Statik Elektrik Hasarları, Elektronikte Hala Büyük Bir Sorun mu?

Elektronik cihazlarımız üzerinde çalışırken doğru şekilde topraklandığımızdan emin olmak için uyarıları hepimiz duyduk, ancak teknolojideki ilerlemeler statik elektrik hasarı sorununu azalttı mı, yoksa daha önce olduğu kadar yaygın mı? Bugünün Süper Kullanıcı Soru-Cevap yazısının meraklı bir okuyucunun sorusuna kapsamlı bir cevabı var.

Bugünün Soru ve Cevap oturumu bize topluluk tarafından yönlendirilen bir soru-cevap web sitesi grubu olan Stack Exchange'in bir alt birimi olan SuperUser'ın izniyle geliyor..

Jared Tarbell'in (Flickr) izniyle.

Soru

SuperUser okuyucu Ricku, statik elektriğin zarar görmesinin hala elektronikte büyük bir sorun olup olmadığını bilmek istiyor:

Statik elektriğin birkaç on yıl önce büyük bir problem olduğunu duydum. Şimdi hala büyük bir sorun mu var? Bir insanın bir bilgisayar bileşenini şimdi “kızartmasının” nadir olduğuna inanıyorum..

Statik elektrik hasarı elektroniklerde hala büyük bir problem mi??

Cevap

SuperUser yazarı Argonauts bizim için cevabı var:

Endüstride, Elektrostatik Deşarj (ESD) olarak adlandırılır ve şimdi olduğundan çok daha fazla bir sorundur; bununla birlikte, ESD'nin ürünlere zarar verme olasılığını azaltmaya yardımcı olan politikaların ve prosedürlerin oldukça yaygın bir şekilde benimsenmesiyle bir miktar azaltılmıştır. Ne olursa olsun, elektronik endüstrisi üzerindeki etkisi diğer birçok sektörden daha büyük.

Aynı zamanda çok büyük bir çalışma konusu ve çok karmaşık, bu yüzden sadece birkaç noktaya değineceğim. Eğer ilgileniyorsanız, konuyla ilgili çok sayıda ücretsiz kaynak, materyal ve web sitesi var. Birçok insan kariyerini bu alana adamıştır. ESD tarafından zarar gören ürünlerin, ister üretici, ister tasarımcı veya ister tüketici olsun, ister elektronik endüstrisinde yer alan tüm şirketler üzerinde çok gerçek ve çok büyük bir etkisi vardır ve bir endüstride ele alınan birçok şey gibi, maliyetleri bize.

ESD Derneği'nden:

Cihazlar ve özelliklerinin boyutu sürekli olarak küçüldükçe, biraz düşünmeden sonra mantıklı olan ESD'nin zarar görmesine daha yatkın hale gelir. Elektroniği inşa etmek için kullanılan malzemelerin mekanik mukavemeti, genellikle ısıl kütle olarak adlandırılan hızlı sıcaklık değişimlerine karşı direnç gösterme kabiliyeti gibi, genel olarak boyutları azaldıkça azalır (tıpkı makro ölçekli nesnelerde olduğu gibi). 2003 civarında, en küçük özellik boyutları 180 nm aralığındaydı ve şimdi 10 nm'ye hızla yaklaşıyoruz..

20 yıl önce zararsız olacak bir ESD etkinliği, modern elektroniği potansiyel olarak tahrip edebilir. Transistörlerde, geçit malzemesi çoğu zaman kurban olur, ancak diğer mevcut taşıyıcı elemanlar da buharlaştırılabilir veya eritilebilir. Bir IC'nin pinlerindeki lehim (Ball Grid Array gibi eşdeğer bir yüzey montajı bugünlerde çok daha yaygındır) bir PCB üzerinde eritilebilir ve silikonun kendisi yüksek ısıyla değiştirilebilecek bazı kritik özelliklere (özellikle dielektrik değeri) sahiptir . Tamamen ele alındığında, devreyi yarı iletkenden her zaman iletkene değiştirebilir; bu, çip açıldığında genellikle kıvılcım ve kötü bir koku ile biter..

Küçük özellik boyutları çoğu ölçüm perspektifinden neredeyse tamamen olumludur; desteklenebilecek işletim / saat hızları, güç tüketimi, sıkı bir şekilde bağlanmış ısı üretimi vb. gibi şeyler, ancak aksi takdirde önemsiz enerji miktarları düşünüldüğünde ortaya çıkacak zararlara karşı duyarlılık, özellik boyutu düştükçe büyük ölçüde artar.

ESD koruması bugün birçok elektronikte yerleşiktir, ancak entegre bir devrede 500 milyar transistörünüz varsa, statik bir boşalmanın yüzde 100 kesinlikte hangi yolu alacağını belirlemek izlenebilir bir sorun değildir.

İnsan vücudu bazen 100 ila 250 picofarare kapasitansa sahip olarak modellenir (İnsan Vücudu Modeli; HBM). Bu modelde, voltaj (kaynağa bağlı olarak) 25 kV kadar yüksek olabilir (bazıları sadece 3 kV kadar yüksek olabilir). Daha büyük sayıları kullanarak, kişi yaklaşık 150 milijoule sahip bir enerji yüküne sahip olacaktır. Tamamen “şarj edilmiş” bir kişi tipik olarak bunun farkında olmayacak ve sıklıkla kullanılabilir bir ilk toprak yoldan, genellikle bir elektronik cihazdan bir saniyenin kesirinde boşalacak.

Bu numaraların, kişinin normalde olduğu gibi ek bir ücret alabilecek kıyafetler giymediğini varsaydığını unutmayın. ESD riskini ve enerji seviyesini hesaplamak için farklı modeller vardır ve bazı durumlarda birbirleriyle çelişiyor göründüklerinden dolayı oldukça hızlı bir şekilde kafa karıştırıcı hale gelir. Standartların ve modellerin çoğunun mükemmel bir tartışmasına bir link.

Bunu hesaplamak için kullanılan belirli bir yöntemden bağımsız olarak, öyle değil ve kesinlikle fazla enerji gibi gelmiyor, ama modern bir transistörün yok edilmesi fazlasıyla yeterli. Bağlam olarak, bir enerji jojesi (Wikipedia'ya göre), orta büyüklükteki bir domatesi (100 gram) Dünya yüzeyinden bir metre dikey olarak kaldırmak için gereken enerjiye eşittir..

Bu, insanın bir yük taşıdığı ve hassas bir cihaza boşalttığı, sadece insani bir ESD olayının “en kötü senaryosu” tarafına düşer. Göreceli olarak düşük bir şarj miktarından yüksek bir voltaj, kişi çok zayıf bir şekilde topraklandığında meydana gelir. Neyin ve ne kadar zarar gördüğünün kilit bir faktörü aslında şarj veya voltaj değil, bu bağlamda elektronik cihazın yollarının topraklama direncinin ne kadar düşük olduğu düşünülebilecek olan akımdır..

Elektronik ortamda çalışan insanlar genellikle bilek kayışları ve / veya ayaklarındaki topraklama kayışlarıyla topraklanır. Topraklama için “şort” değildirler; Direnç, çalışanların paratoner görevi görmesini engellemek için boyutlandırılmıştır (kolayca elektrikle kesilir). Bilek bantları tipik olarak 1M Ohm aralığındadır ancak bu, biriken enerjinin hızlı bir şekilde boşaltılmasını sağlar. Kapasitif ve yalıtımlı eşyalar, başka herhangi bir şarj üretme veya depolama malzemesinin yanı sıra çalışma alanlarından, polistiren, kabarcık sargısı ve plastik kaplar gibi eşyalardan izole edilir.

Kelimenin tam anlamıyla, insan vücudunun kendi yükünü “dahili” olarak taşımadığı, ancak sadece hareketini kolaylaştırdığı bir cihaza ESD hasarı (hem pozitif hem de negatif bağıl yük farklarından) zarar verebilecek sayısız başka malzeme ve durum vardır. Bir karikatür seviyesi örneği halı üzerinde yürürken yün bir kazak ve çorap giymek, ardından metal bir nesneyi almak veya dokunmak olabilir. Bu, vücudun kendisinin depolayabileceğinden çok daha yüksek miktarda enerji oluşturur..

Modern elektroniklere zarar vermenin ne kadar az enerji harcadığına dair son bir nokta. Bir 10 nm transistör (henüz yaygın değil, ancak önümüzdeki birkaç yıl içinde olacak) 6 nm'den küçük bir geçit kalınlığına sahip, bu da bir mono tabaka (tek bir atom katmanı) dedikleri şeye yaklaşıyor..

Çok karmaşık bir konudur ve bir ESD olayının bir cihaza neden olabileceği hasar miktarının tahliye hızı (şarj ile toprak arasında ne kadar direnç olduğu) dahil olmak üzere çok sayıda değişken nedeniyle tahmin edilmesi zordur. cihaz üzerinden toprağa giden yolların sayısı, nem ve ortam sıcaklıkları ve daha fazlası. Bu değişkenlerin tümü, etkiyi modelleyebilecek çeşitli denklemlere takılabilir, ancak gerçek hasarı tahmin etmede çok doğru değillerdir, ancak bir olaydan gelen olası hasarı çerçevelemekte daha iyidirler..

Pek çok durumda ve bu sektöre özgüdür (tıbbi veya havayı düşünün), ESD kaynaklı bir felaket başarısızlığı olayı, farkedilmeden yapılan üretim ve testlerden geçen bir ESD olayından çok daha iyi bir sonuçtur. Farkedilmemiş ESD olayları çok küçük bir kusur yaratabilir veya önceden var olan ve tespit edilmeyen bir gizli kusurun biraz daha kötüleşmesine neden olabilir; bu, her iki senaryoda da ilave küçük ESD olayları veya düzenli kullanım nedeniyle zaman içinde daha da kötüleşebilir.

Nihayetinde, güvenilirlik modelleri (bakım ve değiştirme programları için temel olan) tarafından tahmin edilemeyen yapay olarak kısaltılmış bir zaman diliminde cihazın feci ve erken bir arızasıyla sonuçlanırlar. Bu tehlike nedeniyle ve korkunç durumları (örneğin bir kalp pilinin mikroişlemcisi veya uçuş kontrol cihazları) düşünmek kolaydır, gizli ESD'nin neden olduğu kusurları test etmek ve modellemek için yollar ortaya çıkmıştır..

Elektronik üretimi ile ilgili çalışmayan veya fazla bilgi sahibi olmayan bir tüketici için, bu bir sorun gibi görünmeyebilir. Çoğu elektronik satış için paketlendiğinde, çoğu ESD hasarını önleyebilecek çok sayıda koruma var. Hassas bileşenlere fiziksel olarak erişilemez ve bir toprağa daha uygun yollar mevcut (örn. Bir bilgisayar kasası bir toprağa bağlı, ESD'nin içine boşaltılması, kasa içindeki CPU'ya neredeyse kesinlikle zarar vermeyecek, ancak bunun yerine en düşük direnç yolunu alacaktır. güç kaynağı ve duvar prizinden güç kaynağı ile topraklanmış). Alternatif olarak, makul akım taşıma yolları mümkün değildir; Birçok cep telefonunun iletken olmayan bir dış cephesi vardır ve yalnızca şarj edilirken bir toprak yoluna sahiptir..

Kayıt için, her üç ayda bir ESD eğitiminden geçmek zorunda kaldım, böylece devam edebilecektim. Ancak bunun sorunuzu cevaplamak için yeterli olması gerektiğini düşünüyorum. Bu cevaptaki her şeyin doğru olduğuna inanıyorum, ancak merakınızı iyice yok etmediysem, fenomen hakkında daha iyi bilgi sahibi olmak için doğrudan okumayı şiddetle tavsiye ederim..

İnsanların karşı sezgisel bulduğu şeylerden biri, sık sık depolanan ve gönderilen elektronik çantaları (anti-statik çantalar) da iletken olmasıdır. Anti-statik, malzemenin diğer malzemelerle etkileşime girmekten anlamlı bir yük toplamayacağı anlamına gelir. Fakat ESD dünyasında, her şeyin aynı toprak gerilimi referansına sahip olması (mümkün olan en iyi ölçüde) eşit derecede önemlidir..

Çalışma yüzeyleri (ESD paspaslar), ESD poşetler ve diğer malzemelerin tümü tipik olarak, aralarında yalıtımlı bir malzemeye sahip olmadan veya tüm çalışma tezgahları arasındaki bir zemine düşük dirençli yolları kablolayarak daha açık bir şekilde bağlanmış olarak ortak bir zemine bağlı tutulur; işçilerin bilek bantları, zemin ve bazı ekipmanlar için konektörler. Burada güvenlik sorunları var. Yüksek patlayıcılar ve elektronik cihazlar üzerinde çalışıyorsanız, bilek bandınız 1M Ohm'luk bir direnç yerine doğrudan bir toprağa bağlı olabilir. Çok yüksek voltaj etrafında çalışırsanız, kendinizi hiç topraklamazsınız.

Cisco için ESD'nin maliyetine ilişkin bir alıntı, hatta biraz muhafazakar olabilir, çünkü Cisco için saha arızalarından kaynaklanan teminatlı hasar tipik olarak, hayat kaybına neden olmaz, bu da büyüklük sırasına göre 100x'i arttırabilir. :

Açıklamaya eklemek için bir şey var mı? Yorumlarda ses kesiliyor. Diğer teknoloji meraklısı Stack Exchange kullanıcılarından daha fazla cevap okumak ister misiniz? Burada tüm tartışma konusuna göz atın.