Is statische elektriciteitsschade nog steeds een groot probleem met elektronica?

We hebben allemaal de waarschuwingen gehoord om er zeker van te zijn dat we goed geaard zijn bij het werken aan onze elektronische apparaten, maar zijn technologische vooruitgang het probleem van statische elektriciteitsschade verminderd of is het nog steeds zo wijdverspreid als voorheen? De SuperUser Q & A-post van vandaag biedt een uitgebreid antwoord op de vraag van een nieuwsgierige lezer.

De Question & Answer-sessie van vandaag komt tot ons dankzij SuperUser - een onderdeel van Stack Exchange, een gemeenschapsgedreven groep van Q & A-websites.

Foto met dank aan Jared Tarbell (Flickr).

De vraag

SuperUser-lezer Ricku wil weten of statische elektriciteitsschade nu nog steeds een groot probleem is met elektronica:

Ik heb gehoord dat statische elektriciteit een groot aantal decennia geleden een groot probleem was. Is het nu nog steeds een groot probleem? Ik geloof dat het zelden voorkomt dat iemand een computercomponent "frituurt".

Is statische elektriciteitsschade nu nog steeds een enorm probleem met elektronica??

Het antwoord

SuperUser-bijdrager Argonauts heeft het antwoord voor ons:

In de industrie wordt het aangeduid als Electro-Static Discharge (ESD) en is het nu veel meer een probleem dan het ooit is geweest; hoewel het enigszins is afgezwakt door de tamelijk recente wijdverbreide toepassing van beleid en procedures die de kans op ESD-schade aan producten verminderen. Hoe dan ook, de impact ervan op de elektronica-industrie is groter dan die van vele andere complete industrieën.

Het is ook een enorm onderwerp van studie en erg ingewikkeld, dus ik zal een paar dingen bespreken. Als u geïnteresseerd bent, zijn er tal van gratis bronnen, materialen en websites gewijd aan het onderwerp. Veel mensen zetten hun carrière in dit gebied. Producten die door ESD zijn beschadigd, hebben een zeer reële en zeer grote impact op alle bedrijven die betrokken zijn bij elektronica, of het nu gaat om een ​​fabrikant, ontwerper of "consument", en zoals veel dingen die in een bedrijfstak worden behandeld, worden de kosten doorberekend aan ons.

Van de ESD Association:

Naarmate apparaten en de grootte van hun functies steeds kleiner worden, worden ze gevoeliger voor beschadiging door ESD, wat logisch is na een beetje nadenken. De mechanische sterkte van de materialen die worden gebruikt om elektronica te bouwen, neemt over het algemeen af ​​naarmate de afmetingen ervan afnemen, evenals het vermogen van het materiaal om bestand te zijn tegen snelle temperatuurveranderingen, gewoonlijk thermische massa genoemd (net als bij macroschaalobjecten). Rond 2003 waren de kleinste kenmerkgrootten in het 180 nm bereik en nu naderen we snel 10 nm.

Een ESD-evenement dat 20 jaar geleden onschadelijk zou zijn geweest, zou mogelijk de moderne elektronica kunnen vernietigen. Op transistors is het poortmateriaal vaak het slachtoffer, maar andere stroomdragende elementen kunnen ook worden verdampt of gesmolten. Soldeer op de pinnetjes van een IC (een oppervlaktemonteer-equivalent zoals een Ball Grid Array is tegenwoordig veel gebruikelijker) op een PCB kan worden gesmolten, en het silicium zelf heeft een aantal kritische kenmerken (vooral de diëlektrische waarde) die kan worden gewijzigd door hoge hitte . Alles bij elkaar genomen, kan het circuit worden vervangen door een halfgeleider in een altijd-geleider, die meestal eindigt met een vonk en een stank als de chip wordt ingeschakeld.

Kleinere functieformaten zijn bijna volledig positief vanuit de meeste perspectieven van de statistieken; dingen zoals bediening / kloksnelheden die kunnen worden ondersteund, stroomverbruik, nauw gekoppelde warmteontwikkeling, enz., maar de gevoeligheid voor schade door wat anders als triviale hoeveelheden energie zou worden beschouwd, neemt ook enorm toe naarmate de kenmerkgrootte afneemt.

ESD-beveiliging is tegenwoordig ingebouwd in veel elektronica, maar als u 500 miljard transistors in een geïntegreerd circuit hebt, is het geen traceerbaar probleem om te bepalen welk pad een statische ontlading met 100 procent zekerheid zal nemen.

Het menselijk lichaam is soms gemodelleerd (Human Body Model; HBM) met 100 tot 250 picofarad van capaciteit. In dat model kan de spanning zo hoog worden (afhankelijk van de bron) als 25 kV (hoewel sommigen slechts een waarde van 3 kV claimen). Met behulp van de grotere getallen, zou de persoon een energie "lading" van ongeveer 150 millijoules hebben. Een volledig "geladen" persoon zou zich er normaal gesproken niet van bewust zijn en het wordt ontladen in een fractie van een seconde via het eerste beschikbare grondpad, vaak een elektronisch apparaat.

Merk op dat deze cijfers aannemen dat de persoon geen kleding draagt ​​die extra kosten met zich mee kan brengen, wat normaal het geval is. Er zijn verschillende modellen voor het berekenen van ESD-risico's en energieniveaus, en het wordt nogal snel erg verwarrend omdat ze in sommige gevallen elkaar lijken tegen te spreken. Hier is een link naar een uitstekende discussie over veel van de normen en modellen.

Ongeacht de specifieke methode die wordt gebruikt om het te berekenen, is het niet, en zeker klinkt het niet als veel energie, maar het is meer dan voldoende om een ​​moderne transistor te vernietigen. Voor de context is één joule energie equivalent (volgens Wikipedia) aan de energie die nodig is om een ​​middelgrote tomaat (100 gram) één meter verticaal van het aardoppervlak op te tillen.

Dit valt op de "slechtste scenario" kant van een mens-alleen ESD-evenement, waarbij de mens een lading draagt ​​en ontlaadt in een vatbaar apparaat. Een spanning die hoog is van een relatief lage hoeveelheid lading treedt op wanneer de persoon erg slecht geaard is. Een belangrijke factor in wat en hoeveel beschadigd raakt, is niet de lading of de spanning, maar de stroom, wat in deze context kan worden beschouwd als hoe laag de weerstand van het pad van het elektronische apparaat naar een ondergrond is.

Mensen die werken rond elektronica zijn meestal geaard met polsriemen en / of aardingsbanden aan hun voeten. Ze zijn geen "shorts" voor aarding; de weerstand is gedimensioneerd om te voorkomen dat de werknemers als bliksemafleider dienen (gemakkelijk geëlektrocuteerd raken). Polsbanden bevinden zich meestal in het bereik van 1M Ohm, maar dat maakt nog steeds snelle ontlading van geaccumuleerde energie mogelijk. Capacitieve en geïsoleerde items samen met andere ladinggenererende of opslagmaterialen worden geïsoleerd van werkgebieden, dingen zoals polystyreen, noppenfolie en plastic bekers.

Er zijn letterlijk talloze andere materialen en situaties die kunnen resulteren in ESD-schade (van zowel positieve als negatieve relatieve ladingsverschillen) naar een apparaat waarbij het menselijk lichaam zelf de lading niet 'intern' draagt, maar de beweging ervan vergemakkelijkt. Een voorbeeld op cartoonsniveau is het dragen van een wollen trui en sokken terwijl je over een tapijt loopt en vervolgens een metalen voorwerp oppakt of aanraakt. Dat zorgt voor een aanzienlijk hogere hoeveelheid energie dan het lichaam zelf zou kunnen opslaan.

Een laatste punt over hoe weinig energie het kost om moderne elektronica te beschadigen. Een transistor van 10 nm (nog niet vaak, maar het zal de komende paar jaar zijn) heeft een poortdikte van minder dan 6 nm, die dicht komt bij wat zij een monolaag noemen (een enkele laag atomen).

Het is een zeer ingewikkeld onderwerp en de hoeveelheid schade die een ESD-gebeurtenis kan veroorzaken aan een apparaat is moeilijk te voorspellen vanwege het enorme aantal variabelen, inclusief de snelheid van ontladen (hoeveel weerstand is er tussen de lading en een aarde) , het aantal paden naar een grond door het apparaat, vochtigheid en omgevingstemperaturen en nog veel meer. Al deze variabelen kunnen worden ingeplugd in verschillende vergelijkingen die de impact kunnen modelleren, maar ze zijn niet erg nauwkeurig in het voorspellen van daadwerkelijke schade, maar beter in het inlijsten van de mogelijke schade van een gebeurtenis.

In veel gevallen, en dit is zeer industriespecifiek (denk aan medische of ruimtevaart), is een door ESD geïnduceerde catastrofale storing een veel beter resultaat dan een ESD-gebeurtenis die onopgemerkt door productie en testen gaat. Ongeziene ESD-gebeurtenissen kunnen een zeer klein defect veroorzaken, of misschien een reeds bestaand en onopgemerkt latent defect enigszins verergeren, wat in beide scenario's met de tijd kan verergeren als gevolg van extra kleine ESD-gebeurtenissen of gewoon regelmatig gebruik.

Ze resulteren uiteindelijk in een catastrofale en vroegtijdige storing van het apparaat in een kunstmatig verkort tijdsbestek dat niet kan worden voorspeld door betrouwbaarheidsmodellen (die de basis vormen voor onderhouds- en vervangingsschema's). Vanwege dit gevaar, en het is gemakkelijk om vreselijke situaties te bedenken (bijvoorbeeld een pacemaker's microprocessor of instrumenten voor vluchtcontrole), is het bedenken van manieren om latente ESD-geïnduceerde defecten te testen en te modelleren momenteel een belangrijk onderzoeksgebied..

Voor een consument die niet werkt of veel kennis heeft van de fabricage van elektronica, lijkt dit misschien geen probleem. Tegen de tijd dat de meeste elektronica te koop wordt aangeboden, zijn er tal van voorzorgsmaatregelen die de meeste ESD-schade voorkomen. De gevoelige componenten zijn fysiek ontoegankelijk en er zijn meer geschikte paden naar een grond beschikbaar (dwz een computerchassis is verbonden met een grond, ESD ontladen zal vrijwel zeker de CPU in de behuizing niet beschadigen, maar in plaats daarvan het laagste weerstandspad naar een aarde via de voeding en de stopcontact van de wandcontactdoos). Als alternatief zijn geen redelijke stroomvoerende paden mogelijk; veel mobiele telefoons hebben een niet-geleidende buitenkant en hebben alleen een grondpad wanneer ze worden opgeladen.

Voor de goede orde, ik moet elke drie maanden door de ESD-training gaan, dus ik kon gewoon doorgaan. Maar ik denk dat dit voldoende zou moeten zijn om je vraag te beantwoorden. Ik geloof dat alles in dit antwoord accuraat is, maar ik zou sterk aanraden om er rechtstreeks op te lezen om beter kennis te maken met het fenomeen als ik je nieuwsgierigheid niet voorgoed heb vernietigd.

Een ding dat mensen contra-intuïtief vinden, is dat de tassen waar je regelmatig elektronica in ziet en in worden verzonden (antistatische zakken) ook geleidend zijn. Antistatisch betekent dat het materiaal geen zinvolle lading zal krijgen door interactie met andere materialen. Maar in de ESD-wereld is het net zo belangrijk (in de grootst mogelijke mate) dat alles dezelfde referentiespanning heeft.

Werkoppervlakken (ESD-matten), ESD-zakken en andere materialen worden allemaal typisch gebonden gehouden aan een gemeenschappelijke grond, hetzij door eenvoudigweg geen geïsoleerd materiaal daartussen te hebben, of explicieter door bedrading met lage weerstand naar een ondergrond tussen alle werkbanken; de aansluitingen voor de polsbanden van de arbeiders, de vloer en sommige apparatuur. Er zijn hier veiligheidsproblemen. Als je rond explosieven en elektronica werkt, is je polsband misschien direct gebonden aan een grond in plaats van een weerstand van 1 M Ohm. Als je rond een zeer hoog voltage werkt, zou je jezelf helemaal niet baseren.

Hier is een citaat over de kosten van ESD van Cisco, dat misschien zelfs een beetje conservatief is, omdat de collateral damage from field failures voor Cisco doorgaans niet leidt tot het verlies van mensenlevens, die die 100x kan grootbrengen waarnaar wordt verwezen met ordes van grootte :

Heb je iets toe te voegen aan de uitleg? Geluid uit in de reacties. Wilt u meer antwoorden van andere technisch onderlegde Stack Exchange-gebruikers lezen? Bekijk hier de volledige discussiethread.