Всі ми чули попередження, щоб упевнитися, що ми належним чином заземлені при роботі з нашими електронними пристроями, але прогрес у технології зменшив проблему пошкодження статичною електрикою, або це все ще поширено як раніше? Сьогоднішній пост SuperUser Q&A містить вичерпну відповідь на питання цікавого читача.
Сьогоднішня сесія Питань і Відповідей приходить до нас завдяки SuperUser - підрозділу Stack Exchange, об'єднаній групою веб-сайтів питань і відповідей.
Фото люб'язно надано Джаредом Тарбеллом (Flickr).
Питання
Читач SuperUser Ріку хоче знати, чи є пошкодження статичною електрикою як і раніше величезною проблемою для електроніки:
Я чув, що статична електрика була великою проблемою пару десятиліть тому. Це все ще велика проблема зараз? Я вважаю, що зараз людина рідко «смажить» комп'ютерний компонент.
Чи є пошкодження статичною електрикою все ще величезною проблемою з електронікою зараз?
Відповідь
Учасник SuperUser Argonauts має відповідь для нас:
У промисловості його називають електростатичним розрядом (ESD), і зараз він являє собою набагато більшу проблему, ніж будь-коли; хоча це було дещо пом'якшено недавнім повсюдним прийняттям політик і процедур, які допомагають знизити ймовірність пошкодження продуктів ОУР. Незважаючи на це, його вплив на електронну промисловість більший, ніж у багатьох інших цілих галузях.
Це також величезна тема для вивчення і дуже складна, тому я просто торкнуся декількох моментів. Якщо вам цікаво, є безліч безкоштовних джерел, матеріалів і сайтів, присвячених цій темі. Багато людей присвячують свою кар'єру цій області. Продукти, пошкоджені ОУР, надають дуже реальний і дуже великий вплив на всі компанії, що займаються електронікою, будь то виробник, дизайнер або «споживач», і, як і багато інших проблем, що виникають в галузі, її витрати переносяться на нас.
Від Асоціації ОУР:
Оскільки пристрої і розмір їх функцій постійно зменшуються, вони стають більш схильними до пошкодження від електростатичного розряду, що має сенс після недовгого роздуму. Механічна міцність матеріалів, що використовуються для створення електроніки, зазвичай зменшується зі зменшенням їх розміру, а також здатність матеріалу протистояти швидким змінам температури, зазвичай званим термічною масою (як в об'єктах макромасштабу). Приблизно 2003 року найменші розміри елементів були в діапазоні 180 нм, а зараз ми швидко наближаємося до 10 нм.
Подія ОУР, яка 20 років тому була б нешкідливою, потенційно може зруйнувати сучасну електроніку. На транзисторах матеріал затвора часто є жертвою, але інші токонесущі елементи також можуть випаровуватися або плавитися. Припій на контактах мікросхеми (еквівалент поверхневого монтажу, такий як кулькова сітка, в наші дні зустрічається набагато частіше) на друкованій платі може бути розплавлений, і сам кремній має деякі критичні характеристики (особливо його діелектричну цінність), які можуть бути змінені при сильному нагріванні, В цілому, він може змінити схему з напівпровідника на постійно проводить, який зазвичай закінчується іскрою і неприємним запахом при включенні мікросхеми.
Менші розміри об'єктів майже повністю позитивні з точки зору більшості метрик; такі речі, як робочі/тактові частоти, які можуть підтримуватися, енергоспоживання, тісно пов'язана генерація тепла і т. д., але чутливість до пошкодження від того, що в іншому випадку вважалося б тривіальною кількістю енергії, також значно збільшується при зменшенні розміру елемента.
Сьогодні захист від електростатичного розряду вбудований у багато електронних пристроїв, але якщо у вас 500 мільярдів транзисторів в інтегральній схемі, визначити, яким шляхом піде статичний розряд зі 100-відсотковою достовірністю, не проблема.
Людське тіло іноді моделюється (Human Body Model; HBM) як така, що має ємність від 100 до 250 пікофарад. У цій моделі напруга може досягати 25 кВ (залежно від джерела) (хоча деякі стверджують, що воно досягає 3 кВ). Використовуючи великі числа, людина матиме «заряд» енергії близько 150 міліджоулів. Повністю «заряджена» людина зазвичай не дізнається про це, і вона розряджається за частку секунди через перший доступний шлях заземлення, часто електронний пристрій.
Зверніть увагу, що ці цифри припускають, що людина не носить одяг, здатний нести додаткову плату, як це зазвичай буває. Існують різні моделі для розрахунку ризику ОУР і рівнів енергії, і це дуже швидко збиває з пантелику, оскільки в деяких випадках вони суперечать один одному. Ось посилання на відмінне обговорення багатьох стандартів і моделей.
Незалежно від конкретного методу, використаного для його розрахунку, це не так, і, звичайно ж, це не так багато енергії, але цього більш ніж достатньо для руйнування сучасного транзистора. Для контексту, одна джоуль енергії еквівалентна (згідно Вікіпедії) енергії, необхідної для підйому томата середнього розміру (100 грам) на один метр вертикально від поверхні Землі.
Це стосується сторони «найгіршого сценарію» події ОУР, що стосується тільки людини, коли людина несе заряд і розряджає його в сприйнятливий пристрій. Висока напруга від відносно низького рівня заряду виникає, коли людина дуже погано заземлена. Ключовим фактором у тому, що і скільки пошкоджено, є не заряд або напруга, а струм, який у цьому контексті можна розглядати як низький опір шляху електронного пристрою до землі.
Люди, які працюють з електронікою, зазвичай заземляються на комах і/або заземляють ремінцях на ногах. Вони не «шорти» для заземлення; опір вимірюється таким чином, щоб робітники не служили як громовідводи (їх легко вбити струмом). Браслети зазвичай знаходяться в діапазоні 1 мОм, але це все ж дозволяє швидко розряджати будь-яку накопичену енергію. Ємнісні та ізольовані елементи разом з будь-якими іншими матеріалами, що генерують або зберігають заряд, ізольовані від робочих зон, таких як полістирол, бульбашкова плівка і пластикові стаканчики.
Існує буквально незліченна безліч інших матеріалів і ситуацій, які можуть призвести до пошкодження від електростатичного розряду (як від позитивних, так і від негативних різниць відносних зарядів) для пристрою, де саме тіло людини не несе заряд «всередині», а просто полегшує його рух. Приклад мультяшного рівня - носити вовняний светр і шкарпетки, коли ви йдете по килиму, а потім піднімаєте або торкаєтеся металевого предмета. Це створює значно більшу кількість енергії, ніж саме тіло може зберігати.
І останнє, про те, як мало енергії потрібно, щоб пошкодити сучасну електроніку. Транзистор 10 нм (поки не поширений, але буде в найближчі пару років) має товщину затвора менше 6 нм, що наближається до того, що вони називають моношаром (один шар атомів).
Це дуже складне питання, і важко передбачити величину шкоди, яка може викликати подію ESD для пристрою, через величезну кількість змінних, у тому числі швидкість розряду (наскільки великий опір між зарядом і землею). кількість шляхів до землі через пристрій, вологість і температура навколишнього середовища та багато іншого. Всі ці змінні можуть бути включені в різні рівняння, які можуть моделювати вплив, але вони поки не дуже точні в прогнозуванні реального збитку, але краще у визначенні можливої шкоди від події.
У багатьох випадках, і це дуже специфічно для галузі (наприклад, медична або аерокосмічна), подія катастрофічної відмови, викликаної ОУР, є набагато кращим результатом, ніж подія ОУР, яка проходить через виробництво і тестування непоміченим. Непомітні події ESD можуть створити дуже незначний дефект або, можливо, злегка погіршити раніше існуючий і неналежний прихований дефект, який в обох сценаріях може погіршитися з часом через додаткові незначні події ESD або просто регулярного використання.
Зрештою вони призводять до катастрофічного і передчасного виходу пристрою з ладу в штучно скороченому часовому інтервалі, який не може бути передбачений моделями надійності (які є основою для графіків технічного обслуговування і заміни). Через цю небезпеку, і легко уявити собі жахливі ситуації (наприклад, мікропроцесор кардіостимулятора або прилади управління польотом), розробка способів тестування і моделювання прихованих дефектів, викликаних електростатичним розрядом, є зараз важливою областю досліджень.
Для споживача, який не працює або не знає багато про виробництво електроніки, це може не здатися проблемою. До того часу, коли велика частина електроніки упакована для продажу, вже існує безліч заходів безпеки, які запобігатимуть більшості пошкоджень від електростатичного розряду. Чутливі компоненти фізично недоступні, і доступні більш зручні шляхи до землі (Тобто Шасі комп'ютера прив'язано до землі, розрядка ESD в нього майже напевно не зашкодить процесор всередині корпусу, а замість цього вибере найнижчий шлях опору до землі). заземлення через джерело живлення і мережеве джерело живлення). Альтернативно, ніякі розумні шляхи перенесення струму неможливі; багато мобільних телефонів мають непровідний зовнішній вигляд і заземляються тільки при зарядці.
Для довідки, я повинен проходити тренінг з ОУР кожні три місяці, тому я міг просто продовжувати. Але я думаю, що цього має бути достатньо, щоб відповісти на ваше запитання. Я вірю, що все в цій відповіді є точним, але я б настійно рекомендував прочитати його безпосередньо, щоб краще познайомитися з цим явищем, якщо я не знищив вашу цікавість назавжди.
Одна річ, яку люди знаходять нелогічною, полягає в тому, що сумки, які ви часто бачите в електроніці, що зберігаються і відправляються (антистатичні пакети), також є провідними. Антистатичний означає, що матеріал не збиратиме якийсь значущий заряд від взаємодії з іншими матеріалами. Але в ОУР світі, не менш важливо (максимально можливою мірою), що все має те ж посилання напруги заземлення.
Робочі поверхні (мати ESD), мішки ESD та інші матеріали, як правило, всі прив'язані до загального заземлення, або просто не маючи між ними ізольованого матеріалу, або, що більш явно, підключають доріжки з низьким опором до землі між усіма робочими столами; роз'єми для робочих браслетів, підлоги та деякого обладнання. Тут є проблеми безпеки. Якщо ви працюєте з вибухівкою та електронікою, ваш браслет може бути прив'язаний безпосередньо до землі, а не до резистора 1 мОм. Якщо ви працюєте з дуже високою напругою, ви взагалі не будете заземлятися.
Ось цитата про вартість ESD від Cisco, яка може бути навіть трохи консервативною, так як супутній збиток від збоїв в польових умовах для Cisco зазвичай не призводить до втрати життя, що може збільшити це значення в 100 разів на величину порядку:
Є що додати до пояснення? Вимкнути звук у коментарях. Хочете дізнатися більше відповідей від інших досвідчених користувачів Stack Exchange? Ознайомтеся з повною гілкою обговорення тут.