, vaan virta, jonka voidaan tässä yhteydessä ajatella olevan kuinka pieni elektronisen laitteen tien vastus maahan on.
Elektroniikan ympärillä työskentelevät ihmiset maadoitetaan yleensä rannehihnoilla ja / tai maadoitushihnoilla jaloillaan. Ne eivät ole ”shortseja” maadoitukseen; vastus on mitoitettu estämään työntekijöitä toimimasta salamanvarrina (helposti sähköiskussa). Rannehihnat ovat tyypillisesti 1 M ohmialueella, mutta se sallii silti kaiken kertyneen energian nopean purkamisen. Kapasitiiviset ja eristetyt esineet sekä kaikki muut varausta tuottavat tai varastoivat materiaalit on eristetty työalueilta, kuten polystyreeni, kuplat ja muovikupit.
Kirjaimellisesti on lukemattomia muita materiaaleja ja tilanteita, jotka voivat aiheuttaa ESD-vaurioita (sekä positiivisista että negatiivisista suhteellisista varauseroista) laitteeseen, jossa ihmiskeho ei itse kuljeta varausta "sisäisesti", vaan vain helpottaa sen liikkumista. Sarjakuva-tason esimerkki olisi villapuseron ja sukkien käyttäminen kävelemällä maton poikki, sitten poimimalla tai koskettamalla metalliesinettä. Se luo huomattavasti suuremman määrän energiaa kuin keho itse pystyy varastoimaan.
Viimeinen asia siitä, kuinka vähän energiaa kuluu nykyaikaisen elektroniikan vahingoittamiseen. 10 nm: n transistorin (ei vielä yleinen, mutta se tapahtuu muutaman seuraavan vuoden aikana) portin paksuus on alle 6 nm, mikä on lähestymässä sitä, mitä he kutsuvat yksikerrokseksi (yksi kerros atomeja).
Se on hyvin monimutkainen aihe, ja ESD-tapahtuman laitteelle aiheuttaman vahingon määrää on vaikea ennustaa valtavan määrän muuttujien vuoksi, mukaan lukien purkausnopeus (kuinka paljon vastusta on varauksen ja maan välillä) , laitteen läpi kulkevien polkujen lukumäärä maahan, kosteus ja ympäristön lämpötilat sekä paljon muuta. Kaikki nämä muuttujat voidaan kytkeä erilaisiin yhtälöihin, jotka voivat mallintaa vaikutusta, mutta ne eivät vielä ole kovin tarkkoja ennustamaan todellisia vahinkoja, mutta paremmin muotoilemaan tapahtuman mahdolliset vahingot.
Monissa tapauksissa, ja tämä on hyvin toimialakohtaista (ajattele lääketieteellistä tai ilmailuteollisuutta), ESD: n aiheuttama katastrofaalinen vikatapahtuma on paljon parempi tulos kuin ESD-tapahtuma, joka läpäisee valmistuksen ja testauksen huomaamatta. Huomaamattomat ESD-tapahtumat voivat aiheuttaa hyvin pienen vian tai ehkä pahentaa hieman aiemmin olemassa olevaa ja huomaamatonta 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 aikataulussa, jota luotettavuusmallit (jotka ovat huolto- ja vaihto-ohjelmien perustana) eivät voi ennustaa. Tämän vaaran vuoksi on helppo ajatella kauhistuttavia tilanteita (esimerkiksi sydämentahdistimen mikroprosessori tai lennonohjauslaitteet), tapojen keksiminen piilevien ESD: n aiheuttamien vikojen testaamiseksi ja mallintamiseksi on tällä hetkellä tärkeä tutkimusalue.
Kuluttajalle, joka ei työskentele elektroniikkateollisuudessa tai tietää paljon siitä, se ei ehkä näytä olevan ongelma. Siihen mennessä, kun suurin osa elektroniikasta pakataan myyntiin, on olemassa lukuisia suojatoimenpiteitä, jotka estävät suurimman osan ESD-vaurioista. Herkät komponentit ovat fyysisesti mahdottomia päästä ja käytettävissä on helpompia polkuja maahan (ts. Tietokoneen runko on sidottu maahan, ESD: n tyhjentäminen siihen ei varmastikaan vahingoita kotelon sisällä olevaa prosessoria, vaan vie pienimmän vastuksen polun maadoitettu virtalähteen ja pistorasian kautta). Vaihtoehtoisesti kohtuulliset virransiirtoreitit eivät ole mahdollisia; monilla matkapuhelimilla on johtamattomia ulkotiloja, ja niillä on maataso vain ladattaessa.
Tietojeni vuoksi minun on käytävä ESD-koulutuksessa kolmen kuukauden välein, jotta voisin vain jatkaa. Mutta mielestäni tämän pitäisi olla riittävä vastaamaan kysymykseesi. Uskon kaiken tämän vastauksen olevan paikkansapitävä, mutta suosittelen voimakkaasti lukemaan sen suoraan tutustuakseni paremmin ilmiöön, jos en ole tuhonnut uteliaisuuttasi lopullisesti.
Yksi asia, jonka ihmiset pitävät vasta-intuitiivisena, on se, että pussit, joihin usein näette elektroniikkaa varastoituna ja lähetettynä (antistaattiset pussit), ovat myös johtavia. Antistaattinen tarkoittaa, että materiaali ei kerää mitään merkityksellistä varausta vuorovaikutuksessa muiden materiaalien kanssa. Mutta ESD-maailmassa on yhtä tärkeää (mahdollisimman suuressa määrin), että kaikilla on sama maadoitusjännite.
Työtasot (ESD-matot), ESD-pussit ja muut materiaalit pidetään tyypillisesti sidottuina yhteiseen maahan joko yksinkertaisesti ilman, että niiden välillä on eristettyä materiaalia, tai tarkemmin sanottuna johtamalla matalan vastuksen polkuja maahan kaikkien työpöytien väliin; työntekijöiden rannehihnojen, lattian ja joidenkin laitteiden liittimet. Täällä on turvallisuuskysymyksiä. Jos työskentelet räjähteiden ja elektroniikan ympärillä, rannehihnasi saattaa olla sidottu suoraan maahan 1 M ohmin vastuksen sijaan. Jos työskentelet erittäin suuren jännitteen ympärillä, et maadoita itseäsi ollenkaan.
Tässä on lainaus Ciscon ESD-kustannuksista, jotka saattavat olla jopa hieman konservatiivisia, koska Ciscon kenttävikojen aiheuttamat vakavat vahingot eivät yleensä aiheuta ihmishenkiä, mikä voi nostaa 100x suuruusluokkiin :
Onko sinulla jotain lisättävää selitykseen? Ääni pois kommenteista. Haluatko lukea lisää vastauksia muilta teknisesti taitavilta Stack Exchangen käyttäjiltä? Katso koko keskusteluketju täältä .
