Il danno elettrico statico è ancora un enorme problema con l'elettronica?
Tutti noi abbiamo ascoltato le avvertenze per assicurarci di essere adeguatamente radicati quando lavoriamo sui nostri dispositivi elettronici, ma i progressi tecnologici hanno ridotto il problema dei danni provocati dall'elettricità statica o è ancora prevalente come prima? Il post di Q & A di SuperUser di oggi ha una risposta esauriente alla domanda di un lettore curioso.
La sessione di domande e risposte di oggi ci viene fornita per gentile concessione di SuperUser, una suddivisione di Stack Exchange, un raggruppamento di siti Web di domande e risposte basato sulla comunità.
Foto per gentile concessione di Jared Tarbell (Flickr).
La domanda
Il lettore SuperUser Ricku vuole sapere se il danno da elettricità statica è ancora un grosso problema con l'elettronica ora:
Ho sentito dire che l'elettricità statica era un grosso problema un paio di decenni fa. È ancora un grosso problema adesso? Credo che sia raro che una persona "frigga" un componente del computer ora.
Il danneggiamento dell'elettricità statica rappresenta ancora oggi un grosso problema per l'elettronica?
La risposta
Il collaboratore di SuperUser, Argonauts, ha la risposta per noi:
Nel settore si parla di scariche elettrostatiche (ESD) ed è molto più problematico di quanto non sia mai stato; anche se è stato in qualche modo mitigato dall'adozione abbastanza recente di politiche e procedure che aiutano a ridurre la probabilità di danni da scariche elettrostatiche ai prodotti. Indipendentemente da ciò, il suo impatto sull'industria elettronica è maggiore di molti altri interi settori.
È anche un grande argomento di studio e molto complesso, quindi mi limiterò a toccare alcuni punti. Se sei interessato, ci sono numerose fonti gratuite, materiali e siti web dedicati all'argomento. Molte persone dedicano le loro carriere a quest'area. I prodotti danneggiati da ESD hanno un impatto molto reale e molto grande su tutte le aziende coinvolte nell'elettronica, che si tratti di produttori, designer o "consumatori", e come molte cose trattate in un settore, i suoi costi vengono trasferiti a noi.
Dall'associazione ESD:
Man mano che i dispositivi e le dimensioni delle loro funzionalità diventano sempre più piccoli, diventano più suscettibili di essere danneggiati dall'ESD, il che ha senso dopo un po 'di riflessione. La resistenza meccanica dei materiali utilizzati per la costruzione dell'elettronica generalmente diminuisce al diminuire delle loro dimensioni, così come la capacità del materiale di resistere a rapidi cambiamenti di temperatura, solitamente indicati come massa termica (proprio come negli oggetti in scala macro). Intorno al 2003, le dimensioni più piccole erano comprese nell'intervallo di 180 nm e ora ci stiamo avvicinando rapidamente a 10 nm.
Un evento ESD che 20 anni fa sarebbe stato innocuo potrebbe potenzialmente distruggere l'elettronica moderna. Sui transistor, il materiale di gate è spesso la vittima, ma altri elementi di trasporto di corrente possono essere anche vaporizzati o fusi. La saldatura sui pin di un IC (un equivalente di montaggio superficiale come un Ball Grid Array è molto più comune in questi giorni) su un PCB può essere fuso, e il silicio stesso ha alcune caratteristiche critiche (soprattutto il suo valore dielettrico) che possono essere modificate dal calore elevato . Complessivamente, può cambiare il circuito da un semiconduttore a un conduttore sempre, che di solito finisce con una scintilla e un cattivo odore quando il chip viene acceso.
Le dimensioni delle feature più piccole sono quasi del tutto positive dalla maggior parte delle prospettive metriche; cose come velocità di funzionamento / orologio che possono essere supportate, consumo di energia, generazione di calore strettamente accoppiato, ecc., ma anche la sensibilità al danno da ciò che altrimenti sarebbe considerato una quantità insignificante di energia aumenta considerevolmente man mano che la dimensione della caratteristica scende.
La protezione da scariche elettrostatiche è incorporata in molti dispositivi elettronici oggi, ma se si dispone di 500 miliardi di transistor in un circuito integrato, non è un problema trattabile determinare quale percorso si verificherà una scarica statica con il 100% di certezza.
Il corpo umano è a volte modellato (Modello Umano Corpo, HBM) come avente da 100 a 250 picofarad di capacità. In quel modello, la tensione può raggiungere il valore più alto (a seconda della sorgente) di 25 kV (sebbene alcuni richiedano solo fino a 3 kV). Usando i numeri più grandi, la persona avrebbe una "carica" di energia di circa 150 millijoule. Una persona completamente "carica" di solito non ne è consapevole e viene scaricata in una frazione di secondo attraverso il primo percorso a terra disponibile, spesso un dispositivo elettronico.
Si noti che questi numeri presumono che la persona non stia indossando indumenti in grado di trasportare un costo aggiuntivo, che è normalmente il caso. Esistono diversi modelli per il calcolo del rischio di ESD e dei livelli di energia, e si confonde molto rapidamente molto rapidamente poiché in alcuni casi sembrano contraddirsi l'un l'altro. Ecco un link a un'eccellente discussione su molti standard e modelli.
Indipendentemente dal metodo specifico usato per calcolarlo, non lo è, e certamente non suona come molta energia, ma è più che sufficiente per distruggere un transistor moderno. Per contesto, un joule di energia è equivalente (secondo Wikipedia) all'energia richiesta per sollevare un pomodoro di media grandezza (100 grammi) un metro in verticale dalla superficie della Terra.
Ciò ricade sul lato "peggiore scenario" di un evento ESD solo per l'uomo, in cui l'essere umano trasporta una carica e la scarica in un dispositivo suscettibile. Una tensione così elevata da una quantità relativamente bassa di carica si verifica quando la persona è messa a terra molto male. Un fattore chiave in cosa e quanto viene danneggiato non è in realtà la carica o la tensione, ma la corrente, che in questo contesto può essere pensata come la resistenza del percorso del dispositivo elettronico a un suolo è bassa.
Le persone che lavorano attorno all'elettronica sono solitamente munite di cinturini da polso e / o di cinghie di messa a terra sui loro piedi. Non sono "cortometraggi" per la messa a terra; la resistenza è dimensionata per impedire agli operai di fungere da parafulmine (facilmente soggetti a folgorazione). I cinturini da polso sono in genere nella gamma 1M Ohm, ma ciò consente comunque la scarica rapida di tutta l'energia accumulata. Gli elementi capacitivi e isolati insieme a qualsiasi altro materiale che genera o immagazzina la carica sono isolati dalle aree di lavoro, cose come il polistirene, il pluriball e i bicchieri di plastica.
Ci sono letteralmente innumerevoli altri materiali e situazioni che possono provocare danni da ESD (da entrambe le differenze di carica relative positive e negative) a un dispositivo in cui il corpo umano stesso non porta la carica "internamente", ma semplicemente facilita il suo movimento. Un esempio di livello di cartone animato indossava un maglione di lana e calze mentre camminava su un tappeto, quindi sollevava o toccava un oggetto di metallo. Ciò crea una quantità di energia significativamente superiore a quella che il corpo stesso potrebbe immagazzinare.
Un ultimo punto su quanto poca energia ci vuole per danneggiare l'elettronica moderna. Un transistor a 10 nm (non ancora comune, ma lo sarà nei prossimi anni) ha uno spessore di gate inferiore a 6 nm, che si avvicina a quello che chiamano monostrato (un singolo strato di atomi).
È un argomento molto complicato e la quantità di danno che un evento ESD può causare a un dispositivo è difficile da prevedere a causa dell'enorme numero di variabili, inclusa la velocità di scarica (quanta resistenza c'è tra la carica e un terreno) , il numero di percorsi verso un terreno attraverso il dispositivo, l'umidità e le temperature ambientali e molti altri. Tutte queste variabili possono essere collegate a varie equazioni in grado di modellizzare l'impatto, ma non sono eccessivamente accurate nel prevedere il danno effettivo, ma meglio inquadrare il danno possibile da un evento.
In molti casi, e questo è molto specifico del settore (si pensi al settore medico o aerospaziale), un evento catastrofico indotto da ESD è un risultato molto migliore rispetto a un evento ESD che passa inosservato alla produzione e al test. Eventi ESD non notati possono creare un difetto molto lieve, o forse peggiorare leggermente un difetto latente preesistente e non rilevato, che in entrambi gli scenari può peggiorare nel tempo a causa di eventi ESD minori aggiuntivi o solo di un uso regolare.
Alla fine si traducono in un guasto catastrofico e prematuro del dispositivo in un lasso di tempo artificiosamente abbreviato che non può essere previsto dai modelli di affidabilità (che sono la base per i programmi di manutenzione e sostituzione). A causa di questo pericolo, ed è facile pensare a situazioni terribili (ad esempio, un microprocessore di pacemaker o strumenti di controllo di volo, ad esempio), escogitare modi per testare e modellare i difetti indotti dall'ESD latente è un'area di ricerca importante in questo momento.
Per un consumatore che non lavora o sa molto della produzione elettronica, potrebbe non sembrare un problema. Nel momento in cui la maggior parte dell'elettronica viene confezionata per la vendita, esistono numerose misure di sicurezza che impedirebbero la maggior parte dei danni ESD. I componenti sensibili sono fisicamente inaccessibili e sono disponibili percorsi più comodi per un terreno (cioè un telaio del computer è collegato a un terreno, scaricando ESD in esso quasi certamente non danneggia la CPU all'interno del case, ma invece prendi il percorso di resistenza più basso per un terra tramite l'alimentatore e la presa di corrente a muro). In alternativa, non sono possibili percorsi di trasporto correnti ragionevoli; molti telefoni cellulari hanno esterni non conduttivi e hanno solo un percorso a terra quando vengono caricati.
Per la cronaca, devo passare attraverso la formazione ESD ogni tre mesi, quindi potrei semplicemente andare avanti. Ma penso che questo dovrebbe essere sufficiente per rispondere alla tua domanda. Credo che tutto in questa risposta sia accurato, ma consiglio vivamente di leggerlo direttamente per conoscere meglio il fenomeno se non ho distrutto la tua curiosità per il bene.
Una cosa che le persone trovano contro-intuitiva è che le borse che si vedono spesso nell'elettronica immagazzinate e spedite in (sacchetti antistatici) sono anche conduttive. Antistatico significa che il materiale non raccoglierà alcuna carica significativa dall'interazione con altri materiali. Ma nel mondo ESD, è altrettanto importante (nella misura più ampia possibile) che tutto abbia lo stesso riferimento di tensione di terra.
Le superfici di lavoro (tappetini ESD), i sacchetti ESD e altri materiali sono tipicamente tenuti legati a un terreno comune, semplicemente non avendo un materiale isolato tra di loro, o più esplicitamente collegando i percorsi a bassa resistenza a un terreno tra tutti i banchi di lavoro; i connettori per i polsini dei lavoratori, il pavimento e alcune attrezzature. Ci sono problemi di sicurezza qui. Se lavori su esplosivi ed elettronica ad alto potenziale, la tua fascia da polso potrebbe essere legata direttamente a un terreno piuttosto che a un resistore da 1M Ohm. Se lavori a tensioni molto elevate, non ti macini affatto.
Ecco una citazione sui costi di ESD da Cisco, che potrebbe anche essere un po 'prudente, in quanto il danno collaterale causato da guasti di campo per Cisco in genere non determina la perdita di punti vita, che può sollevare quel 100x riferito a ordini di grandezza :
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