Toți am auzit avertismentele pentru a ne asigura că suntem corect conectați la pământ atunci când lucrăm la dispozitivele noastre electronice, dar progresele tehnologice au diminuat problema deteriorării electricității statice sau este încă la fel de răspândită ca înainte? Postarea de astăzi a SuperUser Q&A are un răspuns cuprinzător la întrebarea unui cititor curios.
Sesiunea de Întrebări și Răspunsuri de astăzi ne vine prin amabilitatea SuperUser - o subdiviziune a Stack Exchange, un grup de site-uri web de întrebări și răspunsuri bazat pe comunitate.
Fotografie oferită de Jared Tarbell (Flickr).
Intrebarea
Cititorul SuperUser Ricku vrea să știe dacă deteriorarea electricității statice este încă o problemă imensă cu electronica acum:
Am auzit că electricitatea statică a fost o mare problemă acum câteva decenii. Este încă o mare problemă acum? Cred că este rar ca o persoană să „prăjească” o componentă a computerului acum.
Este acum deteriorarea electricității statice o problemă imensă cu electronica acum?
Răspunsul
Contribuitorul SuperUser Argonauts are răspunsul pentru noi:
În industrie, aceasta este denumită descărcare electrostatică (ESD) și este mult mai mult o problemă acum decât a fost vreodată; deși a fost atenuată oarecum de adoptarea destul de recentă pe scară largă de politici și proceduri care contribuie la reducerea probabilității de deteriorare a produselor prin ESD. Indiferent, impactul său asupra industriei electronice este mai mare decât multe alte industrii întregi.
Este, de asemenea, un subiect imens de studiu și foarte complex, așa că voi atinge doar câteva puncte. Dacă sunteți interesat, există numeroase surse gratuite, materiale și site-uri web dedicate subiectului. Mulți oameni își dedică cariera acestui domeniu. Produsele deteriorate de ESD au un impact foarte real și foarte mare asupra tuturor companiilor implicate în electronică, indiferent dacă este vorba de producător, designer sau „consumator” și, ca multe lucruri tratate într-o industrie, costurile sale sunt transferate către ne.
De la Asociația ESD:
Pe măsură ce dispozitivele și dimensiunea caracteristicilor lor devin continuu mai mici, ele devin mai susceptibile de a fi deteriorate de ESD, ceea ce are sens după un pic de gândire. Rezistența mecanică a materialelor utilizate pentru a construi electronice scade în general pe măsură ce dimensiunea lor scade, la fel și capacitatea materialului de a rezista la schimbări rapide de temperatură, denumită de obicei masă termică (la fel ca în obiectele la scară macro). În jurul anului 2003, cele mai mici dimensiuni ale caracteristicilor se situau în gama de 180 nm și acum ne apropiem rapid de 10 nm.
Un eveniment ESD care acum 20 de ani ar fi fost inofensiv ar putea distruge electronica modernă. Pe tranzistoare, materialul porții este adesea victima, dar și alte elemente de transport curente pot fi vaporizate sau topite. Lipirea pe pinii unui IC (un echivalent de montare pe suprafață, cum ar fi Ball Grid Array sunt mult mai frecvente în zilele noastre) pe un PCB poate fi topit, iar siliciu în sine are unele caracteristici critice (în special valoarea sa dielectrică) care pot fi schimbate prin căldură ridicată . Luat în totalitate, poate schimba circuitul de la un semiconductor la un conductor mereu, care se termină de obicei cu o scânteie și un miros urât atunci când cipul este pornit.
Dimensiunile mai mici ale caracteristicilor sunt aproape în totalitate pozitive din majoritatea perspectivelor de măsurare; lucruri precum vitezele de funcționare / ceas care pot fi suportate, consumul de energie, generarea de căldură strâns cuplată etc., dar sensibilitatea la daune din ceea ce altfel ar fi considerat cantități banale de energie crește, de asemenea, pe măsură ce dimensiunea caracteristicii scade.
Protecția ESD este încorporată în multe electronice astăzi, dar dacă aveți 500 de miliarde de tranzistoare într-un circuit integrat, nu este o problemă rezolvabilă să determinați ce cale va lua o descărcare statică cu o siguranță de 100%.
Corpul uman este uneori modelat (Modelul corpului uman; HBM) ca având 100 până la 250 de picofarade de capacitate. În acel model, tensiunea poate ajunge la 25 kV (în funcție de sursă) (deși unii pretind doar la 3 kV). Folosind numerele mai mari, persoana ar avea o „încărcare” energetică de aproximativ 150 de milijouli. O persoană complet „încărcată” nu ar fi de obicei conștientă de aceasta și se descarcă într-o fracțiune de secundă prin prima cale de sol disponibilă, frecvent un dispozitiv electronic.
Rețineți că aceste numere presupun că persoana nu poartă haine capabile să suporte o taxă suplimentară, ceea ce este în mod normal cazul. Sunt diferite modele pentru calcularea riscului ESD și a nivelurilor de energie și devine destul de confuz, foarte rapid, deoarece acestea par să se contrazică reciproc în unele cazuri. Iată un link către un discuție excelentă dintre multe dintre standarde și modele.
Indiferent de metoda specifică utilizată pentru a o calcula, nu este, și cu siguranță nu sună ca multă energie, dar este mai mult decât suficientă pentru a distruge un tranzistor modern. Pentru context, un joule de energie este echivalent (conform Wikipedia) cu energia necesară pentru a ridica o roșie de dimensiuni medii (100 grame) la un metru vertical de la suprafața Pământului.
Acest lucru se încadrează în partea „celui mai grav scenariu” al unui eveniment ESD numai pentru om, în care omul poartă o sarcină și o descarcă într-un dispozitiv sensibil. O tensiune mare de la o cantitate relativ mică de încărcare apare atunci când persoana este foarte slab împământată. Un factor cheie în ceea ce și cât de mult se deteriorează nu este de fapt încărcarea sau tensiunea, ci curentul, care, în acest context, poate fi gândit la cât de mică este rezistența căii dispozitivului electronic la sol.
Oamenii care lucrează în jurul electronicelor sunt, de obicei, împământați cu curele de încheietură și / sau curele de împământare pe picioare. Nu sunt „pantaloni scurți” pentru împământare; rezistența este dimensionată pentru a împiedica lucrătorii să servească drept paratrăsnet (electrocutându-se ușor). Benzile pentru încheietura mâinii se încadrează în mod obișnuit în gama de 1M Ohm, dar asta permite totuși descărcarea rapidă a oricărei energii acumulate. Articolele capacitive și izolate împreună cu orice alte materiale care generează sau depozitează sarcini sunt izolate de zonele de lucru, cum ar fi polistirenul, folia cu bule și paharele din plastic.
Există literalmente nenumărate alte materiale și situații care pot duce la deteriorarea ESD (de la diferențe de sarcină relativă atât pozitive, cât și negative) la un dispozitiv în care corpul uman însuși nu poartă sarcina „intern”, ci doar îi facilitează mișcarea. Un exemplu la nivel de desene animate ar fi purtarea unui pulover de lână și șosete în timp ce mergi pe covor, apoi ridicarea sau atingerea unui obiect metalic. Aceasta creează o cantitate de energie semnificativ mai mare decât ar putea stoca corpul însuși.
Un ultim punct despre cât de puțină energie este necesară pentru a deteriora electronica modernă. Un tranzistor de 10 nm (încă neobișnuit, dar va fi în următorii câțiva ani) are o grosime a porții mai mică de 6 nm, care se apropie de ceea ce ei numesc un monostrat (un singur strat de atomi).
Este un subiect foarte complicat, iar cantitatea de daune pe care un eveniment ESD o poate provoca unui dispozitiv este dificil de prezis din cauza numărului mare de variabile, inclusiv a vitezei de descărcare (câtă rezistență există între încărcare și masă) , numărul de căi către un sol prin dispozitiv, umiditatea și temperaturile ambiante și multe altele. Toate aceste variabile pot fi conectate la diverse ecuații care pot modela impactul, dar nu sunt încă extrem de exacte în prezicerea daunelor reale, dar sunt mai bune la încadrarea posibilelor daune cauzate de un eveniment.
În multe cazuri, și acest lucru este foarte specific industriei (cred că este medical sau aerospațial), un eveniment de eșec catastrofal indus de ESD este un rezultat mult mai bun decât un eveniment ESD care trece prin producție și testare neobservat. Evenimentele ESD neobservate pot crea un defect foarte minor sau poate agrava ușor un defect latent preexistent și nedetectat, care în ambele scenarii se poate agrava în timp, fie din cauza evenimentelor ESD minore suplimentare, fie doar a utilizării regulate.
În cele din urmă, rezultă o defecțiune catastrofală și prematură a dispozitivului într-un interval de timp scurtat artificial, care nu poate fi prezis de modelele de fiabilitate (care stau la baza programelor de întreținere și înlocuire). Din cauza acestui pericol și este ușor să ne gândim la situații teribile (microprocesorul unui stimulator cardiac sau instrumentele de control al zborului, de exemplu), venirea cu modalități de testare și modelare a defectelor latente induse de ESD este un domeniu major de cercetare în acest moment.
Pentru un consumator care nu lucrează în sau nu știe prea multe despre fabricarea produselor electronice, este posibil să nu pară a fi o problemă. Până în momentul în care majoritatea produselor electronice sunt ambalate spre vânzare, există numeroase măsuri de protecție care ar preveni cele mai multe daune ESD. Componentele sensibile sunt inaccesibile din punct de vedere fizic și sunt disponibile căi mai convenabile către un sol (de exemplu, un șasiu al computerului este legat de un sol, descărcarea ESD în acesta nu va deteriora aproape sigur CPU-ul din interiorul carcasei, ci va lua cea mai mică cale de rezistență la un masă prin sursa de alimentare și priza de perete). Alternativ, nu sunt posibile căi rezonabile de transportare a curentului; multe telefoane mobile au exterioruri neconductoare și au o cale la sol doar când sunt încărcate.
Pentru înregistrare, trebuie să urmez cursuri ESD la fiecare trei luni, așa că aș putea continua. Dar cred că acest lucru ar trebui să fie suficient pentru a răspunde la întrebarea dvs. Cred că totul din acest răspuns este corect, dar aș sfătui cu tărie să îl citiți direct pentru a mă familiariza cu fenomenul dacă nu v-am distrus definitiv curiozitatea.
Un lucru pe care oamenii îl consideră contra-intuitiv este că pungile în care vedeți frecvent electronice stocate și expediate (pungi anti-statice) sunt, de asemenea, conductive. Anti-static înseamnă că materialul nu va colecta nicio încărcătură semnificativă din interacțiunea cu alte materiale. Dar în lumea ESD, este la fel de important (în cea mai bună măsură posibilă) ca totul să aibă aceeași referință de tensiune la sol.
Suprafețele de lucru (covoare ESD), pungile ESD și alte materiale sunt toate de obicei ținute legate de un teren comun, fie prin simpla lipsă de material izolat între ele, fie mai explicit prin cablarea unor căi de rezistență scăzută la un sol între toate băncile de lucru; conectorii pentru bretele lucrătorilor, podeaua și unele echipamente. Aici există probleme de siguranță. Dacă lucrați în jurul valorii de explozivi mari și electronice, banda dvs. de încheietura mâinii ar putea fi legată direct de un sol mai degrabă decât de un rezistor de 1M Ohm. Dacă lucrați în jurul unei tensiuni foarte mari, nu vă veți împământa deloc.
Iată o cotație a costurilor ESD de la Cisco, care ar putea fi chiar puțin conservatoare, deoarece daunele colaterale cauzate de eșecurile de câmp pentru Cisco nu au ca rezultat pierderea de vieți omenești, ceea ce poate crește 100 de ori menționat de ordinele de mărime :
Aveți ceva de adăugat la explicație? Sună în comentarii. Doriți să citiți mai multe răspunsuri de la alți utilizatori ai Stack Exchange? Consultați aici firul complet de discuție .
