Er statisk elektricitetsskade stadig et stort problem med elektronik?

Vi har alle hørt advarslerne for at sikre, at vi er korrekt jordforbundne, når vi arbejder på vores elektroniske enheder, men har forskud i teknologi mindsket problemet med statisk elektricitetsskader eller er det stadig så udbredt som før? Dagens SuperUser Q & A-indlæg har et omfattende svar på en nysgerrig læsers spørgsmål.

Dagens Spørgsmål & Svar session kommer til os med venlig hilsen af ​​SuperUser-en underafdeling af Stack Exchange, en community-driven gruppe af Q & A-websteder.

Foto med tilladelse til Jared Tarbell (Flickr).

Spørgsmålet

SuperUser-læser Ricku vil gerne vide, om statisk elektricitetsskade stadig er et stort problem med elektronik nu:

Jeg har hørt, at statisk elektricitet var et stort problem for et par årtier siden. Er det stadig et stort problem nu? Jeg tror, ​​at det er sjældent for en person at "fryse" en computer komponent nu.

Er statisk elektricitetsskade stadig et stort problem med elektronik nu?

Svaret

SuperUser bidragyder Argonauts har svaret for os:

I branchen kaldes det elektrostatisk udladning (ESD) og er langt mere et problem nu end det nogensinde har været; selvom det er blevet mildret noget ved den ret nylige udbredte vedtagelse af politikker og procedurer, som bidrager til at sænke sandsynligheden for ESD-skade på produkter. Uanset hvad dens indvirkning på elektronikindustrien er større end mange andre hele brancher.

Det er også et stort studieemne og meget komplekst, så jeg vil bare røre nogle punkter. Hvis du er interesseret, er der mange gratis kilder, materialer og hjemmesider dedikeret til emnet. Mange mennesker dedikerer deres karriere til dette område. Produkter, der er beskadiget af ESD, har en meget reel og meget stor indflydelse på alle de virksomheder, der er involveret i elektronik, hvad enten det er fabrikant, designer eller "forbruger", og ligesom mange ting, der behandles i en industri, bliver omkostningerne sendt videre til os.

Fra ESD Association:

Da enheder og størrelsen af ​​deres funktioner løbende bliver mindre, bliver de mere modtagelige for at blive beskadiget af ESD, hvilket giver mening efter lidt tænkning. Den mekaniske styrke af de materialer, der bruges til at opbygge elektronik, går generelt ned, efterhånden som deres størrelse falder, ligesom materialets evne til at modstå hurtige temperaturændringer, der normalt betegnes som termisk masse (ligesom i makroskalaobjekter). Omkring 2003 var de mindste funktionsstørrelser i 180 nm-rækken, og nu nærmer vi os hurtigt 10 nm.

En ESD-begivenhed, der for 20 år siden ville have været harmløs, kunne potentielt ødelægge moderne elektronik. På transistorer er portmaterialet ofte offeret, men andre nuværende bærende elementer kan også fordampes eller smeltes. Lodde på en IC-stifter (en overflademonterende ækvivalent som et kuglestørrelsesarray er langt mere almindeligt i disse dage) på et printkort kan smeltes, og siliconen selv har nogle kritiske egenskaber (især dens dielektriske værdi), der kan ændres ved høj varme . Taget i det hele taget kan det ændre kredsløbet fra en halvleder til en altid leder, som normalt slutter med en gnist og en dårlig lugt, når chippen er tændt.

Mindre funktionsstørrelser er næsten helt positive fra de fleste metrisk perspektiver; ting som drift / ur hastigheder, der kan understøttes, strømforbrug, tæt koblet varme generation, etc., men følsomheden for at skade fra hvad ellers ville betragtes som trivielle mængder energi stiger også kraftigt, da funktionens størrelse går ned.

ESD-beskyttelse er indbygget i mange elektronik i dag, men hvis du har 500 milliarder transistorer i et integreret kredsløb, er det ikke et problematisk problem at bestemme, hvilken vej en statisk udladning vil tage med 100 procent sikkerhed.

Den menneskelige krop er undertiden modelleret (Human Body Model; HBM) som har 100 til 250 picofarads kapacitans. I den model kan spændingen blive så høj (afhængig af kilden) som 25 kV (selvom nogle kun hævder så høj som 3 kV). Ved hjælp af de større tal vil personen have en energi "ladning" på ca. 150 millijoules. En fuldt "ladet" person ville typisk ikke være opmærksom på det, og det bliver afladet i en brøkdel af et sekund gennem den første tilgængelige jordsti, ofte en elektronisk enhed.

Bemærk, at disse tal antager, at personen ikke bærer tøj, der er i stand til at udføre en ekstra afgift, hvilket normalt er tilfældet. Der er forskellige modeller til beregning af ESD-risiko- og energiniveauer, og det bliver ret forvirrende meget hurtigt, da de synes at være i modstrid med hinanden i nogle tilfælde. Her er et link til en fremragende diskussion af mange af standarderne og modellerne.

Uanset den specifikke metode, der bruges til at beregne den, er den ikke, og helt sikkert lyder det ikke som meget energi, men det er mere end tilstrækkeligt til at ødelægge en moderne transistor. For kontekst er en energikilde ækvivalent (ifølge Wikipedia) til den energi, der kræves for at løfte en mellemstor tomat (100 gram) en meter lodret fra Jordens overflade.

Dette falder på den "værste scenarie" side af en menneskelig eneste ESD-begivenhed, hvor mennesket bærer en afgift og udleder den til en modtagelig enhed. En spænding, der hidrører fra en relativt lav ladning, opstår, når personen er meget dårligt jordet. En nøglefaktor i hvad og hvor meget der bliver beskadiget, er faktisk ikke ladningen eller spændingen, men strømmen, som i denne sammenhæng kan tænkes som, hvor lav modstanden af ​​den elektroniske enhedens vej til jorden er.

Folk, der arbejder omkring elektronik, er normalt jordet med håndledsstropper og / eller jordstropper på deres fødder. De er ikke "shorts" til jordforbindelse; Modstanden er dimensioneret til at forhindre arbejderne i at betjene som lynstænger (let at få elektrokut). Håndledsbånd er typisk i 1M Ohm serien, men det giver stadig mulighed for hurtig afladning af akkumuleret energi. Kapacitive og isolerede emner sammen med andre ladningsgenererings- eller lagringsmaterialer er isoleret fra arbejdsområder, såsom polystyren, boblepakning og plastikkopper.

Der er bogstaveligt talt utallige andre materialer og situationer, der kan resultere i ESD-skader (fra både positive og negative relative ladningsforskelle) til en enhed, hvor selve kroppen ikke bærer ladningen "internt", men letter bare bevægelsen. Et tegneserie-niveau eksempel ville være iført en uldragt og strømper mens du går over et tæppe, så dukker op eller rører en metalobjekt. Det skaber en betydeligt højere mængde energi end kroppen selv kunne gemme.

Et sidste punkt på, hvor lidt energi det tager at beskadige moderne elektronik. En 10 nm transistor (ikke almindelig endnu, men det vil være i de næste par år) har en porttykkelse mindre end 6 nm, som nærmer sig, hvad de kalder et monolag (et enkelt lag af atomer).

Det er et meget kompliceret emne, og mængden af ​​skade, som en ESD-begivenhed kan forårsage til en enhed, er svært at forudsige på grund af det store antal variabler, herunder udløbshastigheden (hvor meget modstand der er mellem opladningen og en jord) , antallet af stier til jorden gennem enheden, fugtighed og omgivende temperaturer og mange flere. Alle disse variabler kan tilsluttes i forskellige ligninger, der kan modellere virkningen, men de er ikke frygtelige nøjagtige til at forudsige den faktiske skade endnu, men bedre til at ramme de mulige skader fra en begivenhed.

I mange tilfælde, og dette er meget branchespecifikke (tænk medicinsk eller rumfart), er en ESD-induceret katastrofal fejlhændelse et langt bedre resultat end en ESD-begivenhed, der går gennem fremstilling og testning ubemærket. Ubemærket ESD-begivenheder kan skabe en meget mindre defekt eller måske forværre en allerede eksisterende og uopdaget latent defekt, som i begge scenarier kan blive værre over tid på grund af enten yderligere mindre ESD-begivenheder eller blot regelmæssig brug.

De resulterer i sidste ende i en katastrofal og for tidlig fejl i enheden i en kunstigt forkortet tidsramme, der ikke kan forudsiges af pålidelighedsmodeller (som er grundlaget for vedligeholdelses- og udskiftningsplaner). På grund af denne fare, og det er let at tænke på forfærdelige situationer (f.eks. En pacemakerens mikroprocessor eller flystyringsinstrumenter), der kommer op på måder at teste på og model latente ESD-inducerede defekter, er et stort forskningsområde lige nu.

For en forbruger, der ikke arbejder eller ved meget om elektronikproduktion, ser det ikke ud til at være et problem. Da de fleste elektronik er pakket til salg, er der mange sikkerhedsforanstaltninger på plads, der forhindrer de fleste ESD-skader. De følsomme komponenter er fysisk utilgængelige og mere bekvemme veje til jorden er tilgængelige (dvs. et computerchassis er bundet til en jord, udladning af ESD ind i det vil næsten helt sikkert ikke beskadige CPU'en inde i sagen, men i stedet tage den laveste modstandsvej til en jordet via strømforsyningen og stikkontakten). Alternativt er der ingen mulige aktuelle bæreveje; mange mobiltelefoner har ikke-ledende ydre og har kun en jordsti, når de bliver opladet.

Til posten skal jeg gennemgå ESD-træning hver tredje måned, så jeg kunne bare fortsætte. Men jeg mener, at dette skal være tilstrækkeligt til at besvare dit spørgsmål. Jeg tror alt i dette svar er nøjagtigt, men jeg anbefaler på det kraftigste at læse det direkte for at få bedre kendskab til fænomenet, hvis jeg ikke har ødelagt din nysgerrighed for godt.

En ting, som folk finder mod-intuitive, er, at taskerne du ofte ser elektronik gemt og afsendt i (anti-statiske poser) er også ledende. Antistatisk betyder, at materialet ikke samler nogen meningsfuld ladning fra at interagere med andre materialer. Men i ESD-verdenen er det lige så vigtigt (så vidt muligt), at alt har samme jordspændingsreference.

Arbejdsoverflader (ESD-måtter), ESD-poser og andre materialer holdes almindeligvis bundet til en fælles jord, enten ved simpelthen ikke at have et isoleret materiale mellem dem eller mere eksplicit ved at forbinde lave modstandsstier til en jord mellem alle arbejdsbænke; forbindelsesstykkerne til arbejdstagerens armbånd, gulvet og noget udstyr. Der er sikkerhedsproblemer her. Hvis du arbejder rundt høje eksplosiver og elektronik, kan dit armbånd være bundet direkte til en jord snarere end en 1M ohm modstand. Hvis du arbejder rundt meget højspænding, ville du slet ikke have dig selv.

Her er et citat om omkostningerne til ESD fra Cisco, hvilket måske endda er lidt konservativt, da sikkerhedsskade fra feltfejl for Cisco typisk ikke medfører tab af liv, hvilket kan øge det 100x, der henvises til ved størrelsesordener. :

Har du noget at tilføje til forklaringen? Lyde af i kommentarerne. Vil du læse flere svar fra andre tech-savvy Stack Exchange brugere? Tjek den fulde diskussionstråd her.