Adakah Kerosakan Elektrik Statik Masih Masalah Besar Dengan Elektronik?

Kita semua telah mendengar amaran untuk memastikan kita betul-betul dibina ketika bekerja pada peranti elektronik kita, tetapi kemajuan teknologi mengurangkan masalah kerosakan elektrik statik atau masih seperti biasa sebelum ini? Siaran Q & A SuperUser hari ini mempunyai jawapan yang komprehensif kepada soalan pembaca yang ingin tahu.

Sesi Soalan & Jawapan hari ini datang kepada kami dengan ihsan SuperUser-bahagian pembahagian Stack Exchange, kumpulan yang diketuai oleh komuniti laman web Q & A.

Foto ihsan Jared Tarbell (Flickr).

Soalan

Pembaca SuperUser Ricku ingin tahu sama ada kerosakan elektrik statik masih menjadi masalah besar dengan elektronik sekarang:

Saya telah mendengar bahawa elektrik statik adalah masalah besar beberapa dekad lalu. Masihkah masalah besar sekarang? Saya percaya bahawa ia jarang berlaku bagi seseorang untuk "menggoreng" komponen komputer sekarang.

Adakah kerosakan elektrik statik masih menjadi masalah besar dengan elektronik sekarang?

Jawapan

Penyokong SuperUser Argonaut mempunyai jawapan untuk kami:

Dalam industri ini, ia dirujuk sebagai Pelepasan Elektro-Statik (ESD) dan jauh lebih banyak masalah sekarang berbanding sebelumnya; walaupun ia telah dikurangkan sedikit oleh penggunaan dasar dan prosedur yang meluas yang agak terkini yang membantu mengurangkan kemungkinan kerosakan ESD terhadap produk. Walau apa pun, impaknya terhadap industri elektronik adalah lebih besar daripada banyak industri lain.

Ia juga merupakan topik kajian yang sangat besar dan sangat kompleks, jadi saya hanya akan menyentuh beberapa mata. Jika anda berminat, terdapat banyak sumber percuma, bahan, dan tapak web yang didedikasikan untuk subjek. Ramai orang mendedikasikan kerjaya mereka ke kawasan ini. Produk yang rosak oleh ESD mempunyai impak yang sangat nyata dan sangat besar terhadap semua syarikat yang terlibat dalam bidang elektronik, sama ada sebagai pengilang, pereka, atau "pengguna", dan seperti banyak perkara yang ditangani dalam industri, kosnya disalurkan ke kami.

Dari Persatuan ESD:

Sebagai peranti dan saiz ciri-ciri mereka terus menjadi lebih kecil, mereka menjadi lebih mudah terdedah kepada kerosakan oleh ESD, yang masuk akal selepas sedikit pemikiran. Kekuatan mekanikal bahan-bahan yang digunakan untuk membina elektronik umumnya menurun apabila saiznya berkurang, seperti juga keupayaan bahan untuk menahan perubahan suhu yang cepat, biasanya dirujuk sebagai jisim termal (sama seperti dalam objek skala makro). Sekitar tahun 2003, saiz ciri terkecil berada dalam lingkungan 180 nm dan kini kami mendekati laju 10 nm.

Satu peristiwa ESD yang 20 tahun yang lalu tidak akan membahayakan berpotensi merosakkan elektronik moden. Pada transistor, bahan gerbang sering menjadi mangsa, tetapi unsur-unsur membawa semasa yang lain dapat dielakkan atau dicairkan juga. Solder pada pin IC (permukaan bersamaan permukaan seperti Array Grid Ball jauh lebih umum pada hari ini) pada PCB boleh cair, dan silikon itu sendiri mempunyai beberapa ciri kritikal (terutamanya nilai dielektrik) yang boleh diubah oleh haba yang tinggi . Diambil sama sekali, ia boleh mengubah litar dari separa konduktor kepada konduktor yang selalu berakhir dengan percikan dan bau yang tidak baik apabila cip dikuasakan.

Saiz ciri yang lebih kecil hampir keseluruhannya positif dari kebanyakan perspektif metrik; perkara-perkara seperti kelajuan operasi / jam yang boleh disokong, penggunaan kuasa, penambahan haba yang kukuh, dan sebagainya, tetapi kepekaan untuk kerosakan dari apa yang akan dianggap sebagai jumlah tenaga yang kecil juga meningkat apabila saiz ciri turun.

Perlindungan ESD dibina di banyak elektronik hari ini, tetapi jika anda mempunyai 500 bilion transistor dalam litar bersepadu, ia bukanlah masalah yang dapat dikesan untuk menentukan laluan apa yang melepaskan statik dengan 100 peratus kepastian.

Tubuh manusia kadang-kadang dimodelkan (Model Tubuh Manusia; HBM) mempunyai 100 hingga 250 pikofarad kapasitans. Dalam model itu, voltan boleh menjadi tinggi (bergantung kepada sumber) sebagai 25 kV (walaupun ada yang menuntut hanya setinggi 3 kV). Menggunakan nombor yang lebih besar, orang itu akan mempunyai "tenaga" tenaga sebanyak kira-kira 150 miliju. Orang yang "dibeban" sepenuhnya tidak akan biasanya menyedarinya dan ia akan dilepaskan dalam pecahan sesaat melalui laluan tanah pertama yang tersedia, selalunya peranti elektronik.

Perhatikan bahawa nombor ini menganggap orang itu tidak memakai pakaian yang mampu membawa caj tambahan, yang biasanya berlaku. Terdapat model yang berbeza untuk mengira tahap risiko dan tenaga ESD, dan ia menjadi agak mengelirukan dengan sangat cepat kerana ia kelihatan bertentangan antara satu sama lain dalam beberapa kes. Berikut adalah pautan kepada perbincangan yang sangat baik mengenai banyak piawaian dan model.

Terlepas dari kaedah khusus yang digunakan untuk mengira ia, tidak, dan tentunya tidak terdengar seperti banyak tenaga, tetapi ia lebih daripada memadai untuk menghancurkan transistor moden. Untuk konteks, satu joule tenaga bersamaan (mengikut Wikipedia) kepada tenaga yang diperlukan untuk mengangkat satu ukuran tomato ukuran (100 gram) satu meter secara menegak dari permukaan bumi.

Ini jatuh pada "senario paling teruk" dari peristiwa ESD manusia sahaja, di mana manusia sedang menanggung dan melepaskannya ke dalam peranti yang mudah dijangkiti. Voltan yang tinggi dari jumlah caj yang agak rendah berlaku apabila orang itu sangat lemah. Faktor utama dalam apa dan berapa banyak yang rosak sebenarnya bukan caj atau voltan, tetapi semasa, yang dalam konteks ini boleh dianggap sebagai rendahnya daya tahan peranti elektronik ke tanah adalah.

Orang yang bekerja di sekitar elektronik biasanya dibina dengan tali pergelangan tangan dan / atau tali asas pada kaki mereka. Mereka bukan "seluar pendek" untuk asas; rintangan itu bersaiz untuk menghalang pekerja daripada berkhidmat sebagai tongkat kilat (mudah mendapat elektrik). Band pergelangan biasanya berada dalam julat 1m Ohm, tetapi itu masih membolehkan untuk melepaskan tenaga yang terkumpul dengan cepat. Barang berkapasiti dan terlindung bersama-sama dengan bahan penjanaan atau penyimpanan lain yang lain diasingkan dari kawasan kerja, seperti polistirena, balut gelembung, dan cawan plastik.

Terdapat banyak bahan dan situasi lain yang boleh mengakibatkan kerosakan ESD (dari kedua-dua perbezaan caj relatif positif dan negatif) ke peranti di mana badan manusia itu sendiri tidak membawa pertuduhan "dalaman", tetapi hanya memudahkan pergerakannya. Contoh tahap kartun akan memakai baju bulu dan kaus kaki semasa berjalan di atas karpet, kemudian mengambil atau menyentuh objek logam. Itu mencipta jumlah tenaga yang jauh lebih tinggi daripada badan itu sendiri yang boleh disimpan.

Satu titik terakhir mengenai betapa sedikit tenaga yang diperlukan untuk merosakkan elektronik moden. Transistor 10 nm (tidak biasa, tetapi akan menjadi dalam beberapa tahun akan datang) mempunyai ketebalan pintu kurang daripada 6 nm, yang semakin dekat dengan apa yang mereka panggil monolayer (lapisan tunggal atom).

Ini adalah subjek yang sangat rumit, dan jumlah kerosakan yang boleh menyebabkan peristiwa ESD kepada peranti sukar untuk diramal disebabkan oleh banyak pemboleh ubah, termasuk kelajuan pelepasan (berapa banyak rintangan yang ada di antara pertuduhan dan tanah) , bilangan laluan ke tanah melalui peranti, kelembapan dan suhu ambien, dan banyak lagi. Kesemua pembolehubah ini boleh dimasukkan ke dalam pelbagai persamaan yang boleh memodelkan impak, tetapi mereka tidak terlalu tepat untuk meramalkan kerosakan sebenar, tetapi lebih baik untuk membingkaikan kemungkinan kerosakan dari sesuatu peristiwa.

Dalam banyak kes, dan ini sangat khusus industri (berfikir perubatan atau aeroangkasa), peristiwa kegagalan bencana yang disebabkan oleh ESD adalah hasil yang jauh lebih baik daripada peristiwa ESD yang melalui pembuatan dan pengujian tanpa disedari. Peristiwa-peristiwa ESD yang tidak disedari boleh mencipta kecacatan yang sangat kecil, atau mungkin sedikit memburukkan kecacatan laten yang sudah ada dan tidak dapat dikesan sebelumnya, yang dalam kedua-dua senario boleh menjadi lebih buruk dari masa ke masa disebabkan oleh peristiwa ESD kecil tambahan atau penggunaan biasa.

Mereka akhirnya mengakibatkan kegagalan bencana dan pramatang peranti dalam rangka masa yang dipendekkan secara buatan yang tidak dapat diramalkan oleh model kebolehpercayaan (yang merupakan asas untuk jadual penyelenggaraan dan penggantian). Kerana bahaya ini, dan mudah untuk memikirkan situasi yang dahsyat (contohnya mikropemproses alat pacuan atau alat kawalan penerbangan, contohnya), datang dengan cara-cara untuk menguji dan model laten kecacatan yang disebabkan oleh ESD adalah bidang utama penyelidikan sekarang.

Bagi pengguna yang tidak bekerja atau mengetahui banyak tentang perkilangan elektronik, ia mungkin tidak menjadi masalah. Pada masa yang paling elektronik dibungkus untuk dijual, terdapat banyak perlindungan di tempat yang akan menghalang kerosakan yang paling ESD. Komponen-komponen sensitif adalah laluan fizikal yang tidak boleh diakses dan lebih mudah ke tanah yang boleh didapati (iaitu casis komputer diikat ke tanah, melaksanakan ESD ke dalamnya hampir pasti tidak akan merosakkan CPU dalam kes itu, tetapi sebaliknya mengambil laluan rintangan terendah ke tanah melalui bekalan kuasa dan sumber kuasa soket dinding). Secara alternatif, tiada laluan membawa arus yang munasabah adalah mungkin; banyak telefon bimbit mempunyai eksterior yang tidak konduktif dan hanya mempunyai landasan tanah apabila dikenakan.

Untuk rekod, saya perlu menjalani latihan ESD setiap tiga bulan, jadi saya boleh teruskan. Tetapi saya fikir ini sepatutnya cukup untuk menjawab soalan anda. Saya percaya segala-galanya dalam jawapan ini adalah tepat, tetapi saya akan menasihatkan membaca secara langsung untuk mengetahui lebih dekat dengan fenomena ini jika saya tidak memusnahkan rasa ingin tahu anda untuk kebaikan.

Satu perkara yang orang dapat menemui balas intuitif ialah beg yang sering anda lihat elektronik yang disimpan dan dihantar (beg anti statik) juga konduktif. Anti-statik bermaksud bahawa bahan itu tidak akan mengumpulkan sebarang caj yang bermakna daripada berinteraksi dengan bahan lain. Tetapi di dunia ESD, sama pentingnya (sejauh mungkin) bahawa semuanya mempunyai rujukan voltan tanah yang sama.

Permukaan kerja (tikar ESD), beg ESD, dan bahan-bahan lain semuanya biasanya terikat dengan satu sama lain, sama ada dengan tidak mempunyai bahan terlindung di antara mereka, atau lebih jelas dengan memasang laluan rintangan rendah ke tanah di antara semua bangku kerja; penyambung untuk band pergelangan tangan pekerja, lantai, dan beberapa peralatan. Terdapat masalah keselamatan di sini. Jika anda bekerja di sekeliling bahan letupan dan elektronik tinggi, band pergelangan tangan anda mungkin terikat secara langsung ke atas tanah dan bukannya perintang Ohm 1M. Jika anda bekerja di sekitar voltan yang sangat tinggi, anda tidak akan lupa sama sekali.

Berikut adalah sebut harga kos ESD dari Cisco, yang mungkin agak konservatif, kerana kerosakan cagaran dari kegagalan lapangan untuk Cisco biasanya tidak mengakibatkan kehilangan nyawa, yang dapat meningkatkan 100x yang dirujuk oleh perintah magnitud :

Mempunyai sesuatu untuk menambah penjelasannya? Bunyi dalam komen. Ingin membaca lebih banyak jawapan dari pengguna Stack Exchange yang berteknologi tinggi? Lihat thread perbincangan penuh di sini.