Усі ми чули застереження, щоб переконатися, що ми належним чином заземлені під час роботи на наших електронних пристроях, але чи вдосконалення технологій зменшили проблему пошкодження статичної електрики або вона все ще така ж поширена, як раніше? Сьогоднішня публікація запитань SuperUser містить вичерпну відповідь на цікаве запитання читача.
Сьогоднішня сесія запитань і відповідей надійшла до нас люб’язно від SuperUser - підрозділу Stack Exchange, угруповання веб-сайтів із питань та відповідей на основі спільноти.
Фото надано Джаред Тарбелл (Flickr).
Питання
Читач SuperUser Ріку хоче знати, чи пошкодження статичної електрики все ще є величезною проблемою з електронікою:
Я чув, що статична електрика була великою проблемою ще кілька десятиліть тому. Це все ще велика проблема зараз? Я вважаю, що рідко хто зараз “смажить” комп’ютерний компонент.
Чи пошкодження статичної електрики все ще є величезною проблемою з електронікою?
Відповідь
Співавтор SuperUser Argonauts має для нас відповідь:
У галузі це називається електростатичним розрядом (ESD) і зараз є набагато більшою проблемою, ніж було коли-небудь; хоча це було дещо пом'якшено досить недавньо розповсюдженим прийняттям політики та процедур, які допомагають знизити ймовірність пошкодження ОУР продуктами. Незважаючи на це, його вплив на електронну промисловість більший, ніж у багатьох інших галузях.
Це також величезна тема вивчення і дуже складна, тому я лише торкнуся кількох моментів. Якщо вам цікаво, існує безліч безкоштовних джерел, матеріалів та веб-сайтів, присвячених цій темі. Багато людей присвячують свою кар'єру цій галузі. Продукти, пошкоджені електростатичним розрядом, мають дуже реальний і дуже великий вплив на всі компанії, що займаються електронікою, будь то виробник, дизайнер чи "споживач", і, як і багато речей, якими займається галузь, її витрати передаються на нас.
Від асоціації ESD:
Оскільки пристрої та розміри їхніх функцій постійно стають меншими, вони стають більш сприйнятливими до пошкодження ESD, що має сенс після трохи роздумів. Механічна міцність матеріалів, що використовуються для побудови електроніки, як правило, знижується із зменшенням їх розмірів, а також здатність матеріалу протистояти швидким перепадам температур, що зазвичай називають тепловою масою (так само, як у макромасштабних об’єктів). Приблизно в 2003 році найменші розміри характеристик були в діапазоні 180 нм, і зараз ми швидко наближаємося до 10 нм.
Подія ОУР, яке 20 років тому було б нешкідливим, може потенційно знищити сучасну електроніку. На транзисторах матеріал затвора часто стає жертвою, але інші струмоведучі елементи також можуть випаровуватися або плавитися. Припой на штифтах мікросхеми (еквівалент поверхневого монтажу, такий як кульова сітка, на сьогоднішній день набагато частіше) на друкованій платі може бути розплавлений, а сам кремній має деякі критичні характеристики (особливо його діелектричне значення), які можна змінити високим нагріванням . Взагалі, це може змінити ланцюг з напівпровідника на постійний провідник, який зазвичай закінчується іскрою та неприємним запахом при включенні мікросхеми.
Менші розміри функцій майже повністю позитивні з точки зору більшості метрик; такі речі, як робочі / тактові частоти, які можна підтримувати, споживання електроенергії, тісно пов'язане виробництво тепла тощо, але чутливість до пошкоджень від того, що інакше можна було б вважати тривіальною кількістю енергії, також значно зростає із зменшенням розміру функції.
Захист від електростатичних розрядів вбудований у багато електроніки сьогодні, але якщо у вас є 500 мільярдів транзисторів в інтегральній схемі, це не відслідковується проблема, щоб визначити, яким шляхом пройде статичний розряд із 100-відсотковою впевненістю.
Іноді людське тіло моделюється (Модель людського тіла; HBM) як таке, що має від 100 до 250 пікофарадів ємності. У цій моделі напруга може досягати 25 кВ (залежно від джерела) (хоча деякі стверджують, що вона сягає лише 3 кВ). Використовуючи більші числа, людина мала б енергетичний "заряд" приблизно 150 міліджаулів. Повністю "заряджена" людина, як правило, не знає про це, і вона розряджається за частки секунди через перший доступний наземний шлях, часто електронний пристрій.
Зверніть увагу, що ці цифри передбачають, що особа не носить одягу, здатного нести додаткову плату, як правило, це відбувається. Існує різні моделі для розрахунку ризику ОСР та рівня енергії, і це стає досить заплутаним дуже швидко, оскільки в деяких випадках вони, судячи з усього, суперечать один одному. Ось посилання на відмінна дискусія багатьох стандартів та моделей.
Незалежно від конкретного методу, який використовується для його обчислення, він не є, і, звичайно, не схожий на велику енергію, але цього більш ніж достатньо для руйнування сучасного транзистора. Для контексту, один джоуль енергії еквівалентний (згідно з Вікіпедією) енергії, необхідній для підняття помідора середнього розміру (100 грам) на один метр вертикально від поверхні Землі.
Це припадає на "найгірший сценарій" події, притаманної лише людині, від ESD, коли людина несе заряд і розряджає його у сприйнятливий пристрій. Напруга, яка висока від відносно низької кількості заряду, виникає, коли людина дуже погано заземлений. Ключовим фактором того, що і наскільки пошкоджується, є насправді не заряд або напруга, а струм, який у цьому контексті можна вважати настільки низьким опором шляху електронного пристрою до землі.
Люди, які працюють навколо електроніки, зазвичай заземлені ремінцями та / або ремінцями на ногах. Вони не є «шортами» для заземлення; опір має розмір, щоб заважати робітникам служити громовідводами (легко потрапляти під струм). Наручні ремінці зазвичай знаходяться в діапазоні 1 М Ом, але це все одно дозволяє швидко розряджати будь-яку накопичену енергію. Ємнісні та ізольовані предмети разом із будь-якими іншими матеріалами, що генерують або зберігають заряд, ізолюються від робочих зон, таких як пінополістирол, міхур і поліетиленові стаканчики.
Існує буквально незліченна кількість інших матеріалів та ситуацій, які можуть призвести до пошкодження електростатичним розрядом (як від позитивної, так і від негативної відносної різниці зарядів) до пристрою, коли людське тіло не несе заряд «внутрішньо», а лише полегшує його рух. Прикладом мультфільму може бути носіння вовняного светру та шкарпеток під час прогулянки по килиму, а потім підняття або торкання металевого предмета. Це створює значно більшу кількість енергії, ніж тіло може зберегти.
Останній момент про те, як мало енергії потрібно для пошкодження сучасної електроніки. Транзистор 10 нм (поки не поширений, але це буде в найближчі пару років) має товщину затвора менше 6 нм, що наближається до того, що вони називають моношаром (один шар атомів).
Це дуже складний предмет, і величину шкоди, яку може спричинити пристрій від розрядів електричного струму, важко передбачити через величезну кількість змінних, включаючи швидкість розряду (скільки опору існує між зарядом і землею) , кількість шляхів до землі через пристрій, вологість та температури навколишнього середовища та багато іншого. Всі ці змінні можна включити в різні рівняння, які можуть моделювати вплив, але вони поки не дуже точні в прогнозуванні фактичного збитку, але краще підставляють можливу шкоду від події.
У багатьох випадках, і це дуже специфічно для галузі (подумайте про медичну чи аерокосмічну промисловість), катастрофічна аварія, спричинена ОСР, є набагато кращим результатом, ніж подія ОУР, яка проходить через виробництво та тестування непомітно. Помічені події ESD можуть створити дуже незначний дефект або, можливо, трохи погіршити вже існуючий і не виявлений прихований дефект, який в обох сценаріях може погіршитися з часом через додаткові незначні події ESD або просто регулярне використання.
В кінцевому підсумку вони призводять до катастрофічної та передчасної несправності пристрою в штучно скорочених часових рамках, які не можуть бути передбачені моделями надійності (які є основою для графіків технічного обслуговування та заміни). Через цю небезпеку і легко подумати про жахливі ситуації (наприклад, мікропроцесор кардіостимулятора або прилади управління польотом), придумування способів тестування та моделювання прихованих дефектів, спричинених ESD, є основною сферою досліджень саме зараз.
Для споживача, який не працює або не знає багато про виробництво електроніки, це може здатися не проблемою. На той час, коли більшість електроніки упаковується для продажу, існує безліч запобіжних заходів, які запобігають більшій шкоді від електростатичного розряду. Чутливі компоненти фізично недоступні, і доступні більш зручні шляхи до землі (тобто корпус комп'ютера прив'язаний до землі, розряд ESD в нього майже напевно не призведе до пошкодження центрального процесора всередині корпусу, але замість цього пройде шлях до найнижчого опору до заземлення через джерело живлення та джерело живлення у настінній розетці). З іншого боку, неможливі розумні шляхи проходження струму; багато мобільних телефонів мають непровідну зовнішність і мають лише землю під час зарядки.
Для протоколу я повинен проходити навчання з ОУР кожні три місяці, щоб я міг просто продовжувати. Але я думаю, що цього має бути достатньо, щоб відповісти на ваше запитання. Я вважаю, що все у цій відповіді є точним, але я настійно радив би прочитати його безпосередньо, щоб краще ознайомитись із явищем, якщо я не знищив вашу цікавість назавжди.
Людям здається, що інтуїтивно зрозумілим є те, що сумки, які ви часто бачите в електроніці, що зберігаються та відправляються (антистатичні сумки), також є електропровідними. Антистатик означає, що матеріал не збиратиме жодного значущого заряду від взаємодії з іншими матеріалами. Але у світі ESD не менш важливо (наскільки це можливо), щоб все мало однакові еталонні напруги на землі.
Робочі поверхні (килимки з електростатичним розрядом), мішки з електростатичним розрядом та інші матеріали, як правило, тримаються прив’язаними до спільного грунту, або просто не маючи між собою ізольованого матеріалу, або більш чітко, прокладаючи шляхи з низьким опором до землі між усіма робочими лавками; роз'єми для зап'ястя робітників, підлоги та деякого обладнання. Тут є питання безпеки. Якщо ви працюєте навколо фугасних вибухових речовин та електроніки, ремінець може бути прив'язаний безпосередньо до землі, а не до резистора 1 М Ом. Якщо ви працюєте навколо дуже високої напруги, ви взагалі не заземлюєтесь.
Ось цитата про витрати ESD від Cisco, яка може бути навіть дещо консервативною, оскільки побічна шкода від польових відмов для Cisco, як правило, не призводить до загибелі людей, що може призвести до того, що 100x, на які посилаються порядки величини :
Є що додати до пояснення? Звук у коментарях. Хочете прочитати більше відповідей від інших досвідчених користувачів Stack Exchange? Ознайомтесь із повним обговоренням тут .
