Słyszałem, że elektryczność statyczna była poważnym problemem kilka dekad temu. Jednak wielu konstruktorów komputerów wydaje się teraz nie przejmować takimi rzeczami, jak paski wyładowań elektrostatycznych (ESD) lub inne środki podczas pracy w systemie.
Czy komputery są teraz mniej podatne na ESD?
Odpowiedzi:
W przemyśle jest to określane jako wyładowanie elektrostatyczne (ESD) i jest obecnie o wiele większym problemem niż kiedykolwiek wcześniej, chociaż zostało nieco złagodzone przez dość niedawne powszechne przyjęcie zasad i procedur, które pomagają obniżyć prawdopodobieństwo uszkodzenia produktu przez wyładowania elektrostatyczne.
Niezależnie od tego, jego wpływ na przemysł elektroniczny jest większy niż wiele całych branż. To także ogromny temat nauki i bardzo złożony, więc omówię tylko kilka kwestii. Jeśli jesteś zainteresowany, istnieje wiele bezpłatnych źródeł, materiałów i stron internetowych poświęconych temu tematowi. Wiele osób poświęca swoją karierę w tym obszarze. Produkty uszkodzone przez ESD mają bardzo realny i bardzo duży wpływ na wszystkie firmy zajmujące się elektroniką - niezależnie od tego, czy jest to producent, projektant czy konsument, i podobnie jak wiele innych spraw związanych z przemysłem, jego koszty są przekazywane nam.
Według stowarzyszenia ESD:
Ponieważ urządzenia i ich rozmiary funkcji (luźno oznacza najmniejszy rozmiar komponentu wytwarzany przez daną technologię) stale się zmniejszają, stają się bardziej podatne na uszkodzenie przez ESD - co ma sens po chwili namysłu. Wytrzymałość mechaniczna materiałów używanych do budowy elektroniki ogólnie maleje wraz ze spadkiem ich wielkości, podobnie jak odporność materiałów na gwałtowne zmiany temperatury, określane zwykle jako masa termiczna - tak jak w obiektach w skali „makro”. Około 2003 r. Najmniejsze rozmiary obiektów były w zakresie 180 nm - teraz zbliżamy się szybko do 10 nm.
Wydarzenie ESD, które 20 lat temu byłoby nieszkodliwe, mogłoby potencjalnie zniszczyć nowoczesną elektronikę. W tranzystorach materiał bramki jest bardzo często ofiarą, ale inne elementy przewodzące prąd można odparować lub stopić, lutować na stykach układu scalonego (technicznie odpowiednik montażu powierzchniowego, taki jak układ siatki kulowej (BGA) jest obecnie znacznie bardziej powszechny) na PCB można stopić, a sam krzem ma pewne krytyczne cechy (zwłaszcza jego wartość dielektryczną), które można zmienić za pomocą wysokiej temperatury; wzięte razem może zmienić obwód z półprzewodnika na zawsze przewodzący, co zwykle kończy się iskrą i nieprzyjemnym zapachem po włączeniu układu.
Mniejsze rozmiary elementów są prawie całkowicie pozytywne z większości perspektyw metrycznych - takich jak obsługiwane prędkości / czasy zegara, zużycie energii, (i ściśle powiązane) wytwarzanie ciepła itp., Ale wrażliwość na uszkodzenia z tego, co w innym przypadku byłoby uważane za trywialne energia również idzie w górę, gdy zmniejsza się rozmiar funkcji.
Ochrona ESD jest obecnie wbudowana w wiele układów elektronicznych, ale jeśli masz 500 miliardów tranzystorów w układzie scalonym, ustalenie, którą ścieżką wyładowania statyczne pójdzie ze 100% pewnością, nie jest rozwiązaniem.
Ciało ludzkie jest czasami modelowane ( model ciała ludzkiego ; HBM) jako posiadające od 100 do 250 pikofaradów pojemności; w tym modelu napięcie może być tak wysokie (w zależności od źródła), jak 25 kV (niektórzy twierdzą, że tylko 3 kV). Używając większych liczb, człowiek miałby „ładunek” energetyczny wynoszący około 150 milijuli. Osoba w pełni „naładowana” zazwyczaj nie byłaby tego świadoma i zostaje rozładowana w ułamku sekundy przez pierwszą dostępną ścieżkę uziemienia - często urządzenie elektroniczne. Należy pamiętać, że liczby te zakładają, że dana osoba nie nosi ubrania zdolnego do przenoszenia dodatkowej opłaty, co zwykle ma miejsce.
Istnieją różne modele obliczania ryzyka wyładowania elektrostatycznego i poziomów energii, i robi się to dość mylące bardzo szybko, ponieważ w niektórych przypadkach wydają się one ze sobą sprzeczne. Nie mogę znaleźć żadnego źródła, które byłoby bardziej jednoznaczne niż inne, więc po prostu odniosę się do tej doskonałej dyskusji na temat wielu standardów i modeli.
Niezależnie od konkretnej metody zastosowanej do jego obliczenia, nie jest to i na pewno nie brzmi jak dużo energii - ale wystarczy zniszczyć nowoczesny tranzystor. W kontekście 1 dżula energii jest równoważna - według Wikipedii - energii potrzebnej do podniesienia średniej wielkości pomidora (100 g) 1 metr w pionie od powierzchni Ziemi.
Jest to „najgorsza” strona zdarzenia ESD tylko dla człowieka, w którym człowiek przenosi ładunek i wyładowuje go do podatnego urządzenia. Napięcie, które jest wysokie z relatywnie niskiej ilości ładunku, występuje, gdy osoba jest wyjątkowo słabo uziemiona. Kluczowym czynnikiem tego, co i ile ulega uszkodzeniu, nie jest tak naprawdę ładunek lub napięcie, ale prąd - który w tym kontekście można pomyśleć o niskiej rezystancji ścieżki urządzenia elektronicznego do ziemi.
Osoby pracujące w pobliżu elektroniki są zwykle zawsze uziemione, z paskami na nadgarstki i / lub paskami uziemiającymi na nogach. Nie są to „zwarcia” z ziemią - rezystancja ma taki rozmiar, aby pracownicy nie byli piorunochronami (łatwo ulegają porażeniu prądem) - opaski na nadgarstki są zwykle w zakresie 1 mhm, ale wciąż pozwala to na szybkie rozładowanie zgromadzonej energii. Pojemnościowe i izolacyjne przedmioty wraz z innymi materiałami wytwarzającymi lub przechowującymi ładunki są odizolowane od obszarów roboczych - takich jak polistyren, folia bąbelkowa i plastikowe kubki.
Istnieją dosłownie niezliczone inne materiały i sytuacje, które mogą spowodować uszkodzenie wyładowań elektrostatycznych (zarówno dodatnie, jak i ujemne różnice ładunków względnych) na urządzeniu, w którym samo ciało ludzkie nie przenosi ładunku „wewnętrznie”, po prostu ułatwia jego ruch - kreskówka Przykładem może być ubrany w wełniany sweter i skarpety podczas chodzenia po dywanie, a następnie dotykania metalowego przedmiotu - który wytwarza znacznie więcej energii, niż samo ciało może przechowywać.
Ostatni punkt na temat tego, jak mało energii potrzeba, aby uszkodzić nowoczesną elektronikę: rozmiar funkcji tranzystora 10 nm (jeszcze nie powszechny, ale będzie w ciągu kilku następnych lat) ma grubość bramki mniejszą niż 6 nm - co zbliża się do tego nazywają „monowarstwą” - pojedynczą warstwą atomów.
Jest to bardzo skomplikowany obszar, a ilość uszkodzeń, jakie może wyrządzić urządzenie ESD, jest trudna do przewidzenia ze względu na ogromną liczbę zmiennych, w tym szybkość rozładowania (jak duży opór między ładunkiem a ziemią), liczbę ścieżek do ziemi przez urządzenie, wilgotności i temperatury otoczenia i wielu innych. Wszystkie te zmienne można łączyć w różne równania, które modelują uderzenia, ale nie są one jeszcze bardzo dokładne w przewidywaniu rzeczywistych obrażeń, ale lepiej w kadrowaniu „możliwych” obrażeń w wyniku zdarzenia.
W wielu przypadkach - i jest to bardzo specyficzne dla branży (myśl medyczna lub lotnicza), katastroficzne zdarzenie wywołujące ESD jest znacznie lepszym wynikiem niż zdarzenie ESD, które przechodzi niezauważone przez produkcję i testy, ale zamiast tego powoduje bardzo niewielką wadę lub być może nieznacznie pogarsza istniejącą wcześniej niewykrytą ukrytą wadę, która w obu scenariuszach może z czasem ulec pogorszeniu z powodu dodatkowych „drobnych” zdarzeń ESD lub po prostu regularnego użytkowania, ostatecznie powodując katastrofalną i przedwczesną awarię urządzenia (inaczej śmiertelność niemowląt) w sztucznie skróconym przedziale czasowym nieprzewidzianym przez modele niezawodnościowe (które są podstawą harmonogramów konserwacji / wymiany). Z powodu tego niebezpieczeństwa łatwo jest myśleć o okropnych sytuacjach - mikroprocesor stymulatora,
Teraz od konsumenta, który nie pracuje lub nie wie dużo o produkcji elektroniki, może to nie wydawać się problemem - do czasu, gdy większość elektroniki zostanie zapakowana do sprzedaży, istnieje wiele zabezpieczeń, które zapobiegłyby większości uszkodzeń spowodowanych wyładowaniami elektrostatycznymi - wrażliwe komponenty są fizycznie niedostępne i dostępne są bardziej „wygodne” ścieżki do ziemi (np. obudowa komputera jest przywiązana do ziemi - rozładowanie ESD prawie na pewno nie uszkodzi procesora wewnątrz obudowy, ale zamiast tego przejdzie ścieżkę niskiej rezystancji do ziemi poprzez zasilacz i zasilanie ścienne) lub alternatywnie nie są możliwe żadne rozsądne ścieżki przenoszenia prądu - wiele telefonów komórkowych ma nieprzewodzące elementy zewnętrzne i ma ścieżkę uziemienia tylko podczas ładowania.
Dla przypomnienia, muszę brać udział w szkoleniach ESD co trzy miesiące, więc mogę po prostu iść dalej. Myślę jednak, że powinno to wystarczyć, aby odpowiedzieć na twoje pytanie. Uważam, że wszystko w tym jest dokładne, ale zdecydowanie zalecałbym przeczytanie go bezpośrednio, aby lepiej poznać te zjawiska, jeśli nie zniszczyłem twojej ciekawości na dobre.
Jedną z rzeczy, które ludzie uważają za sprzeczne z intuicją, jest to, że torby, w których często spotyka się elektronikę przechowywaną i wysyłaną - torby antystatyczne - również przewodzą. Antystatyczna oznacza, że materiał nie będzie zbierał żadnego znaczącego ładunku od interakcji z innymi materiałami, ale w świecie ESD równie ważne jest, aby w możliwym zakresie wszystko miało to samo napięcie odniesienia do masy, a więc powierzchnie robocze (maty ESD ), torby ESD i inne materiały są zwykle trzymane przywiązane do wspólnego uziemienia (albo po prostu nie mając między nimi materiału izolacyjnego), albo bardziej szczegółowo poprzez okablowanie ścieżek o niskiej rezystancji do uziemienia między wszystkimi stanowiskami roboczymi, złączami nadgarstka roboczego zespoły, podłoga i niektóre urządzenia. Występują tutaj problemy z bezpieczeństwem - jeśli pracujesz w pobliżu materiałów wybuchowych i elektroniki, opaska na rękę może być przywiązana bezpośrednio do ziemi, a nie za pomocą rezystora 1 Mohm. Jeśli pracujesz w pobliżu bardzo wysokiego napięcia, w ogóle się nie uziemisz.
Kolejny cytat na temat kosztów ESD od Cisco - który może być nawet nieco konserwatywny, ponieważ szkody uboczne spowodowane awariami polowymi dla Cisco zazwyczaj nie powodują utraty życia, co może podnieść tę wartość 100x, o którą mówią rzędy wielkości:
źródło
Nie zamierzam próbować przerwać dyskusji @ Argonauts o ESD :)
Chcę dodać coś do tej odpowiedzi. @Argonauts wskazuje, że istnieją zabezpieczenia dla wielu / większości produktów elektroniki użytkowej. Uważam, że odpowiedź na Pańskie pytanie brzmi, że zabezpieczenia te (w większości przypadków) uległy znacznej poprawie.
Jako przykład, mój Commodore 64 z początku lat 80. miał dwa złącza joysticka sąsiadujące z przełącznikiem zasilania, oba umieszczone z boku obudowy. Były to 9-stykowe „męskie” złącza 1 , więc jeśli nie pochylisz się w prawo, aby obejrzeć to, co robisz, istnieje stosunkowo duża szansa, że wyczyścisz odsłonięte styki złącza, wyczuwając przełącznik ... a jeśli dotknąłeś odpowiedniej kombinacji szpilek (a twoje ciało / ubranie utrzymywało ładunek), spowodowałbyś wyładowanie elektrostatyczne do wnętrza maszyny.
Oprócz tego niektóre programy wymagały użycia określonego portu joysticka ... co oznaczało, że w pewnym momencie prawdopodobnie będziesz miał problemy z wyciągnięciem joysticka z portu 1 i włożeniem go do portu 2 (lub odwrotnie) . Znów była całkiem spora szansa, że dotkniesz jednego z dwóch portów i prawdopodobnie wyzwolisz ESD.
Dzisiaj twój joystick prawdopodobnie używa złącza USB („A”). Ale co ważniejsze, styki złącza USB są wpuszczone w obudowę i niemożliwe do dotknięcia, a nawet prawie (przynajmniej palcem).
Podobnie mój Commodore (i inne komputery z podobnego rocznika IIRC) miał interfejsy kartridża z odkrytymi pinami i równo z zewnętrzną obudową. Była to okazja nie tylko dla ESD, ale dla gromadzenia się pyłu, który mógłby zakłócać połączenie wkładu.
Ale zanim (Nintendo) NES pojawiło się na scenie, gniazdo kasety miało sprężynowe „drzwi” pokrywy.
ESD jest nadal (potencjalnym) problemem, jeśli masz problemy z komputerem (lub konsolą). Ale kilkadziesiąt lat temu stosunkowo łatwo było uszkodzić system przez ESD bez jego otwierania. Niebezpieczeństwo to jest znacznie mniej istotne, ponieważ elektronika została zaprojektowana z myślą o możliwości wyładowania elektrostatycznego.
źródło