ESD è un grave rischio per le macchine moderne?


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Ho sentito che l'elettricità statica era una preoccupazione seria un paio di decenni fa. Tuttavia, molti costruttori di computer ora non sembrano preoccuparsi di cose come cinturini a scarica elettrostatica (ESD) o altre misure quando si lavora su un sistema.

I computer sono meno sensibili all'ESD ora?


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Sono stati inventati e implementati materiali di protezione nuovi / migliori. Inoltre, più standard del settore impediscono ai produttori di cheapskate di tagliare gli angoli nel posto sbagliato.
cybernard,

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È ancora un grosso problema. Cosa ti fa pensare che non sia un grosso problema? Le persone danneggiano i loro componenti a causa dell'ESD per tutto il tempo
Ramhound,

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@Ramhound: Nel corso degli anni, le persone sono migliorate nel capire come proteggere efficacemente i dispositivi assemblati dall'ESD esterno e come gestire in sicurezza i dispositivi non protetti, quindi l'ESD è meno un problema di quanto non fosse una volta.
Supercat,

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Una cosa che è cambiata molto dal 1985 o giù di lì è che oggi, l'utente tipico non vorrà mai aprire il proprio computer o dispositivo elettronico e / o non sarà in grado di aprire alcun dispositivo sensibile ESD di loro proprietà. Trenta anni fa, l'apertura di un computer per modificare impostazioni o componenti era più comune e più spesso realizzabile. Si noti che oggi alcuni utenti di fascia alta, i giocatori sono un buon esempio, insieme al personale IT ancora aprono i computer per vari motivi e devono prestare attenzione ai pericoli ESD.
Todd Wilcox,

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Sei stato solo fortunato ...
Ramhound,

Risposte:


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Nell'industria è indicato come scarica elettrostatica (ESD) ed è oggi un problema molto più di quanto non lo sia mai stato, sebbene sia mitigato in qualche modo dalla recente adozione piuttosto diffusa di politiche e procedure che aiutano a ridurre la probabilità del prodotto dannoso per ESD.

Indipendentemente da ciò, il suo impatto sull'industria elettronica è maggiore di molti interi 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 produttori, designer o consumatori e, come molte altre cose trattate nell'industria, i suoi costi ci sono passati.

Per l'associazione ESD:

“L'era dell'elettronica ha comportato nuovi problemi associati all'elettricità statica e alle scariche elettrostatiche. E, man mano che i dispositivi elettronici diventavano sempre più veloci, la loro sensibilità all'ESD aumentava. Oggi, ESD influisce sulla produttività e sull'affidabilità del prodotto praticamente in ogni aspetto dell'ambiente elettronico di oggi. Gli esperti del settore hanno stimato che le perdite medie di prodotto dovute a elettricità statica vanno dal [al] 33%. Altri stimano che il costo effettivo del danno ESD per l'industria elettronica sia pari a miliardi di dollari all'anno ”.

Man mano che i dispositivi e le loro dimensioni (significano vagamente la dimensione dei componenti più piccola prodotta da una determinata tecnologia) diventano sempre più piccoli, diventano più suscettibili al danneggiamento da ESD, il che ha senso dopo un piccolo pensiero. La resistenza meccanica dei materiali utilizzati per costruire l'elettronica in generale diminuisce man mano che le loro dimensioni diminuiscono, così come la capacità dei materiali di resistere al rapido cambiamento di temperatura, indicato di solito come massa termica - proprio come negli oggetti in scala "macro". Intorno al 2003, le dimensioni più piccole della gamma erano nella gamma di 180 nm: 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 molto spesso vittima, ma altri elementi che trasportano corrente possono essere vaporizzati o fusi, saldare sui pin di un IC (tecnicamente equivalente a montaggio superficiale come un array di reti a sfera (BGA) sono molto più comuni in questi giorni) su un Il PCB può essere fuso 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, (e accoppiamento stretto) generazione di calore, ecc., Ma la sensibilità ai danni da ciò che altrimenti sarebbe considerato quantità insignificanti di energia aumenta anche 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 (il modello del corpo umano ; HBM) come con 100 a 250 picofarad di capacità; in quel modello la tensione può arrivare fino a 25 kV (a seconda della sorgente) (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 "carica" ​​di solito 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 costi aggiuntivi, come di solito accade.

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. Non riesco a trovare alcuna fonte più definitiva di un'altra, quindi mi limiterò a collegarmi a questa eccellente discussione su molti standard e modelli.

Indipendentemente dal metodo specifico utilizzato per calcolarlo, non è e certamente non suona come molta energia, ma è più che sufficiente per distruggere un moderno transistor. Per il contesto, 1 joule di energia è equivalente - per Wikipedia - all'energia richiesta per sollevare un pomodoro di medie dimensioni (100 g) 1 metro in verticale dalla superficie della Terra.

Questo è il lato "peggiore" di un evento ESD esclusivamente umano, in cui l'essere umano sta trasportando la 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 estremamente scarsamente 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 si può pensare a quanto sia bassa la resistenza del percorso del dispositivo elettronico verso terra.

Le persone che lavorano attorno all'elettronica sono in genere sempre collegate a terra, con cinturini da polso e / o cinghie di messa a terra ai piedi. Non si tratta di "pantaloncini" a terra - la resistenza è dimensionata per impedire ai lavoratori di essere parafulmini (facilmente fulminarsi) - I cinturini da polso sono in genere nella gamma da 1 Mohm, ma ciò consente comunque di scaricare rapidamente l'energia accumulata. Articoli capacitivi e isolanti insieme a qualsiasi altro materiale che genera carica o immagazzina sono isolati dalle aree di lavoro - cose come polistirolo, involucro di bolle 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", facilita semplicemente il suo movimento - un cartone animato Un esempio di livello sarebbe indossare un maglione e calze di lana mentre si cammina su un tappeto e poi si tocca un oggetto di metallo, il che crea una quantità di energia significativamente maggiore di quella che il corpo stesso potrebbe immagazzinare.

Un ultimo punto su quanta poca energia ci vuole per danneggiare l'elettronica moderna: una dimensione del 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 ciò che chiamano un "monostrato" - un singolo strato di atomi.

È un'area molto complicata 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 tra la carica e la terra), il numero di percorsi verso terra attraverso il dispositivo, umidità e temperatura ambiente e molti altri. Tutte queste variabili possono essere collegate a varie equazioni che modellano gli impatti, ma non sono ancora terribilmente accurate nel prevedere il danno reale, ma meglio nel definire il danno "possibile" da un evento.

In molti casi - e questo è molto specifico del settore (pensate al settore medico o aerospaziale), un fallimento catastrofico che induce un evento ESD è un risultato di gran lunga migliore di un evento ESD che passa inosservato attraverso la produzione e il test, ma crea invece un difetto molto minore, o forse peggiora leggermente un difetto latente non rilevato preesistente, che in entrambi gli scenari può peggiorare nel tempo a causa di ulteriori eventi ESD "minori" o solo di un uso regolare, causando in definitiva un guasto catastrofico e prematuro del dispositivo (aka mortalità infantile) in un arco di tempo abbreviato artificialmente non previsto dai modelli di affidabilità (che sono la base per i programmi di manutenzione / sostituzione). A causa di questo pericolo ed è facile pensare a situazioni terribili: un microprocessore di pacemaker,

Ora, da un consumatore che non lavora o non sa molto della produzione di elettronica, potrebbe non sembrare un problema - quando la maggior parte dell'elettronica è confezionata per la vendita, esistono numerose misure di sicurezza che potrebbero prevenire la maggior parte dei danni ESD - i sensibili i componenti sono fisicamente inaccessibili e sono disponibili percorsi più "convenienti" verso terra (ad es. uno chassis di un computer è collegato a terra: scaricare ESD al suo interno non danneggerà quasi sicuramente la CPU all'interno del case, ma porterà invece a terra il percorso a bassa resistenza tramite l'alimentatore e l'alimentazione a parete) o 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 ciò sia accurato, ma consiglierei vivamente di leggerlo direttamente per conoscere meglio i fenomeni se non avessi distrutto la tua curiosità per sempre.

Una cosa che la gente trova controintuitiva è che anche i sacchetti che si vedono spesso immagazzinati 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 che, per quanto possibile, tutto abbia lo stesso riferimento di tensione "a terra", quindi le superfici di lavoro (tappetini ESD ), le borse ESD e altri materiali sono generalmente tenuti legati a una terra comune (o semplicemente non avendo un materiale isolante tra di loro) o più esplicitamente cablando percorsi a terra a bassa resistenza tra tutti i banchi da lavoro, i connettori per il polso dei lavoratori fasce, il pavimento e alcune attrezzature. Qui ci sono problemi di sicurezza: se lavori con esplosivi ed elettronica ad alto potenziale, la fascia da polso potrebbe essere legata direttamente a terra anziché con una resistenza da 1 Mohm. Se lavori intorno a tensioni molto elevate, non ti muoveresti affatto.

Un'altra citazione sui costi di ESD di Cisco - che potrebbe anche essere un po 'conservativa, in quanto il danno collaterale derivante da guasti sul campo per Cisco in genere non comporta la perdita di vite umane, che può aumentare di 100 volte quella indicata da ordini di grandezza:

È sorprendente se si considerano i costi associati ai componenti danneggiati dall'ESD. I costi relativi al fallimento dipendono da quando è stato scoperto il danno. Si stima che se si riscontra il danno:

  • Durante l'assemblaggio il costo è 1 volte il costo dell'assemblaggio e della manodopera.
  • Durante la prova il costo è 10 volte il costo di assemblaggio e manodopera.
  • Nel sito del cliente il costo è 100 volte il costo di assemblaggio e manodopera

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Solo per sottolineare: un picofarad è un'unità di capacità, non di carica. Stai dicendo che il corpo può immagazzinare 250 picocoulomb o che la sua capacità è di 250 picofarad?
Gremlin,

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Hai ragione - ho mescolato le unità. Ho fatto un altro paio di errori nella stessa sezione, quindi ho cercato di chiarirlo. Grazie per il testa a testa. A seconda del modello scelto, la capacità del corpo umano è compresa tra 100 e 250 pF; in alcuni modelli con resistenza serie 1k Ohm; in altri modelli una piccola quantità di induttanza. Penso che il problema sia che dipende da così tante variabili diverse che sono tutte sbagliate per la maggior parte del tempo e in alcune situazioni "perfette" il modello è corretto - ma suppongo che lo scopo dei modelli non sia essere 100 % preciso ma da caratterizzare. Grazie ancora.
Argonauti,

I vecchi dispositivi Hollow State non avevano alcun fumo magico da far uscire. Potrebbero sopravvivere a un fulmine vicino o a un evento EMP. Ma poi, un cellulare fatto da loro avrebbe le dimensioni di una città ... Faccio sempre attenzione a scaricare l'elettricità statica quando rifornisco di carburante la mia macchina, toccando contemporaneamente la macchina e il beccuccio prima di allentare il tappo. Questo impedisce danni all'auto e alla pompa ... quando la scintilla accende il serbatoio del carburante. Le persone dovrebbero davvero essere più consapevoli di ESD! Non sono sicuro del motivo per cui dicono di non usare un telefono cellulare durante il rifornimento. Immagino che potresti distrarti e renderti un po 'statico.

1
@Argonauts - Questa è una buona risposta. Nel mondo reale, le persone che riparano i PCB si radicano da sole e, in caso contrario, sono probabilmente redatte dal controllo di qualità personale.
Ramhound,

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Non ho intenzione di provare a superare la discussione di @ Argonauts sull'ESD :)
Voglio aggiungere qualcosa a quella risposta. @Argonauts sottolinea che esistono protezioni per molti / la maggior parte dei prodotti di elettronica di consumo. Credo che la risposta alla tua domanda sia che queste garanzie (nella maggior parte dei casi) sono notevolmente migliorate.

Ad esempio, il mio Commodore 64 dei primi anni '80 aveva due connettori a joystick adiacenti all'interruttore di alimentazione, entrambi situati sul lato dell'involucro. Si trattava di connettori "maschio" a 9 pin 1 , quindi a meno che non ti piegassi a destra per guardare quello che stavi facendo, c'erano relativamente buone probabilità che avresti spazzolato i pin del connettore esposti mentre provavi l'interruttore ... e se toccando la giusta combinazione di perni (e il tuo corpo / indumenti tenevano in carica) avresti innescato un ESD nelle viscere della macchina.

Inoltre, alcuni software richiedevano l'uso di una specifica porta del joystick ... il che significava che in un punto o nell'altro probabilmente avresti tentato di estrarre il joystick dalla porta 1 e inserirlo nella porta 2 (o viceversa) . Ancora una volta, c'era una buona probabilità che toccassi una delle due porte e che potesse innescare un ESD.

Oggi, il tuo joystick probabilmente utilizza un connettore USB ("A"). Ma soprattutto, i pin del connettore USB sono incassati all'interno dell'involucro e impossibili da toccare, o quasi (almeno con un dito).

Allo stesso modo, il mio Commodore (e altri computer di IIRC vintage simili) avevano interfacce a cartuccia con i pin esposti e a filo con l'involucro esterno. Questa è stata un'opportunità non solo per ESD ma per l'accumulo di polvere che potrebbe interferire con il collegamento della cartuccia.

Ma quando il NES (Nintendo) apparve sulla scena, il suo alloggiamento per cartuccia aveva una "porta" di copertura a molla.

ESD è ancora un (potenziale) problema se si scherza all'interno di un PC (o console o altro). Ma diversi decenni fa era relativamente facile danneggiare un sistema tramite ESD senza aprirlo. Tale pericolo è molto meno importante semplicemente perché l'elettronica è progettata tenendo presente la possibilità di ESD.


  1. Questa interfaccia del connettore era già utilizzata dalla console Atari 2600, quindi era disponibile un'ampia varietà di hardware di terze parti.

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Le prime cartucce Atari per il 2600 avevano tutte porte a molla, così come la console stessa. Le cartucce di terze parti hanno omesso le porte, così come le console successive come 7800 e 2600jr. L'Atari 400 e l'Atari 800 avevano una porta che era interbloccata con l'interruttore di alimentazione e racchiudeva completamente la cartuccia in modo da soddisfare i requisiti delle emissioni RF degli anni '70.
Supercat,

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@nocomprende Fair point. Ma direi che parte del problema è posizionare il jack per le cuffie proprio accanto a uno slot USB. Soprattutto se entrambi sono nella parte posteriore (su un desktop) sul lato (su un laptop). Sfortunatamente è così che è strutturato il mio laptop :(
David

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@supercat Ricordo lo sportello dell'alloggiamento delle cartucce sul 2600 ... Non ricordo di possedere nessuna cartuccia con sportelli. Non ho mai posseduto un Atari, ma mi sembra di ricordare altre macchine contemporanee con slot per cartucce aperti. Anche IIRC sui Commodore ha la porta della cartuccia raddoppiata come la porta della stampante, il che renderebbe impraticabile il tipo di interblocco descritto.
David,

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@ David: non conosco nessuna stampante che abbia utilizzato la porta della cartuccia. Le stampanti Commodore hanno utilizzato lo stesso bus seriale delle unità disco.
Fred Larson,

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@nocomprende Plug-and-play non è la stessa cosa di hot plug. Penso, ad esempio, che il termine Autoconfig usato su Amiga sia migliore del plug-and-play perché descrive effettivamente cosa succede. Lo standard SATA è hot plug, ma a quanto pare non lo è l'hardware che lo implementa . Molti bus interni (PCI, PCIe, ...) sono plug-and-play, ma normalmente non hot plug (anche se alcune schede madri consentono di spegnere uno slot specifico, consentendo l'installazione e la rimozione della scheda senza l'arresto del sistema).
un CVn
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