We hebben allemaal de waarschuwingen gehoord om ervoor te zorgen dat we goed geaard zijn wanneer we aan onze elektronische apparaten werken, maar hebben technologische vooruitgang het probleem van schade door statische elektriciteit verminderd of is het nog steeds zo wijdverspreid als voorheen? De SuperUser Q & A-post van vandaag bevat een uitgebreid antwoord op de vraag van een nieuwsgierige lezer.
De vraag- en antwoordsessie van vandaag komt tot ons dankzij SuperUser - een onderdeel van Stack Exchange, een community-gedreven groepering van Q & A-websites.
Foto met dank aan Jared Tarbell (Flickr).
De vraag
SuperUser-lezer Ricku wil weten of schade door statische elektriciteit nu nog steeds een enorm probleem is met elektronica:
Ik heb gehoord dat statische elektriciteit een paar decennia geleden een groot probleem was. Is het nu nog steeds een groot probleem? Ik geloof dat het zeldzaam is dat iemand nu een computercomponent "frituurt".
Is schade door statische elektriciteit nu nog steeds een groot probleem met elektronica?
Het antwoord
SuperUser-bijdrager Argonauts heeft het antwoord voor ons:
In de industrie wordt het elektro-statische ontlading (ESD) genoemd en is het nu een veel groter probleem dan ooit; hoewel het enigszins is verzacht door de vrij recente wijdverbreide goedkeuring van beleidsmaatregelen en procedures die helpen de kans op ESD-schade aan producten te verkleinen. Hoe dan ook, de impact ervan op de elektronica-industrie is groter dan die van veel andere complete industrieën.
Het is ook een enorm onderwerp van studie en erg complex, dus ik zal slechts een paar punten bespreken. Als u geïnteresseerd bent, zijn er talloze gratis bronnen, materialen en websites die aan dit onderwerp zijn gewijd. Veel mensen wijden hun carrière aan dit gebied. Producten die beschadigd zijn door ESD hebben een zeer reële en zeer grote impact op alle bedrijven die betrokken zijn bij elektronica, of het nu gaat om een fabrikant, ontwerper of "consument", en zoals veel dingen die in een branche worden aangepakt, worden de kosten ervan doorberekend aan ons.
Van de ESD Association:
Naarmate apparaten en de omvang van hun functies steeds kleiner worden, worden ze gevoeliger voor beschadiging door ESD, wat logisch is na een beetje nadenken. De mechanische sterkte van de materialen die worden gebruikt om elektronica te bouwen, neemt over het algemeen af naarmate hun grootte afneemt, evenals het vermogen van het materiaal om snelle temperatuurveranderingen te weerstaan, meestal thermische massa genoemd (net als bij objecten op macroschaal). Rond 2003 bevonden de kleinste feature-afmetingen zich in het bereik van 180 nm en nu naderen we snel de 10 nm.
Een ESD-gebeurtenis die twintig jaar geleden onschadelijk zou zijn geweest, zou mogelijk moderne elektronica kunnen vernietigen. Op transistors is het poortmateriaal vaak het slachtoffer, maar ook andere stroomvoerende elementen kunnen worden verdampt of gesmolten. Soldeer op de pinnen van een IC (een equivalent voor oppervlaktemontage zoals een Ball Grid Array komt tegenwoordig veel vaker voor) op een PCB kan worden gesmolten, en het silicium zelf heeft enkele kritische kenmerken (vooral de diëlektrische waarde) die kunnen worden gewijzigd door hoge temperaturen . Alles bij elkaar genomen, kan het het circuit veranderen van een halfgeleider naar een altijd geleider, die meestal eindigt met een vonk en een slechte geur wanneer de chip wordt ingeschakeld.
Kleinere objectgroottes zijn bijna volledig positief vanuit de meeste metrieksperspectieven; zaken als bedrijfs- / kloksnelheden die kunnen worden ondersteund, stroomverbruik, nauw gekoppelde warmteopwekking, enz., maar de gevoeligheid voor schade door wat anders als triviale hoeveelheden energie zou worden beschouwd, neemt ook aanzienlijk toe naarmate de functie kleiner wordt.
ESD-bescherming is tegenwoordig in veel elektronica ingebouwd, maar als je 500 miljard transistors in een geïntegreerd circuit hebt, is het geen probleem om met 100 procent zekerheid te bepalen welke weg een statische ontlading zal volgen.
Het menselijk lichaam wordt soms gemodelleerd (Human Body Model; HBM) met een capaciteit van 100 tot 250 picofarads. In dat model kan de spanning zo hoog worden (afhankelijk van de bron) als 25 kV (hoewel sommigen beweren slechts 3 kV). Als je de grotere getallen gebruikt, zou de persoon een energielading hebben van ongeveer 150 millijoule. Een volledig "opgeladen" persoon zou zich er doorgaans niet van bewust zijn en het wordt in een fractie van een seconde ontladen via het eerste beschikbare aardpad, vaak een elektronisch apparaat.
Houd er rekening mee dat bij deze cijfers wordt aangenomen dat de persoon geen kleding draagt die een extra toeslag kan dragen, wat normaal gesproken het geval is. Er zijn verschillende modellen voor het berekenen van ESD-risico en energieniveaus, en het wordt heel snel behoorlijk verwarrend omdat ze in sommige gevallen met elkaar in tegenspraak lijken te zijn. Hier is een link naar een uitstekende discussie van veel van de normen en modellen.
Ongeacht de specifieke methode die wordt gebruikt om het te berekenen, het is niet en klinkt zeker niet als veel energie, maar het is meer dan voldoende om een moderne transistor te vernietigen. Voor de context is één joule energie equivalent (volgens Wikipedia) aan de energie die nodig is om een middelgrote tomaat (100 gram) één meter verticaal van het aardoppervlak te tillen.
Dit valt aan de kant van het "slechtste scenario" van een ESD-gebeurtenis die alleen voor mensen is, waarbij de mens een lading draagt en deze in een vatbaar apparaat ontlaadt. Een spanning die hoog is door een relatief lage hoeveelheid lading, treedt op als de persoon erg slecht geaard is. Een sleutelfactor in wat en hoeveel beschadigd raakt, is niet de lading of de spanning, maar de stroom, die in deze context kan worden beschouwd als hoe laag de weerstand van het pad van het elektronische apparaat naar een aarde is.
Mensen die met elektronica werken, zijn meestal geaard met polsbanden en / of aardingsriemen aan hun voeten. Ze zijn geen "kortsluiting" voor aarding; de weerstand is zo bemeten dat de arbeiders niet als bliksemafleiders kunnen dienen (gemakkelijk geëlektrocuteerd kunnen worden). Polsbandjes bevinden zich meestal in het bereik van 1M Ohm, maar dat zorgt nog steeds voor een snelle ontlading van alle opgehoopte energie. Capacitieve en geïsoleerde items, samen met andere materialen die lading genereren of opslaan, zijn geïsoleerd van werkgebieden, zoals polystyreen, noppenfolie en plastic bekers.
Er zijn letterlijk talloze andere materialen en situaties die kunnen resulteren in ESD-schade (van zowel positieve als negatieve relatieve ladingsverschillen) aan een apparaat waarbij het menselijk lichaam zelf de lading niet "intern" draagt, maar alleen zijn beweging faciliteert. Een voorbeeld van een cartoonniveau is het dragen van een wollen trui en sokken terwijl je over een tapijt loopt en vervolgens een metalen voorwerp oppakt of aanraakt. Dat levert een beduidend meer energie op dan het lichaam zelf zou kunnen opslaan.
Een laatste punt over hoe weinig energie het kost om moderne elektronica te beschadigen. Een transistor van 10 nm (nog niet gebruikelijk, maar zal dat de komende jaren zijn) heeft een poortdikte van minder dan 6 nm, wat in de buurt komt van wat ze een monolaag (een enkele laag atomen) noemen.
Het is een zeer gecompliceerd onderwerp en de hoeveelheid schade die een ESD-gebeurtenis aan een apparaat kan veroorzaken, is moeilijk te voorspellen vanwege het enorme aantal variabelen, waaronder de snelheid van ontlading (hoeveel weerstand er is tussen de lading en een aarde) , het aantal paden naar een grond door het apparaat, vochtigheid en omgevingstemperaturen, en nog veel meer. Al deze variabelen kunnen worden ingevoegd in verschillende vergelijkingen die de impact kunnen modelleren, maar ze zijn nog niet erg nauwkeurig in het voorspellen van werkelijke schade, maar ze zijn beter in het kaderen van de mogelijke schade van een gebeurtenis.
In veel gevallen, en dit is zeer branchespecifiek (denk aan medisch of ruimtevaart), is een ESD-geïnduceerde catastrofale storing een veel betere uitkomst dan een ESD-gebeurtenis die ongemerkt door fabricage en testen gaat. Onopgemerkte ESD-gebeurtenissen kunnen een zeer klein defect veroorzaken, of misschien een reeds bestaand en niet-ontdekt latent defect enigszins verergeren, dat in beide scenario's na verloop van tijd erger kan worden als gevolg van aanvullende kleine ESD-gebeurtenissen of gewoon regelmatig gebruik.
Ze resulteren uiteindelijk in een catastrofale en voortijdige uitval van het apparaat in een kunstmatig verkort tijdsbestek dat niet kan worden voorspeld door betrouwbaarheidsmodellen (die de basis vormen voor onderhouds- en vervangingsschema's). Vanwege dit gevaar, en het is gemakkelijk om vreselijke situaties te bedenken (bijvoorbeeld de microprocessor van een pacemaker of vluchtbesturingsinstrumenten), is het momenteel een belangrijk onderzoeksgebied om manieren te bedenken om latente ESD-geïnduceerde defecten te testen en te modelleren.
Voor een consument die niet werkt in of niet veel weet over de fabricage van elektronica, lijkt dit misschien geen probleem te zijn. Tegen de tijd dat de meeste elektronica voor verkoop wordt verpakt, zijn er tal van voorzorgsmaatregelen getroffen die de meeste ESD-schade zouden voorkomen. De gevoelige componenten zijn fysiek ontoegankelijk en er zijn handigere paden naar een grond beschikbaar (dwz een computerchassis is aan een grond vastgemaakt, ESD erin ontladen zal de CPU in de behuizing vrijwel zeker niet beschadigen, maar neemt in plaats daarvan het pad met de laagste weerstand naar een aarde via de voeding en de stroombron in het stopcontact). Als alternatief zijn er geen redelijke stroomvoerende paden mogelijk; Veel mobiele telefoons hebben een niet-geleidende buitenkant en hebben alleen een aarding wanneer ze worden opgeladen.
Voor de goede orde, ik moet elke drie maanden een ESD-training volgen, dus ik kon gewoon doorgaan. Maar ik denk dat dit voldoende zou moeten zijn om uw vraag te beantwoorden. Ik geloof dat alles in dit antwoord juist is, maar ik zou sterk adviseren om het rechtstreeks te lezen om beter vertrouwd te raken met het fenomeen als ik je nieuwsgierigheid niet voorgoed heb vernietigd.
Een ding dat mensen contra-intuïtief vinden, is dat de tassen waarin je vaak elektronica ziet opgeslagen en verzonden (antistatische tassen) ook geleidend zijn. Antistatisch betekent dat het materiaal geen zinvolle lading verzamelt door interactie met andere materialen. Maar in de ESD-wereld is het net zo belangrijk (voor zover mogelijk) dat alles dezelfde aardspanningsreferentie heeft.
Werkoppervlakken (ESD-matten), ESD-tassen en andere materialen worden allemaal typisch verbonden gehouden met een gemeenschappelijke grond, ofwel door simpelweg geen geïsoleerd materiaal ertussen te hebben, of meer expliciet door paden met lage weerstand te bedraden naar een grond tussen alle werkbanken; de connectoren voor de polsbanden van de arbeiders, de vloer en wat apparatuur. Er zijn hier veiligheidsproblemen. Als u in de buurt van explosieven en elektronica werkt, is uw polsband mogelijk rechtstreeks aan een aarde vastgemaakt in plaats van aan een weerstand van 1M Ohm. Als u in de buurt van zeer hoge spanning werkt, zou u zich helemaal niet aarden.
Hier is een citaat van Cisco over de kosten van ESD, dat misschien zelfs een beetje conservatief is, aangezien de bijkomende schade door storingen in het veld voor Cisco doorgaans niet resulteert in het verlies van mensenlevens, wat de 100x waarnaar verwezen wordt in ordes van grootte kan verhogen. :
Iets toe te voegen aan de uitleg? Geluid uit in de reacties. Wilt u meer antwoorden lezen van andere technisch onderlegde Stack Exchange-gebruikers? Bekijk hier de volledige discussiethread .
