A statikus villamosenergia-kár még mindig hatalmas probléma az elektronikával?
Mindannyian hallottuk a figyelmeztetéseket, hogy megbizonyosodjunk róla, hogy az elektronikus készülékeinken dolgozunk, de a technológia fejlődése csökkentette a statikus elektromosság károsodásának problémáját, vagy még mindig olyan gyakori, mint korábban? A mai SuperUser Q&A poszt egy átfogó választ ad egy kíváncsi olvasó kérdésére.
A mai Kérdések és válaszok munkamenet a Jóvagyon - a Stack Exchange alosztályának, a közösség által vezérelt Q&A webhelyek csoportjának köszönhetően..
Fotó jóvoltából Jared Tarbell (Flickr).
A kérdés
A SuperUser olvasó Ricku tudni akarja, hogy a statikus elektromosság károsodása még mindig nagy probléma az elektronikával most:
Hallottam, hogy a statikus elektromosság néhány évtizeddel ezelőtt nagy probléma volt. Még mindig nagy probléma? Úgy vélem, ritka, hogy egy személy most „megpirít” egy számítógépes alkatrészt.
A statikus elektromosság még mindig nagy probléma az elektronikával?
A válasz
A SuperUser közreműködője Argonautok válaszolnak nekünk:
Az iparágban ez az elektródatikus kisülés (ESD), és most sokkal több probléma, mint valaha; noha valamilyen mértékben enyhítette az a politika és eljárások széles körben elterjedt elfogadása, amelyek segítik az ESD károsodásának valószínűségét a termékekben. Függetlenül attól, hogy az elektronikai iparágra gyakorolt hatása nagyobb, mint sok más egész iparág.
Ez is óriási tanulmányi és nagyon összetett téma, ezért csak néhány pontot fogok megérinteni. Ha érdekli, számos ingyenes forrás, anyag és weboldal található a témához. Sokan erre a területre szánják karrierjüket. Az ESD által károsított termékek nagyon valóságos és nagyon nagy hatást gyakorolnak az elektronikában részt vevő valamennyi vállalatra, legyen az gyártó, tervező vagy „fogyasztó”, és mint sok iparágban kezelt dolog, annak költségeit az minket.
Az ESD Szövetségtől:
Mivel az eszközök és jellemzőik mérete folyamatosan csökken, egyre érzékenyebbek lesznek az ESD károsodására, ami egy kis gondolat után értelme. Az elektronika felépítéséhez használt anyagok mechanikai szilárdsága általában csökken, ahogy méreteik csökken, valamint az anyag képessége, hogy ellenálljon a gyors hőmérsékletváltozásoknak, amit általában hőtömegnek neveznek (éppen úgy, mint a makroszintű tárgyakban). 2003-ban a legkisebb jellemzők 180 nm-es tartományban voltak, és most gyorsan közelítünk 10 nm-re.
Az ESD esemény, amely 20 évvel ezelőtt ártalmatlan lett volna, potenciálisan elpusztíthatja a modern elektronikát. A tranzisztorokon a kapuanyag gyakran az áldozat, de más áramköri elemeket is el lehet párologni vagy megolvasztani. Az IC-csapok forrasztása (a felszíni szerelési egyenérték, mint a Ball Grid Array sokkal gyakrabban fordul elő ezekben a napokban) a PCB-n megolvad, és a szilícium önmagában is rendelkezik néhány kritikus jellemzővel (különösen a dielektromos értékkel), amelyet nagy hővel lehet megváltoztatni . Összességében meg lehet változtatni az áramkört egy félvezetőről egy mindig vezetőre, ami általában szikrával és rossz szaggal végződik, amikor a chipet bekapcsolják.
A kisebb méretek szinte teljesen pozitívak a legtöbb metrikából; olyan dolgok, mint a működési / órajel-sebességek, amelyek támogathatók, energiafogyasztás, szorosan összekapcsolt hőtermelés stb., de a károsodás érzékenysége azáltal, hogy egyébként triviális energiamennyiségnek tekinthető, szintén jelentősen megnő, ha a jellemző mérete csökken..
Az ESD-védelem ma sok elektronikába épül, de ha 500 milliárd tranzisztor van egy integrált áramkörben, akkor nem lehet megvizsgálni, hogy a statikus kisülés melyik útja 100% -os biztonsággal jár.
Az emberi testet néha modellezik (humán testmodell; HBM) úgy, hogy 100-250 picofarad kapacitással rendelkezik. Ebben a modellben a feszültség elérheti a 25 kV-ot (a forrástól függően) (bár egyesek csak 3 kV-t tesznek ki). A nagyobb számok felhasználásával az embernek körülbelül 150 millijoules energiája lenne. Egy teljesen „feltöltött” személy általában nem ismeri ezt, és egy másodperc egy töredékében kerül kiürítésre az első elérhető földúton, gyakran elektronikus eszközön keresztül..
Ne feledje, hogy ezek a számok azt feltételezik, hogy a személy nem visel ruhát, amely további díjat hordoz, ami általában ez a helyzet. Különböző modellek léteznek az ESD kockázati és energiaszintjének kiszámítására, és nagyon gyorsan zavaróvá válik, mivel egyes esetekben ellentmondanak egymásnak. Itt van egy link a számos szabvány és modell kiváló vitájára.
Függetlenül attól, hogy milyen speciális módszert alkalmaztak annak kiszámítására, nem, és természetesen nem hangzik sok energiának, de több mint elegendő egy modern tranzisztor elpusztításához. A kontextusban az egyik joule egyenértékű (a Wikipedia szerint) az ahhoz szükséges energiához, hogy egy közepes méretű paradicsom (100 gramm) egy méter függőlegesen legyen a Föld felszínétől..
Ez az emberi csak ESD esemény „legrosszabb forgatókönyve” oldalára esik, ahol az ember töltődik, és egy érzékeny eszközre bocsátja. A viszonylag alacsony töltésű magas feszültség akkor fordul elő, ha a személy nagyon rosszul földelt. A sérülések és a sérülések egyik kulcsfontosságú tényezője nem a töltés vagy a feszültség, hanem az áram, ami ebben az összefüggésben tekinthető úgy, mint az, hogy milyen alacsony az elektronikai eszköz útjának a talajhoz való ellenállása..
Az elektronika körül dolgozó emberek általában csuklópántokkal és / vagy földelő hevederekkel vannak a lábukon. Ezek nem „rövidnadrágok” a földeléshez; az ellenállás mérete megakadályozza, hogy a munkavállalók villámcsapokként szolgáljanak (könnyen villamosodjanak). A csuklós szalagok jellemzően 1M Ohm tartományban vannak, de ez lehetővé teszi a felhalmozott energia gyors kiürítését. Kapacitív és szigetelt elemeket, valamint más töltőanyagot előállító vagy tároló anyagokat különítenek el a munkaterületekről, mint például a polisztirol, a buborékcsomagolás és a műanyag poharak..
Szó szerint számtalan egyéb anyag és helyzetek okozhatnak ESD-károsodást (mind a pozitív, mind a negatív relatív töltési különbségektől) olyan eszközhöz, ahol az emberi test maga nem hordozza a töltést „belsőleg”, hanem csak megkönnyíti mozgását. A rajzfilm szintű példa gyapjú pulóvert és zoknit visel, miközben egy szőnyegen jár, majd felvette vagy megérinti egy fémtárgyat. Ez lényegesen nagyobb mennyiségű energiát hoz létre, mint ahogy maga a test is tárolhat.
Egy utolsó pont, hogy mennyi energiát igényel a modern elektronika károsítása. A 10 nm-es tranzisztor (még nem gyakori, de a következő néhány évben) a kapu vastagsága kisebb, mint 6 nm, ami közel áll ahhoz, amit egyrétegűnek neveznek (egyetlen atomréteg).
Ez egy nagyon bonyolult tantárgy, és az ESD-eseménynek egy eszközre okozott károsodásának mértékét nehéz megjósolni a nagyszámú változó miatt, beleértve a kisütés sebességét (mennyi ellenállás van a töltés és a föld között) , a földön áthaladó utak száma, a páratartalom és a környezeti hőmérséklet, és még sok más. Mindezek a változók különféle egyenletekhez csatlakoztathatók, amelyek modellezhetik a hatást, de nem igazán pontosak a tényleges kár előrejelzésére, de jobbak az esetleges károk megfogalmazásában egy eseményről.
Sok esetben, és ez nagyon iparági jellegű (gondolj orvosi vagy repülőgép), az ESD által kiváltott katasztrofális hiba esemény sokkal jobb eredmény, mint az ESD esemény, amely észrevétlenül megy át a gyártáson és a tesztelésen. Az észrevétlen ESD-események nagyon kis hibákat okozhatnak, vagy talán enyhíthetnek egy már meglévő és észrevétlen látens hibát, amely mindkét forgatókönyvben idővel rosszabbodhat, akár kisebb ESD-események, akár csak rendszeres használat miatt.
Végső soron az eszköz katasztrofális és korai meghibásodását eredményezik mesterségesen lerövidített időkereten belül, amelyet nem lehet megbízhatósági modellekkel megjósolni (amelyek a karbantartás és a csere menetrendek alapja). Ennek a veszélynek köszönhetően könnyen elképzelhető a szörnyű helyzetek (például a pacemaker mikroprocesszor vagy repülésvezérlő műszerei), a látens ESD által kiváltott hibák tesztelésének és modellezésének módja jelenleg a kutatás fő területe.
Olyan fogyasztó számára, aki nem dolgozik, vagy nem tud sokat tudni az elektronikai gyártásról, ez nem tűnik problémának. Mire a legtöbb elektronika eladásra van csomagolva, számos biztosíték van érvényben, amelyek megakadályozzák a legtöbb ESD kárt. Az érzékeny komponensek fizikailag hozzáférhetetlenek, és a talajhoz kényelmesebb utak állnak rendelkezésre (azaz a számítógép alváza a földhöz van kötve, az ESD-t csaknem biztosan nem károsítja a processzor a tokon belül, hanem a legkisebb ellenállási utat választja egy a tápegység és a fali aljzat áramforrásán keresztül). Alternatív megoldásként nem lehetséges ésszerű áramfelvételi utak; sok mobiltelefonnak nincs vezetőképes külseje, és csak feltöltődésekor van egy földút.
A feljegyzésekhez három hónapon belül át kell mennem az ESD képzésen, így csak tovább tudok menni. De azt hiszem, ez elegendő ahhoz, hogy válaszoljon a kérdésére. Úgy vélem, hogy a válasz mindent pontosnak tart, de erősen javasolnám, hogy közvetlenül olvassam fel, hogy jobban megismerhessem a jelenséget, ha nem ártom el a kíváncsiságodat.
Az egyik dolog, amit az emberek találnak ellentétesnek, az, hogy a gyakran használt elektronikákat (antisztatikus zacskók) gyakran vezetik. Az antisztatikus azt jelenti, hogy az anyag nem gyűjt semmilyen értelmes töltést a többi anyaggal való kölcsönhatásból. Az ESD világában ugyanolyan fontos (a lehető legteljesebb mértékben), hogy minden azonos feszültség referenciával rendelkezik.
A munkafelületek (ESD-szőnyegek), az ESD-zsákok és más anyagok jellemzően egy közös földhöz vannak kötve, vagy egyszerűen nem rendelkeznek szigetelt anyaggal, vagy kifejezetten az alacsony ellenállású utak földelésével az összes munkaasztal között; a munkavállalók csuklós sávjainak, a padlónak és néhány berendezésnek a csatlakozóit. Itt vannak biztonsági kérdések. Ha nagy robbanóanyagokkal és elektronikával dolgozik, a csuklópántja közvetlenül a talajhoz kötődik, nem pedig az 1M Ohm ellenálláshoz. Ha nagyon magas feszültséget dolgozol ki, akkor egyáltalán nem fogsz földelni.
Itt van egy idézet az ESD költségeiről a Cisco-ról, ami akár egy kicsit konzervatív is lehet, mivel a Cisco terepi hibáiból eredő károsodás általában nem eredményez életveszteséget, ami növelheti a nagyságrendben említett 100x-ot :
Van valami, amit hozzá kell adni a magyarázathoz? Kikapcsolja a megjegyzéseket. Szeretne további válaszokat olvasni más tech-savvy Stack Exchange felhasználóktól? Nézze meg a teljes beszélgetés szálát itt.
