Tutti noi abbiamo ascoltato gli avvertimenti per assicurarci di essere adeguatamente messi a terra quando lavoriamo sui nostri dispositivi elettronici, ma i progressi della tecnologia hanno ridotto il problema dei danni da elettricità statica o è ancora così diffuso come prima? Il post di domande e risposte di SuperUser di oggi ha una risposta esauriente alla domanda di un curioso lettore.
La sessione di domande e risposte di oggi ci viene fornita da SuperUser, una suddivisione di Stack Exchange, un raggruppamento di siti Web di domande e risposte guidato dalla community.
Foto per gentile concessione di Jared Tarbell (Flickr).
La domanda
Il lettore SuperUser Ricku vuole sapere se i danni dell'elettricità statica sono ancora un grosso problema con l'elettronica:
Ho sentito che l'elettricità statica era un grosso problema un paio di decenni fa. È ancora un grosso problema ora? Credo che sia raro per una persona “friggere” un componente del computer ora.
Il danno da elettricità statica è ancora un grosso problema con l'elettronica adesso?
La risposta
Collaboratore di SuperUser Argonauts ha la risposta per noi:
Nel settore, viene indicato come scarica elettrostatica (ESD) ed è oggi un problema molto più grave di quanto non sia mai stato; sebbene sia stato in qualche modo mitigato dall'adozione piuttosto recente di politiche e procedure che aiutano a ridurre la probabilità di danni ESD ai prodotti. Indipendentemente da ciò, il suo impatto sull'industria elettronica è maggiore di molti altri settori.
È anche un grande argomento di studio e molto complesso, quindi toccherò solo alcuni punti. Se sei interessato, ci sono numerose fonti gratuite, materiali e siti Web dedicati all'argomento. Molte persone dedicano la propria carriera a questo settore. I prodotti danneggiati da ESD hanno un impatto molto reale e molto grande su tutte le aziende coinvolte nell'elettronica, sia che si tratti di un produttore, designer o “consumatore”, e come molte cose trattate in un settore, i suoi costi sono passati a noi.
Dall'associazione ESD:
Man mano che i dispositivi e le dimensioni delle loro caratteristiche 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 usati per costruire l'elettronica generalmente diminuisce quando le loro dimensioni diminuiscono, così come la capacità del materiale di resistere ai rapidi cambiamenti di temperatura, di solito indicati come massa termica (proprio come negli oggetti in scala macro). Intorno al 2003, le dimensioni più piccole delle funzionalità erano nella gamma 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 del gate è spesso vittima, ma anche altri elementi di trasporto di corrente possono essere vaporizzati o fusi. La saldatura sui piedini di un IC (un equivalente a montaggio superficiale come un array a griglia a sfera è molto più comune in questi giorni) su un PCB può essere sciolta e il silicio stesso ha alcune caratteristiche critiche (in particolare il suo valore dielettrico) che possono essere modificate dal calore elevato . Nel complesso, può cambiare il circuito da un semiconduttore a un sempre conduttore, che di solito termina con una scintilla e un cattivo odore quando il chip è acceso.
Le dimensioni più piccole delle funzioni sono quasi del tutto positive dalla maggior parte delle prospettive metriche; cose come velocità operative / di clock che possono essere supportate, consumo di energia, generazione di calore strettamente accoppiata, ecc., ma anche la sensibilità ai danni da quelle che altrimenti sarebbero considerate quantità banali di energia aumenta notevolmente quando le dimensioni della funzione diminuiscono.
Oggi la protezione ESD è integrata in molti dispositivi elettronici, ma se si hanno 500 miliardi di transistor in un circuito integrato, non è un problema trattabile determinare quale percorso prenderà una scarica statica con certezza al 100%.
Il corpo umano è talvolta modellato (Human Body Model; HBM) come con capacità di capacità compresa tra 100 e 250 picofarad. In quel modello, la tensione può arrivare fino a 25 kV (a seconda della sorgente) (anche se alcuni sostengono solo fino a 3 kV). Usando i numeri più grandi, la persona avrebbe una “carica” energetica di circa 150 millijoule. Una persona completamente “caricata” in genere non ne è consapevole e viene scaricata in una frazione di secondo attraverso il primo percorso di terra disponibile, spesso un dispositivo elettronico.
Si noti che questi numeri presuppongono che la persona non indossi abiti in grado di sostenere un costo aggiuntivo, che è normalmente il caso. Esistono diversi modelli per il calcolo del rischio di ESD e dei livelli di energia, e diventa abbastanza confuso molto rapidamente poiché in alcuni casi sembrano contraddirsi a vicenda. Ecco un link a una discussione eccellente di molti standard e modelli.
Indipendentemente dal metodo specifico utilizzato per calcolarlo, non lo è, e certamente non suona come molta energia, ma è più che sufficiente per distruggere un moderno transistor. Per il contesto, un joule di energia è equivalente (secondo Wikipedia) all'energia richiesta per sollevare un pomodoro di medie dimensioni (100 grammi) a un metro in verticale dalla superficie della Terra.
Ciò ricade sul lato dello “scenario peggiore” di un evento ESD esclusivamente umano, in cui l'essere umano sta caricando una carica e la scarica in un dispositivo sensibile. Una tensione così elevata da una quantità relativamente bassa di carica si verifica quando la persona è molto poco messa a terra. 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 considerata come bassa la resistenza del percorso del dispositivo elettronico a terra.
Le persone che lavorano attorno all'elettronica sono generalmente messe a terra con cinturini da polso e / o cinghie di messa a terra sui loro piedi. Non sono “corti” per la messa a terra; la resistenza è dimensionata per impedire ai lavoratori di fungere da parafulmini (facilmente fulminarsi). I cinturini da polso sono in genere nella gamma 1M Ohm, ma ciò consente comunque di scaricare rapidamente qualsiasi energia accumulata. Gli articoli capacitivi e isolati insieme a qualsiasi altro materiale che genera o immagazzina carica sono isolati dalle aree di lavoro, cose come polistirolo, pellicola trasparente e bicchieri di plastica.
Ci sono letteralmente innumerevoli altri materiali e situazioni che possono causare danni ESD (da differenze di carica relative sia positive che negative) a un dispositivo in cui il corpo umano stesso non porta la carica “internamente”, ma facilita solo il suo movimento. Un esempio a livello di cartone animato sarebbe indossare un maglione di lana e calze mentre cammina su un tappeto, quindi raccoglie o tocca un oggetto metallico. Ciò crea una quantità significativamente più alta di energia di quella che il corpo stesso potrebbe immagazzinare.
Un ultimo punto su quanta poca energia ci vuole per danneggiare l'elettronica moderna. Un transistor da 10 nm (non ancora comune, ma lo sarà nei prossimi due anni) ha uno spessore del gate inferiore a 6 nm, che si sta avvicinando 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 una massa) , il numero di percorsi verso un suolo attraverso il dispositivo, l'umidità e le temperature ambiente e molto altro. Tutte queste variabili possono essere collegate a varie equazioni che possono modellare l'impatto, ma non sono ancora tremendamente accurate nel prevedere il danno reale, ma meglio nel definire il possibile danno da un evento.
In molti casi, e questo è molto specifico del settore (si pensi al settore medico o aerospaziale), un evento di guasto catastrofico indotto dall'ESD è un risultato molto migliore di un evento ESD che passa attraverso la produzione e il test inosservato. Gli eventi ESD inosservati possono creare un difetto molto piccolo, 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 arco di tempo abbreviato artificialmente 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 un pacemaker o strumenti di controllo del volo), trovare modi per testare e modellare i difetti latenti indotti dall'ESD è una delle principali aree di ricerca in questo momento.
Per un consumatore che non lavora o non sa molto della produzione elettronica, potrebbe non sembrare un problema. Quando la maggior parte dei componenti elettronici è confezionata per la vendita, esistono numerose misure di sicurezza che potrebbero prevenire la maggior parte dei danni ESD. I componenti sensibili sono fisicamente inaccessibili e sono disponibili percorsi più comodi verso una terra (ovvero uno chassis del computer è collegato a una terra, scaricando ESD al suo interno quasi sicuramente non danneggerà la CPU all'interno del case, ma invece prenderà il percorso di resistenza più basso verso un messa a terra tramite l'alimentatore e la presa di corrente). In alternativa, non sono possibili percorsi di trasporto di corrente ragionevoli; molti telefoni cellulari hanno esterni non conduttivi e hanno un percorso di massa solo quando vengono caricati.
Per la cronaca, devo seguire la formazione ESD ogni tre mesi, quindi potrei semplicemente continuare. 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 avessi distrutto la tua curiosità per sempre.
Una cosa che la gente trova controintuitiva è che anche i sacchetti che si vedono frequentemente conservati e spediti in elettronica (sacchetti antistatici) sono conduttivi. Antistatico significa che il materiale non raccoglierà alcuna carica significativa dall'interazione con altri materiali. Ma nel mondo ESD, è altrettanto importante (per quanto possibile) che tutto abbia lo stesso riferimento di tensione di terra.
Le superfici di lavoro (tappetini ESD), i sacchetti ESD e altri materiali sono generalmente tenuti legati a un terreno comune, o semplicemente non avendo un materiale isolante tra loro, o più esplicitamente cablando percorsi a bassa resistenza a un terreno tra tutti i banchi da lavoro; i connettori per i cinturini da polso dei lavoratori, il pavimento e alcune attrezzature. Ci sono problemi di sicurezza qui. Se lavori intorno a esplosivi ed elettronica ad alta intensità, la fascia da polso potrebbe essere legata direttamente a terra piuttosto che a una resistenza da 1M Ohm. Se lavori intorno a tensioni molto elevate, non ti muoveresti affatto.
Ecco una citazione sui costi di ESD di Cisco, che potrebbe anche essere un po 'conservativa, in quanto i danni collaterali derivanti da guasti sul campo per Cisco in genere non comportano la perdita di vite umane, il che può aumentare i 100 volte indicati da ordini di grandezza :
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