Er statisk elektrisitetsskade fortsatt et stort problem med elektronikk?

Alle av oss har hørt advarslene for å sikre at vi er riktig jordet når vi jobber med våre elektroniske enheter, men har fremskritt innen teknologi redusert problemet med statisk elektrisitetskader, eller er det fortsatt så vanlig som før? Dagens SuperUser Q & A innlegg har et omfattende svar på en nysgjerrig leser spørsmål.

Dagens Spørsmål & Svar-sesjon kommer til oss med høflighet av SuperUser-en underavdeling av Stack Exchange, en fellesskapsdrevet gruppering av Q & A-nettsteder.

Foto courtesy of Jared Tarbell (Flickr).

Spørsmålet

SuperUser leser Ricku vil vite om statisk elektrisitet skade er fortsatt et stort problem med elektronikk nå:

Jeg har hørt at statisk elektrisitet var et stort problem for et par tiår siden. Er det fortsatt et stort problem nå? Jeg tror at det er sjelden for en person å "steke" en datorkomponent nå.

Er statisk elektrisitetskader fortsatt et stort problem med elektronikk nå?

Svaret

SuperUser-bidragsyter Argonauts har svaret for oss:

I bransjen er det referert til som elektrostatisk utladning (ESD) og er langt mer av et problem nå enn det noen gang har vært; selv om det har blitt mildret noe ved den ganske nylig utbredte vedtakelsen av retningslinjer og prosedyrer som bidrar til å redusere sannsynligheten for ESD-skade på produkter. Uansett er dens innvirkning på elektronikkindustrien større enn mange andre hele bransjer.

Det er også et stort studieemne og veldig komplisert, så jeg vil bare røre på noen få punkter. Hvis du er interessert, er det mange gratis kilder, materialer og nettsteder dedikert til emnet. Mange mennesker dedikerer sin karriere til dette området. Produkter som er skadet av ESD, har en svært reell og svært stor innvirkning på alle selskapene som er involvert i elektronikk, enten det er produsent, designer eller "forbruker", og som mange ting som behandles i en bransje, blir kostnadene overført til oss.

Fra ESD-foreningen:

Da enheter og størrelsen på funksjonene deres kontinuerlig blir mindre, blir de mer utsatt for å bli skadet av ESD, noe som gir mening etter litt tanker. Den mekaniske styrken til materialene som brukes til å bygge elektronikk går generelt ned når deres størrelse minker, og materialets evne til å motstå raske temperaturendringer, vanligvis referert til som termisk masse (akkurat som i makroskalaobjekter). Rundt 2003 var de minste funksjonsstørrelsene i 180 nm-området og nå nærmer vi seg raskt 10 nm.

En ESD-hendelse som 20 år siden ville vært ufarlig, kunne potensielt ødelegge moderne elektronikk. På transistorer er portmaterialet ofte offeret, men andre nåværende bærende elementer kan også fordampes eller smelte. Loddemåler på en IC-pinne (en overflatefeste som en Ball Grid Array er langt mer vanlig i disse dager) på en PCB kan smelte, og selve silikonet har noen kritiske egenskaper (spesielt dens dielektriske verdi) som kan endres ved høy varme . Tatt i det hele tatt, kan det endre kretsen fra en halvleder til en alltid leder, som vanligvis slutter med en gnist og en dårlig lukt når spenningen er slått på.

Mindre funksjonsstørrelser er nesten helt positive fra de fleste metriske perspektiver; ting som drift / klokkehastighet som kan støttes, strømforbruk, tett koblet varmeproduksjon, etc., men følsomheten for skade fra det som ellers ville bli vurdert som trivielle mengder energi øker også sterkt ettersom funksjonsstørrelsen går ned.

ESD-beskyttelse er bygd inn i mange elektronikk i dag, men hvis du har 500 milliarder transistorer i en integrert krets, er det ikke et tåler problem å bestemme hvilken bane en statisk utladning vil ta med 100 prosent sikkerhet.

Menneskekroppen er noen ganger modellert (Human Body Model; HBM) som har 100 til 250 picofarads kapasitans. I denne modellen kan spenningen bli så høy (avhengig av kilden) som 25 kV (selv om noen bare hevder så høyt som 3 kV). Ved å bruke de større tallene, ville personen ha en energi "ladning" på ca 150 millijoules. En fullstendig "ladet" person ville vanligvis ikke være klar over det, og det blir utladet i en brøkdel av et sekund gjennom den første tilgjengelige bakken banen, ofte en elektronisk enhet.

Vær oppmerksom på at disse tallene antar at personen ikke har på seg klær som kan bære en ekstra kostnad, som normalt er tilfelle. Det finnes ulike modeller for beregning av ESD-risiko og energinivå, og det blir ganske forvirrende veldig raskt siden de ser ut til å motsette seg hverandre i noen tilfeller. Her er en lenke til en utmerket diskusjon av mange av standardene og modellene.

Uavhengig av den spesifikke metoden som brukes til å beregne den, er den ikke, og absolutt høres ikke ut som mye energi, men det er mer enn nok til å ødelegge en moderne transistor. For kontekst er en energikilde ekvivalent (ifølge Wikipedia) til energien som kreves for å løfte en mellomstor tomat (100 gram) en meter vertikalt fra jordens overflate.

Dette faller på den "verste scenariet" siden av en menneskelig eneste ESD-hendelse, hvor mennesket bærer en ladning og tømmer den til en mottakelig enhet. En spenning som er høy fra en relativt liten belastning oppstår når personen er svært dårlig jordet. En nøkkelfaktor i hva og hvor mye som blir skadet er faktisk ikke ladningen eller spenningen, men gjeldende, som i denne sammenheng kan tenkes på som hvor lav motstanden til den elektroniske enhetens vei til en bakke er.

Folk som arbeider rundt elektronikk er vanligvis jordet med håndleddsstropper og / eller jordingsremmer på føttene. De er ikke "shorts" for jording; motstanden er dimensjonert for å hindre arbeidstakere i å betjene som lynstenger (lett å bli elektrokutisert). Håndleddbånd er vanligvis i 1M Ohm-serien, men det tillater fortsatt rask utladning av akkumulert energi. Kapasitive og isolerte gjenstander sammen med andre ladningsgenererings- eller lagringsmaterialer er isolert fra arbeidsområder, ting som polystyren, boblepakning og plastkopper.

Det er bokstavelig talt utallige andre materialer og situasjoner som kan føre til ESD-skade (fra både positive og negative relativladningsforskjeller) til en enhet der selve kroppen ikke bærer ladningen internt, men bare letter bevegelsen. Et tegneserie-nivåeksempel ville ha på seg en ullgenser og sokker mens du gikk over et teppe, og plukket opp eller rørte ved en metallobjekt. Det skaper en betydelig høyere mengde energi enn selve kroppen kunne lagre.

Et siste punkt på hvor lite energi det tar å skade moderne elektronikk. En 10 nm transistor (ikke vanlig ennå, men det vil være de neste par årene) har en gate tykkelse mindre enn 6 nm, som nærmer seg det de kaller et monolag (et enkelt lag av atomer).

Det er et svært komplisert emne, og mengden skade som en ESD-hendelse kan forårsake til en enhet, er vanskelig å forutsi grunnet det store antallet variabler, inkludert hastigheten på utladningen (hvor stor motstand det er mellom ladningen og en bakke) , antall stier til bakken gjennom enheten, fuktighet og omgivelsestemperaturer, og mange flere. Alle disse variablene kan kobles til ulike likninger som kan modellere effekten, men de er ikke veldig nøyaktige for å forutsi faktisk skade ennå, men bedre å skape den mulige skaden fra et arrangement.

I mange tilfeller, og dette er veldig bransjespesifikt (tenk medisinsk eller luftfart), er en ESD-indusert katastrofal feilhendelse et langt bedre resultat enn en ESD-hendelse som går gjennom produksjon og testing ubemerket. Ubemerkede ESD-hendelser kan skape en svært liten defekt, eller kanskje forverre en eksisterende og uoppdaget latent defekt, som i begge scenarier kan bli verre over tid på grunn av enten mindre mindre ESD-hendelser eller bare vanlig bruk.

De resulterer til slutt en katastrofal og for tidlig feil i enheten i en kunstig forkortet tidsramme som ikke kan forutses av pålitelighetsmodeller (som ligger til grunn for vedlikeholds- og erstatningsplaner). På grunn av denne faren, og det er lett å tenke på forferdelige situasjoner (pacemakerens mikroprosessor eller flystyringsinstrumenter, for eksempel), å komme opp med måter å teste på og modell latente ESD-induserte feil, er et stort forskningsområde akkurat nå.

For en forbruker som ikke jobber med eller vet mye om elektronikkproduksjon, kan det ikke synes å være et problem. Da de fleste elektronikk er pakket for salg, er det mange beskyttelsesforanstaltninger som vil forhindre de fleste ESD-skader. De følsomme komponentene er fysisk utilgjengelige, og mer praktiske stier til bakken er tilgjengelige (dvs. et datamaskinchassis er bundet til en bakke, og utslipp av ESD inn i det vil nesten absolutt ikke skade CPUen inne i saken, men i stedet ta den laveste motstandsstien til en jordet via strømforsyningen og strømuttakets strømkilde). Alternativt er ingen fornuftige nåværende baneveier mulig; mange mobiltelefoner har ikke-ledende eksteriør og har bare en bakkebane når de blir belastet.

For rekorden må jeg gå gjennom ESD-trening hver tredje måned, så jeg kunne bare fortsette. Men jeg tror dette burde være tilstrekkelig til å svare på spørsmålet ditt. Jeg tror alt i dette svaret er nøyaktig, men jeg anbefaler på det sterkeste å lese det direkte for å bli bedre kjent med fenomenet hvis jeg ikke har ødelagt din nysgjerrighet for godt.

En ting som folk finner mot-intuitive er at posene du ofte ser elektronikk lagret og sendt i (anti-statiske poser) er også ledende. Antistatisk betyr at materialet ikke vil samle noen meningsfylt ladning fra å interagere med andre materialer. Men i ESD-verden er det like viktig (i størst mulig grad) at alt har samme jordspenningsreferanse.

Arbeidsflater (ESD-matter), ESD-poser og andre materialer holdes vanligvis knyttet til en felles bakke, enten ved ikke å ha et isolert materiale mellom dem, eller mer eksplisitt ved å ledge lavmotstandsbaner til en bakke mellom alle arbeidsbenker; kontaktene for arbeidernes armbånd, gulvet og noe utstyr. Det er sikkerhetsproblemer her. Hvis du jobber rundt høye eksplosiver og elektronikk, kan armbåndet ditt være bundet direkte til en bakke i stedet for en 1M ohm motstand. Hvis du jobber rundt veldig høy spenning, ville du ikke malte deg selv i det hele tatt.

Her er et tilbud på kostnadene ved ESD fra Cisco, som kanskje til og med være litt konservativ, da sikkerhetsskade fra feltfeil for Cisco vanligvis ikke resulterer i tap av liv, noe som kan øke det 100x referert til ved størrelsesordener :

Har du noe å legge til forklaringen? Lyder av i kommentarene. Vil du lese flere svar fra andre tech-savvy Stack Exchange-brukere? Sjekk ut hele diskusjonstråden her.