Является ли повреждение статическим электричеством проблемой с электроникой?

Вопрос

Читатель SuperUser Рику хочет знать, является ли повреждение статическим электричеством по-прежнему огромной проблемой для электроники:

Я слышал, что статическое электричество было большой проблемой пару десятилетий назад. Это все еще большая проблема сейчас? Я считаю, что сейчас человек редко «жарит» компьютерный компонент.

Является ли повреждение статическим электричеством все еще огромной проблемой с электроникой сейчас?

Ответ

Участник SuperUser Argonauts имеет ответ для нас:

В промышленности его называют электростатическим разрядом (ESD), и сейчас он представляет собой гораздо большую проблему, чем когда-либо; хотя это было несколько смягчено недавним повсеместным принятием политик и процедур, которые помогают снизить вероятность повреждения продуктов ОУР. Несмотря на это, его влияние на электронную промышленность больше, чем во многих других целых отраслях.

Это также огромная тема для изучения и очень сложная, поэтому я просто коснусь нескольких моментов. Если вам интересно, есть множество бесплатных источников, материалов и сайтов, посвященных этой теме. Многие люди посвящают свою карьеру этой области. Продукты, поврежденные ОУР, оказывают очень реальное и очень большое влияние на все компании, занимающиеся электроникой, будь то производитель, дизайнер или «потребитель», и, как и многие другие проблемы, возникающие в отрасли, ее расходы переносятся на нас.

От Ассоциации ОУР:

Поскольку устройства и размер их функций постоянно уменьшаются, они становятся более подверженными повреждению от электростатического разряда, что имеет смысл после недолгого размышления. Механическая прочность материалов, используемых для создания электроники, обычно уменьшается с уменьшением их размера, а также способность материала противостоять быстрым изменениям температуры, обычно называемым термической массой (как в объектах макромасштаба). Приблизительно в 2003 году наименьшие размеры элементов были в диапазоне 180 нм, а сейчас мы быстро приближаемся к 10 нм.

Событие ОУР, которое 20 лет назад было бы безвредным, потенциально может разрушить современную электронику. На транзисторах материал затвора часто является жертвой, но другие токонесущие элементы также могут испаряться или плавиться. Припой на контактах микросхемы (эквивалент поверхностного монтажа, такой как шариковая сетка, в наши дни встречается гораздо чаще) на печатной плате может быть расплавлен, и сам кремний имеет некоторые критические характеристики (особенно его диэлектрическую ценность), которые могут быть изменены при сильном нагревании , В целом, он может изменить схему с полупроводника на постоянно проводящий, который обычно заканчивается искрой и неприятным запахом при включении микросхемы.

Меньшие размеры объектов почти полностью положительны с точки зрения большинства метрик; такие вещи, как рабочие / тактовые частоты, которые могут поддерживаться, энергопотребление, тесно связанная генерация тепла и т. д., но чувствительность к повреждению от того, что в противном случае считалось бы тривиальным количеством энергии, также значительно увеличивается при уменьшении размера элемента.

Сегодня защита от электростатического разряда встроена во многие электронные устройства, но если у вас 500 миллиардов транзисторов в интегральной схеме, определить, по какому пути пойдет статический разряд со 100-процентной достоверностью, не проблема.

Человеческое тело иногда моделируется (Human Body Model; HBM) как имеющее емкость от 100 до 250 пикофарад. В этой модели напряжение может достигать 25 кВ (в зависимости от источника) (хотя некоторые утверждают, что оно достигает 3 кВ). Используя большие числа, человек будет иметь «заряд» энергии около 150 миллиджоулей. Полностью «заряженный» человек обычно не узнает об этом, и он разряжается за долю секунды через первый доступный путь заземления, часто электронное устройство.

Обратите внимание, что эти цифры предполагают, что человек не носит одежду, способную нести дополнительную плату, как это обычно бывает. Существуют различные модели для расчета риска ОУР и уровней энергии, и это очень быстро сбивает с толку, поскольку в некоторых случаях они противоречат друг другу. Вот ссылка на отличное обсуждение многих стандартов и моделей.

Независимо от конкретного метода, использованного для его расчета, это не так, и, конечно же, это не так много энергии, но этого более чем достаточно для разрушения современного транзистора. Для контекста, одна джоуль энергии эквивалентна (согласно Википедии) энергии, необходимой для подъема томата среднего размера (100 грамм) на один метр вертикально от поверхности Земли.

Это относится к стороне «наихудшего сценария» события ОУР, касающегося только человека, когда человек несет заряд и разряжает его в восприимчивое устройство. Высокое напряжение от относительно низкого уровня заряда возникает, когда человек очень плохо заземлен. Ключевым фактором в том, что и сколько повреждено, является не заряд или напряжение, а ток, который в этом контексте можно рассматривать как низкое сопротивление пути электронного устройства к земле.

Люди, работающие с электроникой, обычно заземляются на запястьях и / или заземляющих ремешках на ногах. Они не «шорты» для заземления; сопротивление измеряется таким образом, чтобы рабочие не служили в качестве громоотводов (их легко убить током). Браслеты обычно находятся в диапазоне 1 мОм, но это все же позволяет быстро разряжать любую накопленную энергию. Емкостные и изолированные элементы вместе с любыми другими материалами, генерирующими или хранящими заряд, изолированы от рабочих зон, таких как полистирол, пузырчатая пленка и пластиковые стаканчики.

Существует буквально бесчисленное множество других материалов и ситуаций, которые могут привести к повреждению от электростатического разряда (как от положительных, так и от отрицательных разностей относительных зарядов) для устройства, где само тело человека не несет заряд «внутри», а просто облегчает его движение. Пример мультяшного уровня — носить шерстяной свитер и носки, когда вы идете по ковру, а затем поднимаете или касаетесь металлического предмета. Это создает значительно большее количество энергии, чем само тело может хранить.

И последнее, о том, как мало энергии требуется, чтобы повредить современную электронику. Транзистор 10 нм (пока не распространенный, но будет в ближайшие пару лет) имеет толщину затвора менее 6 нм, что приближается к тому, что они называют монослоем (один слой атомов).

Это очень сложный вопрос, и трудно предсказать величину ущерба, которое может вызвать событие ESD для устройства, из-за огромного количества переменных, в том числе скорости разряда (насколько велико сопротивление между зарядом и землей). количество путей к земле через устройство, влажность и температура окружающей среды и многое другое. Все эти переменные могут быть включены в различные уравнения, которые могут моделировать воздействие, но они пока не очень точны в прогнозировании реального ущерба, но лучше в определении возможного ущерба от события.

Во многих случаях, и это очень специфично для отрасли (например, медицинское или аэрокосмическое), событие катастрофического отказа, вызванного ОУР, является гораздо лучшим результатом, чем событие ОУР, которое проходит через производство и тестирование незамеченным. Незаметные события ESD могут создать очень незначительный дефект или, возможно, слегка ухудшить ранее существовавший и необнаруженный скрытый дефект, который в обоих сценариях может ухудшиться со временем из-за дополнительных незначительных событий ESD или просто регулярного использования.

В конечном итоге они приводят к катастрофическому и преждевременному выходу устройства из строя в искусственно сокращенном временном интервале, который не может быть предсказан моделями надежности (которые являются основой для графиков технического обслуживания и замены). Из-за этой опасности, и легко представить себе ужасные ситуации (например, микропроцессор кардиостимулятора или приборы управления полетом), разработка способов тестирования и моделирования скрытых дефектов, вызванных электростатическим разрядом, является сейчас важной областью исследований.

Для потребителя, который не работает или не знает много о производстве электроники, это может не показаться проблемой. К тому времени, когда большая часть электроники упакована для продажи, уже существует множество мер безопасности, которые предотвратят большинство повреждений от электростатического разряда. Чувствительные компоненты физически недоступны, и доступны более удобные пути к земле (т. Е. Шасси компьютера привязано к земле, разрядка ESD в него почти наверняка не повредит процессор внутри корпуса, а вместо этого выберет самый низкий путь сопротивления к земле). заземление через источник питания и сетевой источник питания). Альтернативно, никакие разумные пути переноса тока невозможны; многие мобильные телефоны имеют непроводящий внешний вид и заземляются только при зарядке.

Для справки, я должен проходить тренинг по ОУР каждые три месяца, поэтому я мог просто продолжать. Но я думаю, что этого должно быть достаточно, чтобы ответить на ваш вопрос. Я верю, что все в этом ответе является точным, но я бы настоятельно рекомендовал прочитать его непосредственно, чтобы лучше познакомиться с этим явлением, если я не уничтожил ваше любопытство навсегда.

Одна вещь, которую люди находят нелогичной, заключается в том, что сумки, которые вы часто видите в электронике, хранящиеся и отправляемые (антистатические пакеты), также являются проводящими. Антистатический означает, что материал не будет собирать какой-либо значимый заряд от взаимодействия с другими материалами. Но в ОУР мире, не менее важно (в максимально возможной степени), что все имеет ту же ссылку напряжения заземления.

Рабочие поверхности (маты ESD), мешки ESD и другие материалы, как правило, все привязаны к общему заземлению, либо просто не имея между ними изолированного материала, либо, что более явно, подключают дорожки с низким сопротивлением к земле между всеми рабочими столами; разъемы для рабочих браслетов, пола и некоторого оборудования. Здесь есть проблемы безопасности. Если вы работаете с взрывчаткой и электроникой, ваш браслет может быть привязан непосредственно к земле, а не к резистору 1 мОм. Если вы работаете с очень высоким напряжением, вы вообще не будете заземляться.

Вот цитата о стоимости ESD от Cisco, которая может быть даже немного консервативной, так как сопутствующий ущерб от сбоев в полевых условиях для Cisco обычно не приводит к потере жизни, что может увеличить это значение в 100 раз на величину порядка :

Есть что добавить к объяснению? Отключить звук в комментариях. Хотите узнать больше ответов от других опытных пользователей Stack Exchange? Ознакомьтесь с полной веткой обсуждения здесь .