Alla av oss har hört varningar för att se till att vi är ordentligt jordad när man arbetar på våra elektroniska enheter, men har framsteg inom teknik minskat problemet med statisk elektricitet skada eller är det fortfarande lika utbredd som tidigare? Idag är SuperUser Q&A-post har ett heltäckande svar till en nyfiken läsare fråga.
Dagens session med frågor Och Svar kommer till oss artighet av SuperUser—en indelning av Stack Exchange, en community-driven gruppering av Q&A sidor.
Foto med tillstånd av Jared Tarbell (Flickr).
Frågan
SuperUser läsare Ricku vill veta om statisk elektricitet skador är fortfarande ett stort problem med elektronik nu:
Jag har hört att statisk elektricitet var ett stort problem för ett par decennier sedan. Är det fortfarande ett stort problem nu? Jag tror att det är ovanligt för en person att “steka” en dator komponent nu.
Är statisk elektricitet skador som fortfarande är ett enormt problem med elektronik nu?
Svara
SuperUser bidragsgivare Argonauterna har svaret för oss:
I branschen kallas det Elektro-Statisk Urladdning (ESD) och är långt större problem nu än det någonsin har varit, även om det har minskats något genom ganska nyligen utbrett antagande av riktlinjer och rutiner som bidrar till att minska risken för ESD-skador på produkterna. Oavsett, är dess inverkan på elektronik industrin är större än många andra hela industrier.
Det är också ett stort ämne av studien och mycket komplexa, så jag kommer bara att beröra några punkter. Om du är intresserad, det finns många gratis källor, material och webbplatser dedikerade till ämnet. Många människor ägnar sina karriärer på detta område. Produkter som skadats av ESD-har en mycket verklig och mycket stora konsekvenser för alla inblandade företag i elektronik, oavsett om det är en tillverkare, designer, eller “konsumenten”, och som så många andra saker som behandlas i en bransch, dess kostnader är vidare till oss.
Från ESD-Föreningen:
Som enheter och storleken av deras funktioner kontinuerligt blivit mindre, de blir mer mottagliga för att skadas av ESD, vilket gör att känslan efter en bit. Den mekaniska styrkan hos de material som används för att bygga elektronik i allmänhet går ner deras storlek minskar, liksom materialets förmåga att motstå snabba temperaturförändringar, vanligen kallad termisk massa (precis som i makro-skala objekt). Runt 2003, den minsta har storlekar var i 180 nm och nu är vi snabbt närmar sig 10 nm.
En ESD-händelse som för 20 år sedan skulle ha varit ofarliga kan förstöra en modern elektronik. På transistorer, porten material är ofta offer, men andra strömförande delar kan vara förångas eller smält. Löda på en IC s pins (en yta motsvarande mount som en Ball Grid Array är långt mer vanligt i dessa dagar) på ett KRETSKORT kan vara smält, och silicon själv har vissa egenskaper som är avgörande (särskilt dielektriska värde) som kan ändras av hög värme. Sammantaget, det kan ändra krets från en semi-conductor till en alltid-ledaren, som oftast slutar med en spark och en dålig lukt när chipet är påslagen.
Mindre inslag storlekar är nästan helt positivt från de flesta statistik perspektiv, saker som drift/klockfrekvenser som kan stödjas, strömförbrukning, tätt kopplade värmeproduktion, etc., men känsligheten för skador från vad som annars betraktas som triviala mängder av energi också kraftigt ökar som har storleken går ner.
ESD-skydd är inbyggd i många elektronik idag, men om du har 500 miljarder transistorer, integrerade kretsar, det är inte en lätthanterlig problem att bestämma vilken väg en statisk urladdning kommer att ta med 100 procents säkerhet.
Den mänskliga kroppen är ibland modelleras (Mänskliga Kroppen Modell; HBM) som med 100 till 250 picofarads av kapacitans. I den modellen, den spänning som kan få så hög (beroende på källa) 25 kV (även om vissa hävdar bara så hög som 3 kV). Med större siffror, skulle en person har en energi som “avgift” på ca 150 millijoules. En helt “laddat” person skulle inte normalt att vara medveten om det och det blir urladdat på en bråkdel av en sekund genom den första tillgängliga marken bana, ofta en elektronisk enhet.
Observera att dessa siffror anta att personen inte bär kläder som klarar av att bära på en extra kostnad, vilket normalt är fallet. Det finns olika modeller för beräkning av ESD-risker och energi nivåer, och det blir ganska förvirrande mycket snabbt eftersom de verkar motsäga varandra i vissa fall. Här är en länk till en utmärkt diskussion av många av de standarder och modeller.
Oavsett vilken specifik metod som används för att beräkna det, det är det inte, och definitivt inte låter som mycket energi, men det är mer än tillräckligt för att förstöra en modern transistor. För sammanhang, en joule energi är likvärdiga (enligt Wikipedia) att den energi som krävs för att lyfta en medelstor tomat (100 g) en meter vertikalt från Jordens yta.
Detta faller på den “värsta scenario” – sidan av en människa-bara ESD händelse, där den mänskliga medför en kostnad och utsläpp det i en mottaglig enhet. En spänning som hög från en relativt låg summa kostnad uppstår när den person som är mycket dåligt jordad. En viktig faktor i vad och hur mycket som blir skadad är faktiskt inte kostnad eller spänning, men den nuvarande, som i detta sammanhang kan ses som hur lågt motstånd av den elektroniska enheten är vägen till marken.
Människor som arbetar runt om i elektronik är oftast jordad med handleden remmar och/eller jordning remmar på sina fötter. De är inte “shorts” för jordning; motståndet är dimensionerad för att hindra arbetarna från att fungera som åskledare (lätt att få elektrisk ström). Handleden band är typiskt i 1M Ohm sortiment, men som ändå tillåter snabb urladdning av eventuella ackumulerade energi. Kapacitiv och isolerade objekt tillsammans med någon annan avgift som genererar eller lagra material som är isolerade från jobbet områden, saker som frigolit, bubbelplast, och plastmuggar.
Det finns bokstavligen oräkneliga andra material och situationer som kan resultera i skador på grund av (både positiva och negativa relativa kostnad skillnader) till en enhet där den mänskliga kroppen själv inte bära den avgift som “internt”, men bara underlättar dess rörelse. En tecknad nivå exempel skulle vara klädd i ull tröja och strumpor medan du går över en matta, för att sedan plocka upp eller vidröra ett metallföremål. Det skapar en betydligt större mängd energi än vad kroppen själv kan lagra.
En sista fråga om hur lite energi det tar att skada modern elektronik. 10 nm transistor (inte vanligt ännu, men det kommer att vara under de närmaste åren) har en grind tjocklek av mindre än 6 nm, vilket är att komma nära vad de kallar ett monolager (ett enda lager av kolatomer).
Det är ett mycket komplicerat ämne, och omfattningen av de skador som en ESD-händelse kan leda till en enhet som är svåra att förutse på grund av det stora antalet variabler, inklusive hastighet av ansvarsfrihet (hur mycket motstånd det är mellan kostnad och en plats), antal vägar till marken via den enhet, luftfuktighet och temperaturer, och många fler. Alla dessa variabler kan anslutas till olika ekvationer som kan modellera effekten, men de är inte särskilt exakt på att förutsäga den faktiska skada ännu, men bättre på att komponera eventuella skador från en händelse.
I många fall, och detta är mycket branschspecifika (tror medicinsk eller flyg), en ESD-inducerad katastrofala misslyckande händelsen är en långt bättre utfall än en ESD händelse som passerar genom tillverkning och provning obemärkt förbi. Obemärkt ESD händelser kan skapa en mycket mindre defekt, eller kanske något att förvärra en redan befintlig och det upptäcks dolda fel, vilket i båda fallen kan bli värre med tiden, antingen på grund av ytterligare ett antal mindre ESD händelser eller bara för regelbunden användning.
De i slutändan resultera i en katastrof och för tidiga funktionsbrott i enheten i ett konstgjort förkortad tid som inte kan förutses av tillförlitlighet modeller (som är grunden för underhåll och byte av scheman). På grund av denna risk, och det är lätt att tänka på hemska situationer (en pacemaker är mikroprocessor eller flight control instrument, till exempel), kommer upp med ett sätt att testa för och modell latent ESD-inducerad fel är ett stort forskningsområde just nu.
För en konsument som inte arbetar i eller vet så mycket om elektronik tillverkning, det kanske inte verkar vara ett problem. Av den tid som de flesta elektronik är förpackade för försäljning, det finns många säkerhetsåtgärder på plats för att det skulle hindra de flesta ESD-skador. De komponenter som är känsliga för är fysiskt otillgängliga och mer bekvämt vägar till en plats som finns (jag. e. ett dator chassi är kopplat till jord, urladdning (ESD till det kommer nästan säkert inte skada PROCESSORN inuti målet, utan i stället ta den lägsta motstånd vägen till marken via nätadaptern och vägguttaget källa). Alternativt, ingen rimlig strömförande stigar är möjligt, många mobiltelefoner har en icke-ledande exteriörer och har bara en jord väg när den laddas.
For the record, jag måste gå igenom ESD-utbildning varje tre månader, så jag kunde bara hålla igång. Men jag tror att detta bör vara tillräckligt för att svara på din fråga. Jag tror att allt i detta svar vara korrekta, men jag skulle starkt rekommendera att läsa upp det direkt för att få bättre bekanta med fenomenet om jag inte förstörde din nyfikenhet för bra.
En sak som folk hitta counter-intuitive är att de väskor du ofta se electronics lagras och transporteras i (antistatiska påsar) är också ledande. Anti-statisk betyder att materialet kommer inte att samla in några meningsfulla avgift från att interagera med andra material. Men i ESD-världen, lika viktigt är det (i bästa mån det är möjligt) att allt har samma grund spänning referens.
Arbetsytor (ESD-mattor), ESD-påsar, och andra material är allt normalt hålls bundna till en gemensam grund, antingen genom att helt enkelt inte ha en isolerad material mellan dem, eller mer explicit av ledningar med låg resistans vägar till marken mellan allt arbete bänkar, anslutningar för arbetstagarnas handleden band, golvet, och en del utrustning. Det är frågor som har med säkerheten här. Om du arbetar kring sprängämnen och elektronik, din handled band kan knytas direkt till marken snarare än en 1M Ohm resistor. Om du arbetar runt mycket hög spänning, vill du inte att jorda dig själv.
Här är ett citat om kostnaderna för ESD från Cisco, som även kan vara lite konservativ, som ytterligare skador från området misslyckanden för Cisco vanligtvis inte leder till förlust av liv, som kan höja att 100x som avses med tiopotenser:
Har något att tillägga till förklaring? Ljudet i kommentarerna. Vill läsa fler svar från andra tech-savvy Stack Exchange-användare? Kolla in den fullständiga diskussionen tråd här.