Είναι η στατική ηλεκτρική βλάβη ακόμα ένα τεράστιο πρόβλημα με την ηλεκτρονική;

Όλοι μας έχουμε ακούσει τις προειδοποιήσεις για να βεβαιωθούμε ότι είμαστε σωστά γειωμένοι όταν εργαζόμαστε στις ηλεκτρονικές συσκευές μας, αλλά οι τεχνολογικές εξελίξεις μείωσαν το πρόβλημα της καταστροφής του στατικού ηλεκτρισμού ή εξακολουθούν να είναι τόσο διαδεδομένες όπως πριν; Η σημερινή δημοσίευση Q & A της SuperUser έχει μια ολοκληρωμένη απάντηση σε μια ερώτηση περίεργου αναγνώστη.

Η σημερινή συνάντηση ερωτήσεων και απαντήσεων έρχεται σε επαφή με το SuperUser - μια υποδιαίρεση του Stack Exchange, μια κοινότητα που κατευθύνεται από τους ιστότοπους ερωτήσεων & απαντήσεων.

Φωτογραφία ευγενική προσφορά του Jared Tarbell (Flickr).

Το ερώτημα

Ο αναγνώστης του SuperUser Ricku θέλει να μάθει εάν η ζημιά στατικού ηλεκτρισμού εξακολουθεί να αποτελεί τεράστιο πρόβλημα με τα ηλεκτρονικά:

Έχω ακούσει ότι ο στατικός ηλεκτρισμός ήταν ένα μεγάλο πρόβλημα πριν από μερικές δεκαετίες. Είναι ακόμα ένα μεγάλο πρόβλημα τώρα; Πιστεύω ότι είναι σπάνιο ένα άτομο να "τηγανίσει" ένα κομμάτι του υπολογιστή τώρα.

Η ζημιά στατικού ηλεκτρισμού εξακολουθεί να αποτελεί τεράστιο πρόβλημα με τα ηλεκτρονικά?

Η απάντηση

Συνεργάτης SuperUser Argonauts έχει την απάντηση για εμάς:

Στη βιομηχανία, αναφέρεται ως ηλεκτροστατική εκκένωση (ESD) και είναι πολύ περισσότερο πρόβλημα τώρα από ό, τι υπήρξε ποτέ. αν και έχει μετριαστεί κάπως από την αρκετά πρόσφατη ευρεία υιοθέτηση πολιτικών και διαδικασιών που συμβάλλουν στη μείωση της πιθανότητας βλάβης των προϊόντων από την ESD. Ανεξαρτήτως, οι επιπτώσεις της στη βιομηχανία ηλεκτρονικών ειδών είναι μεγαλύτερες από πολλές άλλες ολόκληρες βιομηχανίες.

Είναι επίσης ένα τεράστιο θέμα μελέτης και πολύ περίπλοκο, οπότε θα αγγίξω μόνο μερικά σημεία. Εάν ενδιαφέρεστε, υπάρχουν πολλές δωρεάν πηγές, υλικά και ιστοσελίδες αφιερωμένες στο θέμα. Πολλοί άνθρωποι αφιερώνουν τη σταδιοδρομία τους σε αυτόν τον τομέα. Τα προϊόντα που έχουν υποστεί βλάβη από την ESD έχουν πολύ πραγματικό και πολύ μεγάλο αντίκτυπο σε όλες τις εταιρείες που ασχολούνται με την ηλεκτρονική, είτε πρόκειται για κατασκευαστή, σχεδιαστή ή "καταναλωτή", και όπως και πολλά άλλα που αντιμετωπίζονται σε μια βιομηχανία, το κόστος της μεταφέρεται μας.

Από την ένωση ESD:

Καθώς οι συσκευές και το μέγεθος των χαρακτηριστικών τους συνεχώς γίνονται μικρότερες, γίνονται πιο επιρρεπείς σε βλάβη από το ESD, το οποίο έχει νόημα μετά από λίγο σκέψης. Η μηχανική αντοχή των υλικών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ηλεκτρονικών εξαρτάται γενικά από τη μείωση του μεγέθους τους, όπως και η ικανότητα του υλικού να αντιστέκεται σε γρήγορες μεταβολές της θερμοκρασίας, συνήθως αναφέρεται ως θερμική μάζα (όπως και σε αντικείμενα μακροοικονομικής κλίμακας). Περίπου το 2003, τα μικρότερα μεγέθη χαρακτηριστικών ήταν στην περιοχή 180 nm και τώρα πλησιάζουμε ταχέως στα 10 nm.

Ένα γεγονός ESD που πριν από 20 χρόνια θα ήταν αβλαβές θα μπορούσε ενδεχομένως να καταστρέψει τα σύγχρονα ηλεκτρονικά. Σε τρανζίστορ, το υλικό της θύρας είναι συχνά το θύμα, αλλά άλλα στοιχεία που μεταφέρουν ρεύμα μπορούν να εξατμιστούν ή να λιώσουν επίσης. Η συγκόλληση σε καρφίτσες IC (μια ισοδύναμη επιφάνεια επιφάνειας όπως μια σφαίρα πλέγματος είναι πολύ πιο κοινή αυτή τη μέρα) σε ένα PCB μπορεί να λειώσει και το ίδιο το πυρίτιο έχει κάποια κρίσιμα χαρακτηριστικά (ειδικά η διηλεκτρική του αξία) που μπορεί να αλλάξει από υψηλή θερμότητα . Λαμβανόμενη συνολικά, μπορεί να αλλάξει το κύκλωμα από ένα ημιαγωγό σε έναν πάντα αγωγό, ο οποίος συνήθως τελειώνει με μια σπίθα και μια κακή οσμή όταν τροφοδοτείται το τσιπ.

Τα μικρότερα μεγέθη χαρακτηριστικών είναι σχεδόν εξ ολοκλήρου θετικά από τις περισσότερες προοπτικές μέτρησης. πράγματα όπως οι ταχύτητες λειτουργίας / ρολογιού που μπορούν να υποστηριχθούν, η κατανάλωση ρεύματος, η συζευγμένη παραγωγή θερμότητας κλπ., αλλά η ευαισθησία σε ζημιές από ό, τι διαφορετικά θα θεωρούνταν ασήμαντες ποσότητες ενέργειας επίσης αυξάνεται σημαντικά καθώς μειώνεται το μέγεθος του χαρακτηριστικού.

Η ESD προστασία είναι ενσωματωμένη σε πολλά ηλεκτρονικά σήμερα, αλλά αν έχετε 500 δισεκατομμύρια τρανζίστορ σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα, δεν είναι ένα τραχύ πρόβλημα για να καθορίσετε ποια διαδρομή θα λάβει μια στατική απαλλαγή με 100% βεβαιότητα.

Το ανθρώπινο σώμα μερικές φορές μοντελοποιείται (ανθρώπινο μοντέλο σώματος, HBM) ως έχει 100 έως 250 picofarads χωρητικότητας. Σε αυτό το μοντέλο, η τάση μπορεί να φτάσει τόσο υψηλή (ανάλογα με την πηγή) στα 25kV (αν και μερικοί ισχυρίζονται μόνο 3kV). Χρησιμοποιώντας τους μεγαλύτερους αριθμούς, το άτομο θα έχει μια ενέργεια "χρέωση" περίπου 150 millijoules. Ένα πλήρως "χρεωμένο" άτομο δεν θα το γνώριζε και θα εκπέμπεται σε ένα κλάσμα του δευτερολέπτου μέσω της πρώτης διαθέσιμης γειωμένης διαδρομής, συχνά μια ηλεκτρονική συσκευή.

Σημειώστε ότι αυτοί οι αριθμοί υποθέτουν ότι το άτομο δεν φοράει ρούχα ικανά να φέρουν επιπλέον χρέωση, κάτι που συμβαίνει κανονικά. Υπάρχουν διαφορετικά μοντέλα για τον υπολογισμό των κινδύνων ESD και των ενεργειακών επιπέδων, και αυτό μπερδεύεται αρκετά γρήγορα, καθώς σε ορισμένες περιπτώσεις φαίνεται να έρχονται σε αντίθεση. Εδώ είναι ένας σύνδεσμος για μια εξαιρετική συζήτηση για πολλά από τα πρότυπα και τα μοντέλα.

Ανεξάρτητα από τη συγκεκριμένη μέθοδο που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της, δεν είναι, και σίγουρα δεν ακούγεται σαν πολύ ενέργεια, αλλά είναι περισσότερο από αρκετό για να καταστρέψει ένα σύγχρονο τρανζίστορ. Για το περιβάλλον, ένα ζεύγος ενέργειας είναι ισοδύναμο (σύμφωνα με τη Wikipedia) με την ενέργεια που απαιτείται για την ανύψωση μιας μεσαίας τομάτας (100 γραμμάρια) ένα μέτρο κάθετα από την επιφάνεια της Γης.

Αυτό εμπίπτει στην πλευρά του "χειρότερου σεναρίου" ενός ανθρώπινου γεγονότος ESD, όπου ο άνθρωπος φέρει ένα φορτίο και το εκφορτώνει σε μια ευαίσθητη συσκευή. Μια τάση που είναι υψηλή από μια σχετικά χαμηλή ποσότητα φορτίου εμφανίζεται όταν το άτομο είναι πολύ κακώς γειωμένο. Ένας βασικός παράγοντας για το τι και πόσο καταστρέφεται δεν είναι στην πραγματικότητα το φορτίο ή η τάση, αλλά το ρεύμα, το οποίο σε αυτό το πλαίσιο μπορεί να θεωρηθεί ως το πόσο χαμηλή είναι η αντίσταση της διαδρομής της ηλεκτρονικής συσκευής σε ένα έδαφος.

Οι άνθρωποι που εργάζονται γύρω από τα ηλεκτρονικά είναι συνήθως γειωμένοι με ιμάντες καρπού και / ή ιμάντες γείωσης στα πόδια τους. Δεν είναι "σορτς" για γείωση? η αντίσταση έχει τέτοιο μέγεθος ώστε να εμποδίζει τους εργάτες να χρησιμεύουν ως αλεξικέραυνα (εύκολα ηλεκτροχειρουργικά). Οι ζώνες του καρπού είναι συνήθως στην περιοχή 1M Ohm, αλλά εξακολουθεί να επιτρέπει τη γρήγορη αποφόρτιση οποιασδήποτε συσσωρευμένης ενέργειας. Τα χωρητικά και μονωμένα αντικείμενα μαζί με κάθε άλλο υλικό δημιουργίας ή αποθήκευσης φορτίου απομονώνονται από περιοχές εργασίας, όπως πολυστυρένιο, περιτύλιγμα με φυσαλίδες και πλαστικά κύπελλα.

Υπάρχουν κυριολεκτικά αμέτρητα άλλα υλικά και καταστάσεις που μπορούν να προκαλέσουν βλάβη ESD (τόσο από θετικές όσο και από αρνητικές σχετικές διαφορές χρεώσεων) σε μια συσκευή όπου το ανθρώπινο σώμα δεν φέρει το φορτίο "εσωτερικά", αλλά απλώς διευκολύνει την κίνηση του. Ένα παράδειγμα επιπέδου κινούμενων σχεδίων θα φορούσε ένα πουλόβερ από μαλλί και κάλτσες ενώ περπατούσε πάνω από ένα χαλί και στη συνέχεια πήρε ή έβλεπε ένα μεταλλικό αντικείμενο. Αυτό δημιουργεί μια σημαντικά υψηλότερη ποσότητα ενέργειας από ό, τι το ίδιο το σώμα θα μπορούσε να αποθηκεύσει.

Ένα τελευταίο σημείο σχετικά με το πόσο λίγη ενέργεια χρειάζεται για να βλάψει τα σύγχρονα ηλεκτρονικά. Ένα τρανζίστορ 10 nm (το οποίο δεν είναι κοινό, αλλά θα είναι στα επόμενα δύο χρόνια) έχει πάχος πύλης μικρότερο από 6 nm, το οποίο πλησιάζει σε αυτό που ονομάζουν μονοστοιβάδα (ένα μόνο στρώμα ατόμων).

Πρόκειται για ένα πολύ περίπλοκο ζήτημα και είναι δύσκολο να προβλεφθεί το μέγεθος των ζημιών που μπορεί να προκαλέσει ένα γεγονός ESD σε μια συσκευή λόγω του τεράστιου αριθμού μεταβλητών, συμπεριλαμβανομένης της ταχύτητας εκφόρτισης (πόση αντίσταση υπάρχει μεταξύ της επιβάρυνσης και του εδάφους) , τον αριθμό των διαδρομών προς τη γη μέσω της συσκευής, την υγρασία και τις θερμοκρασίες περιβάλλοντος και πολλά άλλα. Όλες αυτές οι μεταβλητές μπορούν να συνδεθούν σε διάφορες εξισώσεις που μπορούν να μοντελοποιήσουν τον αντίκτυπο, αλλά δεν είναι τρομερά ακριβείς στην πρόβλεψη των πραγματικών ζημιών, αλλά καλύτερα στην πλαισίωση των πιθανών ζημιών από ένα συμβάν.

Σε πολλές περιπτώσεις, και αυτό είναι πολύ συγκεκριμένο για τη βιομηχανία (σκεφτείτε την ιατρική ή την αεροδιαστημική), ένα καταστροφικό συμβάν αποτυχίας που προκαλείται από την ESD είναι πολύ καλύτερο αποτέλεσμα από ένα γεγονός ESD που περνά μέσα από την κατασκευή και τη δοκιμή απαρατήρητο. Τα απαρατήρητα συμβάντα ESD μπορούν να δημιουργήσουν ένα πολύ μικρό ελάττωμα ή ίσως να επιδεινώσουν ελαφρώς ένα προϋπάρχον και μη ανιχνευθέν λανθάνοντα ελάττωμα, το οποίο και στα δύο σενάρια μπορεί να επιδεινωθεί με την πάροδο του χρόνου λόγω είτε πρόσθετων μικρών γεγονότων ESD είτε απλώς κανονικής χρήσης.

Καταλήγουν τελικά σε μια καταστροφική και πρόωρη αποτυχία της συσκευής σε ένα τεχνητά μειωμένο χρονικό πλαίσιο που δεν μπορεί να προβλεφθεί από μοντέλα αξιοπιστίας (τα οποία αποτελούν τη βάση για τα προγράμματα συντήρησης και αντικατάστασης). Λόγω αυτού του κινδύνου και είναι εύκολο να σκεφτούμε τις τρομερές καταστάσεις (για παράδειγμα, ένας μικροεπεξεργαστής του βηματοδότη ή τα όργανα ελέγχου πτήσης), έρχονται με τρόπους να δοκιμάσουν και να υποβληθούν σε πρότυπα ελαττωματικά ελαττώματα που προκαλούνται από ESD, είναι ένας σημαντικός τομέας έρευνας τώρα.

Για έναν καταναλωτή που δεν εργάζεται ή δεν γνωρίζει πολλά για την κατασκευή ηλεκτρονικών ειδών, μπορεί να μην φαίνεται να αποτελεί πρόβλημα. Μέχρι τη στιγμή που τα περισσότερα ηλεκτρονικά συσκευάζονται για πώληση, υπάρχουν πολλές διασφαλίσεις που θα μπορούσαν να αποτρέψουν τις περισσότερες ζημιές από την ESD. Τα ευαίσθητα εξαρτήματα είναι φυσικά απρόσιτα και είναι διαθέσιμα πιο βολικά μονοπάτια σε ένα έδαφος (δηλαδή ένα σασί υπολογιστή είναι δεμένο με ένα έδαφος, η αποφόρτιση της ESD σε αυτό σχεδόν ασφαλώς δεν θα βλάψει την CPU μέσα στο περίβλημα, γείωση μέσω της τροφοδοσίας ρεύματος και της πηγής τροφοδοσίας του τοίχου). Εναλλακτικά, δεν είναι δυνατές λογικές διαδρομές μεταφοράς ρεύματος. πολλά κινητά τηλέφωνα έχουν μη αγώγιμους εξωτερικούς χώρους και έχουν μόνο ένα έδαφος όταν χρεώνονται.

Για την καταγραφή, πρέπει να περάσω από την κατάρτιση ESD κάθε τρεις μήνες, οπότε θα μπορούσα απλώς να συνεχίσω. Νομίζω όμως ότι αυτό πρέπει να είναι αρκετό για να απαντήσετε στην ερώτησή σας. Πιστεύω ότι όλα σε αυτήν την απάντηση πρέπει να είναι ακριβή, αλλά θα ήθελα να σας συμβουλέψω να διαβάσετε άμεσα για να το εξοικειώσετε καλύτερα με το φαινόμενο, αν δεν καταστρέψω την περιέργειά σας για καλό.

Ένα πράγμα που οι άνθρωποι βρίσκουν αντίθετο-διαισθητικό είναι ότι οι τσάντες που βλέπετε συχνά τα ηλεκτρονικά που αποθηκεύονται και αποστέλλονται (αντιστατικά σάκοι) είναι επίσης αγώγιμα. Αντιστατικό σημαίνει ότι το υλικό δεν θα συλλέξει κανένα σημαντικό φορτίο από την αλληλεπίδραση με άλλα υλικά. Αλλά στον κόσμο ESD, είναι εξίσου σημαντικό (στο μέγιστο δυνατό βαθμό) ότι όλα έχουν την ίδια τάση αναφοράς γείωσης.

Οι επιφάνειες εργασίας (ESD χαλάκια), οι σάκοι ESD και άλλα υλικά διατηρούνται συνήθως συνδεδεμένα με ένα κοινό έδαφος, είτε απλά χωρίς να έχουν μονωμένο υλικό μεταξύ τους, είτε πιο συγκεκριμένα καλωδίωση μονοπατιών χαμηλής αντίστασης σε έδαφος μεταξύ όλων των πάγκων εργασίας. τους συνδετήρες για τις ζώνες καρπού του εργαζομένου, το δάπεδο και κάποιο εξοπλισμό. Υπάρχουν θέματα ασφάλειας εδώ. Αν ασχολείστε με τα υψηλά εκρηκτικά και τα ηλεκτρονικά, η ζώνη του καρπού σας μπορεί να συνδεθεί απευθείας με ένα έδαφος και όχι με μια αντίσταση 1M Ohm. Εάν εργάζεστε γύρω από πολύ υψηλή τάση, δεν θα γείρετε τον εαυτό σας καθόλου.

Ακολουθεί ένα απόσπασμα σχετικά με το κόστος της ESD από τη Cisco, το οποίο μπορεί να είναι και λίγο συντηρητικό, καθώς οι παράπλευρες ζημιές από τις αστοχίες πεδίου για τη Cisco συνήθως δεν έχουν ως αποτέλεσμα την απώλεια ζωής, η οποία μπορεί να αυξήσει τα 100x που αναφέρονται στις τάξεις μεγέθους :

Έχετε κάτι να προσθέσετε στην εξήγηση; Απενεργοποιήστε τα σχόλια. Θέλετε να διαβάσετε περισσότερες απαντήσεις από άλλους τεχνολογικούς χρήστες Stack Exchange; Δείτε το πλήρες νήμα συζήτησης εδώ.