Är statisk elektricitetskada fortfarande ett enormt problem med elektronik?

Alla vi har hört varningarna för att se till att vi är ordentligt jordade när vi arbetar på våra elektroniska enheter, men har tekniska framsteg minskat problemet med statisk elektriskt skada eller är det fortfarande så vanligt som tidigare? Dagens SuperUser Q & A-tjänst har ett omfattande svar på en nyfiken läsarens fråga.

Dagens Question & Answer-session kommer till oss med tillstånd av SuperUser-en indelning av Stack Exchange, en community-driven gruppering av Q & A-webbplatser.

Foto med tillstånd av Jared Tarbell (Flickr).

Frågan

SuperUser-läsare Ricku vill veta om statisk elektriskt skador fortfarande är ett stort problem med elektroniken nu:

Jag har hört att statisk elektricitet var ett stort problem för några decennier sedan. Är det fortfarande ett stort problem nu? Jag tror att det är sällsynt för en person att "steka" en dator komponent nu.

Skador på statisk elektricitet är fortfarande ett stort problem med elektroniken nu?

Svaret

SuperUser-bidragare Argonauts har svaret för oss:

I branschen kallas det elektrostatisk utsläpp (ESD) och är det mycket mer av ett problem nu än någonsin även om det har mildrats något genom den ganska nyligen utbredda antagandet av policyer och förfaranden som bidrar till att minska sannolikheten för ESD-skada på produkter. Oavsett dess påverkan på elektronikindustrin är större än många andra hela industrier.

Det är också ett stort studieämne och väldigt komplext, så jag kommer bara att röra några punkter. Om du är intresserad finns det många fria källor, material och webbplatser som är dedikerade till ämnet. Många människor ägnar sig åt sina karriärer till detta område. Produkter som skadas av ESD har en mycket verklig och mycket stor inverkan på alla företag som är involverade i elektronik, vare sig det är tillverkare, designer eller "konsument", och som många saker som behandlas i en bransch, överförs kostnaderna till oss.

Från ESD Association:

Eftersom enheter och storleken på deras funktioner kontinuerligt blir mindre blir de mer mottagliga för att skadas av ESD, vilket är meningslöst efter lite tanke. Den mekaniska hållfastheten hos de material som används för att bygga elektronik går allmänt ned, eftersom deras storlek minskar, liksom materialets förmåga att motstå snabba temperaturförändringar, vanligen kallad termisk massa (precis som i makroskalaobjekt). Cirka 2003 var de minsta funktionsstorlekarna i 180 nm-området och nu närmar vi sig snabbt 10 nm.

En ESD-händelse som 20 år sedan skulle ha varit ofarlig kan potentiellt förstöra modern elektronik. På transistorer är portmaterialet ofta offer, men andra strömbärande element kan också förångas eller smälta. Lödd på en IC-stift (en ytmonteringslikvivalent som en kullristarray är mycket vanligare idag) på en PCB kan smälta och kiseln i sig har vissa kritiska egenskaper (speciellt dess dielektriska värde) som kan ändras med hög värme . Taget helt och hållet kan det ändra kretsen från en halvledare till en alltid ledare, som vanligtvis slutar med en gnista och en dålig lukt när chipet slås på.

Mindre funktionstorlekar är nästan helt positiva från de flesta mätperspektiv; saker som drift / klockhastighet som kan stödjas, strömförbrukning, tätkopplad värmeproduktion etc. men känsligheten för skador från vad som annars skulle anses vara triviala energimängder ökar också kraftigt då funktionstorleken går ner.

ESD-skydd är inbyggt i många elektronik idag, men om du har 500 miljarder transistorer i en integrerad krets är det inte ett tåligt problem att bestämma vilken väg statisk urladdning tar med 100 procent säkerhet.

Människokroppen är ibland modellerad (Människokroppsmodell, HBM) som har 100 till 250 picofarader av kapacitans. I den modellen kan spänningen bli så hög (beroende på källa) som 25 kV (även om vissa endast kräver så höga som 3 kV). Med hjälp av de större siffrorna skulle personen ha en energi "laddning" på ca 150 millijoules. En helt "laddad" person skulle inte typiskt vara medveten om det och det släpps ut i en bråkdel av en sekund genom den första tillgängliga markbanan, ofta en elektronisk apparat.

Observera att dessa siffror förutsätter att personen inte bär kläder som kan bära en extra kostnad, vilket normalt är fallet. Det finns olika modeller för beräkning av ESD-risk- och energinivåer, och det blir ganska förvirrande mycket snabbt eftersom de verkar motsäga varandra i vissa fall. Här är en länk till en utmärkt diskussion om många av standarderna och modellerna.

Oavsett vilken metod som används för att beräkna den, är den inte, och låter verkligen inte så mycket energi, men det är mer än tillräckligt för att förstöra en modern transistor. För sammanhang är en energikälla likvärdig (enligt Wikipedia) på den energi som krävs för att lyfta en medelstor tomat (100 gram) en meter vertikalt från jordens yta.

Detta faller på den "värsta scenariot" sidan av en mänsklig enda ESD-händelse där människan bär en laddning och släpper ut den i en mottaglig enhet. En spänning som är hög från en relativt liten laddning uppstår när personen är mycket dålig jordad. En nyckelfaktor i vad och hur mycket som skadas är faktiskt inte laddningen eller spänningen, men strömmen, som i detta sammanhang kan anses som hur låg motståndet hos den elektroniska enhetens väg till en mark är.

Personer som arbetar kring elektronik är vanligtvis jordade med handledsremmar och / eller jordband på sina fötter. De är inte "shorts" för jordning Motståndet är dimensionerat för att förhindra att arbetarna tjänar som blixtstänger (lätt att bli elektrokuterade). Handledsband är vanligtvis i 1M Ohm-området, men det tillåter fortfarande snabb utladdning av eventuell ackumulerad energi. Kapacitiva och isolerade föremål tillsammans med andra laddningsgenererande eller lagrande material isoleras från arbetsområden, saker som polystyren, bubbelplast och plastkoppar.

Det finns bokstavligen otaliga andra material och situationer som kan leda till ESD-skada (från både positiva och negativa relativa laddningsskillnader) till en enhet där människokroppen inte bär laddningen internt utan bara underlättar rörelsen. Ett tecknarnivåexempel skulle ha på sig en ulltröja och strumpor medan man gick över en matta och sedan plockade upp eller rörde ett metallobjekt. Det skapar en betydligt högre mängd energi än kroppen själv kunde lagra.

En sista punkt på hur lite energi det tar att skada modern elektronik. En 10 nm transistor (inte vanlig men det kommer att bli de närmaste åren) har en grind tjocklek mindre än 6 nm, som närmar sig vad de kallar ett monoskikt (ett enda lager av atomer).

Det är ett mycket komplicerat ämne, och mängden skada som en ESD-händelse kan orsaka till en enhet är svår att förutsäga på grund av det stora antalet variabler, inklusive utlösningshastigheten (hur mycket motstånd det finns mellan laddning och jord) , antalet vägar till en mark genom enheten, fuktighet och omgivande temperaturer, och många fler. Alla dessa variabler kan anslutas till olika ekvationer som kan modellera effekten, men de är inte fruktansvärda noga för att förutsäga verklig skada än, men bättre för att inrama eventuella skador från en händelse.

I många fall, och detta är väldigt industrispecifikt (tänk medicinsk eller luftfart) är en ESD-inducerad katastrofal misslyckande ett mycket bättre resultat än en ESD-händelse som passerar genom tillverkning och testning obemärkt. Osynliga ESD-händelser kan skapa en mycket liten defekt, eller kanske försämra en existerande och oupptäckt latent defekt, som i båda scenarierna kan förvärras över tid på grund av antingen ytterligare mindre ESD-händelser eller bara regelbunden användning.

De resulterar i slutändan i ett katastrofalt och för tidigt misslyckande av enheten i en konstant förkortad tidsram som inte kan förutsäges av pålitlighetsmodeller (som ligger till grund för underhålls- och ersättningsplaner). På grund av denna fara, och det är lätt att tänka på hemska situationer (exempelvis en pacemaker mikroprocessor eller flygeledningsinstrument), som kommer upp på sätt att testa och modellera latenta ESD-inducerade defekter är ett stort forskningsområde just nu.

För en konsument som inte arbetar eller vet mycket om elektronikproduktion kan det inte tyckas vara ett problem. När de flesta elektronik är förpackade till salu finns det många skyddsåtgärder som skulle förhindra de flesta ESD-skador. De känsliga komponenterna är fysiskt otillgängliga och mer praktiska banor på marken finns tillgängliga (dvs ett datorchassi är knutet till en jord, vilket släpper ut ESD i det kommer nästan säkert inte att skada CPU inuti fallet utan istället ta den lägsta motståndsbanan till en markerad via strömkällan och vägguttaget). Alternativt är inga rimliga nuvarande bärbanor möjliga; många mobiltelefoner har icke-ledande exteriörer och har bara en markbana när de laddas.

För rekordet måste jag gå igenom ESD-träning var tredje månad, så jag kunde bara fortsätta. Men jag tycker att det borde vara tillräckligt för att svara på din fråga. Jag tror att allt i detta svar är korrekt, men jag rekommenderar starkt att läsa upp det direkt för att lära känna fenomenet bättre om jag inte har förstört din nyfikenhet för gott.

En sak som människor tycker är kontraintuitiva är att påsarna du ofta ser elektronik som lagras och sänds i (antistatiska påsar) är också ledande. Antistatisk betyder att materialet inte kommer att samla någon meningsfull laddning från att interagera med andra material. Men i ESD-världen är det lika viktigt (i största möjliga utsträckning) att allt har samma markspänningsreferens.

Arbetsytor (ESD-mattor), ESD-påsar och andra material hålls vanligtvis bundet till en gemensam mark, antingen genom att helt enkelt inte ha isolerat material mellan dem, eller mer explicit genom att leda låga motståndsbanor till en mark mellan alla arbetsbänkar; kontakterna för arbetarnas handledsband, golvet och viss utrustning. Det finns säkerhetsfrågor här. Om du arbetar runt höga sprängämnen och elektronik, kan ditt handledsband binds direkt till en mark i stället för ett 1M Ohm motstånd. Om du arbetar runt mycket högspänning, skulle du inte slipa dig själv alls.

Här är ett citat om kostnaderna för ESD från Cisco, vilket kanske kan vara lite konservativt, eftersom säkerhetsskadorna från felsvikt för Cisco normalt inte resulterar i förlust av liv, vilket kan öka den 100x som avses med storleksordningar :

Har du något att lägga till förklaringen? Ljud av i kommentarerna. Vill du läsa mer svar från andra tech-savvy Stack Exchange-användare? Kolla in hela diskussionsgängan här.