Tutti noi abbiamo sentito gli avvertimenti per assicurarci di essere adeguatamente messi a terra quando lavoriamo sui nostri dispositivi elettronici, ma i progressi della tecnologia hanno ridotto il problema dei danni dell'elettricità statica o è ancora così diffuso come prima? Il post di domande e risposte di SuperUser di oggi contiene una risposta esauriente alla domanda di un lettore curioso.
La sessione di domande e risposte di oggi ci arriva per gentile concessione di SuperUser, una suddivisione di Stack Exchange, un raggruppamento guidato dalla comunità di siti web di domande e risposte.
Foto per gentile concessione di Jared Tarbell (Flickr).
La domanda
Il lettore SuperUser Ricku vuole sapere se i danni causati dall'elettricità statica sono ancora un grosso problema con l'elettronica ora:
Ho sentito dire che l'elettricità statica era un grosso problema un paio di decenni fa. È ancora un grosso problema adesso? Credo che sia raro per una persona "friggere" un componente del computer ora.
Il danno dell'elettricità statica è ancora un grosso problema con l'elettronica ora?
La risposta
Il collaboratore di SuperUser Argonauts ha la risposta per noi:
Nel settore, viene indicato come scarica elettrostatica (ESD) ed è molto più un problema ora di quanto non lo sia mai stato; sebbene sia stato in qualche modo mitigato dall'adozione abbastanza recente e diffusa di politiche e procedure che aiutano a ridurre la probabilità di danni ESD ai prodotti. Indipendentemente da ciò, il suo impatto sull'industria elettronica è maggiore di quello di molti altri interi settori.
È anche un argomento di studio enorme e molto complesso, quindi toccherò solo alcuni punti. Se sei interessato, ci sono numerose fonti, materiali e siti web gratuiti dedicati all'argomento. Molte persone dedicano la loro carriera a questo settore. I prodotti danneggiati da ESD hanno un impatto molto reale e molto grande su tutte le aziende coinvolte nell'elettronica, che si tratti di produttori, designer o "consumatori", e come molte cose trattate in un settore, i suoi costi vengono trasferiti a noi.
Dall'associazione ESD:
Man mano che i dispositivi e le dimensioni delle loro caratteristiche diventano sempre più piccoli, diventano più suscettibili di essere danneggiati da ESD, il che ha senso dopo un po 'di riflessione. La resistenza meccanica dei materiali utilizzati per costruire l'elettronica generalmente diminuisce al diminuire delle loro dimensioni, così come la capacità del materiale di resistere a rapidi cambiamenti di temperatura, solitamente denominati massa termica (proprio come negli oggetti in scala macro). Intorno al 2003, le dimensioni delle caratteristiche più piccole erano nella gamma di 180 nm e ora ci stiamo rapidamente avvicinando a 10 nm.
Un evento ESD che 20 anni fa sarebbe stato innocuo potrebbe potenzialmente distruggere l'elettronica moderna. Sui transistor, il materiale del gate è spesso la vittima, ma anche altri elementi che trasportano corrente possono essere vaporizzati o sciolti. La saldatura sui pin di un circuito integrato (un equivalente a montaggio superficiale come un Ball Grid Array è molto più comune in questi giorni) su un PCB può essere fusa e il silicio stesso ha alcune caratteristiche critiche (specialmente il suo valore dielettrico) che possono essere modificate dal calore elevato . Nel complesso, può cambiare il circuito da un semiconduttore a un conduttore sempre, che di solito termina con una scintilla e un cattivo odore quando il chip è acceso.
Le dimensioni delle caratteristiche più piccole sono quasi interamente positive dalla maggior parte delle prospettive delle metriche; cose come le velocità operative / di clock che possono essere supportate, il consumo di energia, la generazione di calore strettamente accoppiata, ecc., Ma la sensibilità ai danni da quelle che altrimenti sarebbero considerate quantità irrisorie di energia aumenta notevolmente anche quando le dimensioni delle caratteristiche diminuiscono.
La protezione ESD è incorporata in molti dispositivi elettronici oggi, ma se si hanno 500 miliardi di transistor in un circuito integrato, non è un problema trattabile determinare quale percorso prenderà una scarica statica con il 100% di certezza.
Il corpo umano è talvolta modellato (Modello del corpo umano; HBM) come avente da 100 a 250 picofarad di capacità. In quel modello, la tensione può arrivare fino a 25 kV (a seconda della sorgente) (anche se alcuni affermano solo di 3 kV). Usando i numeri più grandi, la persona avrebbe una "carica" energetica di circa 150 millijoule. Una persona completamente "carica" normalmente non se ne accorge e viene scaricata in una frazione di secondo attraverso il primo percorso di terra disponibile, spesso un dispositivo elettronico.
Si noti che questi numeri presumono che la persona non indossi abiti in grado di sostenere una carica aggiuntiva, come normalmente accade. Ci sono diversi modelli per il calcolo del rischio ESD e dei livelli di energia, e diventa abbastanza confuso molto rapidamente poiché in alcuni casi sembrano contraddirsi a vicenda. Ecco un collegamento a un file ottima discussione di molti standard e modelli.
Indipendentemente dal metodo specifico utilizzato per calcolarlo, non lo è, e certamente non suona come molta energia, ma è più che sufficiente per distruggere un transistor moderno. Per il contesto, un joule di energia è equivalente (secondo Wikipedia) all'energia necessaria per sollevare un pomodoro di medie dimensioni (100 grammi) un metro verticalmente dalla superficie della Terra.
Ciò ricade sul lato dello "scenario peggiore" di un evento ESD esclusivamente umano, in cui l'essere umano sta trasportando una carica e la scarica in un dispositivo sensibile. Una tensione così alta da una quantità di carica relativamente bassa si verifica quando la persona è molto poco collegata a terra. Un fattore chiave in cosa e quanto viene danneggiato non è in realtà la carica o la tensione, ma la corrente, che in questo contesto può essere pensata come quanto sia bassa la resistenza del percorso del dispositivo elettronico verso una massa.
Le persone che lavorano intorno all'elettronica sono solitamente collegate a terra con cinturini da polso e / o cinturini di messa a terra ai piedi. Non sono "pantaloncini" per la messa a terra; la resistenza è dimensionata per evitare che i lavoratori fungano da parafulmini (facilmente fulminati). I cinturini da polso sono tipicamente nella gamma 1M Ohm, ma ciò consente comunque la scarica rapida di qualsiasi energia accumulata. Gli oggetti capacitivi e isolati insieme a qualsiasi altro materiale che genera o immagazzina carica sono isolati dalle aree di lavoro, cose come polistirolo, pluriball e bicchieri di plastica.
Ci sono letteralmente innumerevoli altri materiali e situazioni che possono provocare danni ESD (da differenze di carica relative sia positive che negative) a un dispositivo in cui il corpo umano stesso non trasporta la carica "internamente", ma ne facilita il movimento. Un esempio a livello di fumetto potrebbe essere indossare un maglione di lana e calzini mentre si cammina su un tappeto, quindi prendere o toccare un oggetto di metallo. Ciò crea una quantità di energia significativamente maggiore di quella che il corpo stesso potrebbe immagazzinare.
Un ultimo punto su quanta poca energia ci vuole per danneggiare l'elettronica moderna. Un transistor da 10 nm (non ancora comune, ma lo sarà nei prossimi due anni) ha uno spessore di gate inferiore a 6 nm, che si avvicina a quello che chiamano monostrato (un singolo strato di atomi).
È un argomento molto complicato e la quantità di danni che un evento ESD può causare a un dispositivo è difficile da prevedere a causa dell'enorme numero di variabili, inclusa la velocità di scarica (quanta resistenza c'è tra la carica e un terreno) , il numero di percorsi verso un terreno attraverso il dispositivo, l'umidità e la temperatura ambiente e molti altri. Tutte queste variabili possono essere inserite in varie equazioni che possono modellare l'impatto, ma non sono ancora molto accurate nel prevedere il danno effettivo, ma meglio nell'inquadrare il possibile danno da un evento.
In molti casi, e questo è molto specifico del settore (si pensi al settore medico o aerospaziale), un evento di guasto catastrofico indotto da ESD è un risultato di gran lunga migliore di un evento ESD che passa attraverso la produzione e i test inosservato. Gli eventi ESD non rilevati possono creare un difetto molto minore, o forse peggiorare leggermente un difetto latente preesistente e non rilevato, che in entrambi gli scenari può peggiorare nel tempo a causa di eventi ESD minori aggiuntivi o semplicemente di un uso regolare.
Alla fine si traducono in un guasto catastrofico e prematuro del dispositivo in un arco di tempo artificialmente ridotto che non può essere previsto dai modelli di affidabilità (che sono la base per i programmi di manutenzione e sostituzione). A causa di questo pericolo, ed è facile pensare a situazioni terribili (il microprocessore di un pacemaker o gli strumenti di controllo del volo, ad esempio), trovare modi per testare e modellare i difetti latenti indotti da ESD è una delle principali aree di ricerca in questo momento.
Per un consumatore che non lavora o non sa molto di produzione di elettronica, potrebbe non sembrare un problema. Nel momento in cui la maggior parte dei componenti elettronici viene confezionata per la vendita, sono in atto numerose protezioni che impedirebbero la maggior parte dei danni ESD. I componenti sensibili sono fisicamente inaccessibili e sono disponibili percorsi più convenienti verso un terreno (cioè lo chassis di un computer è legato a una terra, scaricando ESD quasi certamente non danneggerà la CPU all'interno del case, ma prenderà invece il percorso di resistenza più basso verso un terra tramite l'alimentatore e la presa a muro). In alternativa, non sono possibili percorsi di trasporto di corrente ragionevoli; molti telefoni cellulari hanno parti esterne non conduttive e hanno un percorso di terra solo quando vengono caricati.
Per la cronaca, devo seguire un corso ESD ogni tre mesi, quindi potrei semplicemente andare avanti. Ma penso che questo dovrebbe essere sufficiente per rispondere alla tua domanda. Credo che tutto in questa risposta sia accurato, ma consiglio vivamente di leggerlo direttamente per conoscere meglio il fenomeno se non ho distrutto per sempre la tua curiosità.
Una cosa che la gente trova controintuitiva è che anche le borse in cui vedi spesso i dispositivi elettronici immagazzinati e spediti (borse antistatiche) sono conduttive. Antistatico significa che il materiale non raccoglierà alcuna carica significativa dall'interazione con altri materiali. Ma nel mondo ESD, è altrettanto importante (per quanto possibile) che tutto abbia lo stesso riferimento di tensione di terra.
Le superfici di lavoro (tappetini ESD), i sacchi ESD e altri materiali sono tutti tipicamente tenuti legati a un terreno comune, semplicemente non avendo un materiale isolato tra di loro, o più esplicitamente collegando percorsi a bassa resistenza a un terreno tra tutti i banchi di lavoro; i connettori per i cinturini da polso dei lavoratori, il pavimento e alcune apparecchiature. Ci sono problemi di sicurezza qui. Se lavori con esplosivi ed elettronica ad alto potenziale, il tuo cinturino da polso potrebbe essere legato direttamente a un terreno piuttosto che a un resistore da 1M Ohm. Se lavori con un voltaggio molto alto, non ti metteresti affatto a terra.
Ecco una citazione sui costi dell'ESD di Cisco, che potrebbe anche essere un po 'prudente, poiché i danni collaterali da guasti sul campo per Cisco in genere non comportano la perdita di vite umane, il che può aumentare di 100 volte indicato per ordini di grandezza :
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