Является ли ОУР серьезным риском для современных машин?


34

Я слышал, что статическое электричество было серьезной проблемой пару десятилетий назад. Тем не менее, многие производители компьютеров теперь, похоже, не беспокоятся о таких вещах, как ремни электростатического разряда (ESD) или другие меры при работе в системе.

Менее ли восприимчивы компьютеры к ОУР?


7
Новые / лучшие защитные материалы были изобретены и внедрены. Кроме того, больше отраслевого стандарта, не позволяющего производителям дешевых скатов резать углы в неправильном месте.
Кибернард

14
Это все еще большое дело. Что заставляет вас думать, что это не имеет большого значения? Люди повреждают свои компоненты из-за ОУР все время
Ramhound

3
@Ramhound: За прошедшие годы люди стали лучше понимать, как эффективно защищать собранные устройства от внешних электростатических разрядов и как безопасно обращаться с незащищенными устройствами, поэтому электростатический разряд представляет собой меньшую проблему, чем это было раньше.
суперкат

8
Одна вещь, которая сильно изменилась с 1985 года или около того, заключается в том, что сегодня обычный пользователь либо никогда не захочет открыть свой компьютер или электронное устройство, и / или он не сможет открыть какие-либо чувствительные к ESD устройства, которыми они владеют. Тридцать лет назад открытие компьютера для изменения настроек или компонентов было более распространенным и чаще выполнимым. Обратите внимание, что сегодня некоторые высококлассные пользователи, являющиеся хорошим примером для игроков, наряду с ИТ-персоналом, по разным причинам открывают компьютеры и вынуждены обращать внимание на опасности, связанные с ОУР.
Тодд Уилкокс

2
Тебе просто повезло ...
Ramhound

Ответы:


62

В промышленности его называют электростатическим разрядом (ESD), и сейчас он представляет собой гораздо большую проблему, чем когда бы то ни было, хотя в какой-то мере он смягчен довольно недавним повсеместным принятием политик и процедур, которые помогают снизить вероятность повреждения продукта от электростатического разряда.

Несмотря на это, его влияние на электронную промышленность больше, чем на целые отрасли. Это также огромная тема для изучения и очень сложная, поэтому я просто коснусь нескольких моментов. Если вы заинтересованы, есть множество бесплатных источников, материалов и веб-сайтов, посвященных этой теме. Многие люди посвящают свою карьеру этой области. Продукты, поврежденные ОУР, оказывают очень реальное и очень большое влияние на все компании, занимающиеся электроникой - будь то производитель, дизайнер или потребитель, и, как и многие другие вещи, с которыми приходится сталкиваться в промышленности, их стоимость перекладывается на нас.

Согласно Ассоциации ESD:

«Эпоха электроники принесла с собой новые проблемы, связанные со статическим электричеством и электростатическим разрядом. И по мере того, как электронные устройства становились все быстрее и меньше, их чувствительность к ОУР увеличивалась. Сегодня ОУР влияет на производительность и надежность продукции практически во всех аспектах современной электроники. Эксперты отрасли оценили средние потери продукта из-за статичности в диапазоне [до] 33%. Другие оценивают фактическую стоимость ущерба от электростатических разрядов для электронной промышленности как миллиарды долларов в год ».

По мере того, как устройства и их функциональные размеры (что в широком смысле означает наименьший размер компонентов, производимых по данной технологии) постоянно уменьшаются, они становятся более подверженными повреждению от электростатического разряда, что имеет смысл после недолгого размышления. Механическая прочность материалов, используемых для создания электроники, в целом уменьшается с уменьшением их размера, так же как и способность материалов противостоять быстрому изменению температуры, которое обычно называют термической массой - как в объектах «макро» масштаба. Приблизительно в 2003 году наименьшие размеры элементов были в диапазоне 180 нм - сейчас мы быстро приближаемся к 10 нм.

Событие ОУР, которое 20 лет назад было бы безвредным, потенциально может разрушить современную электронику. На транзисторах материал затвора очень часто является жертвой, но другие токонесущие элементы могут испаряться или расплавляться, паяться на выводах микросхемы (технически эквивалентный монтаж на поверхности, такой как шариковая решетка (BGA) в наши дни гораздо более распространен) на ПХБ может быть расплавлен, и сам кремний имеет некоторые критические характеристики (особенно его диэлектрическую ценность), которые могут быть изменены при высокой температуре; в целом это может изменить схему с полупроводника на постоянно проводящий, который обычно заканчивается искрой и неприятным запахом при включении микросхемы.

Меньшие размеры элементов почти полностью положительны с точки зрения большинства показателей - такие как рабочие / тактовые частоты, которые могут поддерживаться, энергопотребление, (и тесно связаны) тепловыделение и т. Д., Но чувствительность к повреждению от того, что иначе можно было бы считать тривиальными энергии также идет вверх, так как размер элемента уменьшается.

В настоящее время защита от электростатического разряда встроена во многие электронные устройства, но если в интегральной схеме имеется 500 миллиардов транзисторов, определить, по какому пути статический разряд с вероятностью 100%, не сложно.

Человеческое тело иногда моделируется (модель человеческого тела ; HBM) как имеющее емкость от 100 до 250 пикофарад; в этой модели напряжение может достигать 25 кВ (в зависимости от источника) (некоторые утверждают, что оно достигает 3 кВ). Используя большие числа, у человека будет «заряд» энергии около 150 миллиджоулей. Полностью «заряженный» человек обычно не знает об этом, и он разряжается за доли секунды по первому доступному пути заземления - часто электронному устройству. Обратите внимание, что эти цифры предполагают, что человек не носит одежду, способную нести дополнительную плату, что обычно имеет место.

Существуют разные модели для расчета риска ОУР и уровней энергии, и это очень запутанно очень быстро, так как в некоторых случаях они противоречат друг другу. Я не могу найти какой-либо источник, который был бы более точным, чем другой, поэтому я просто сошлюсь на это прекрасное обсуждение многих стандартов и моделей.

Независимо от конкретного метода, использованного для его расчета, это не так и, конечно, не так уж много энергии, но этого более чем достаточно, чтобы разрушить современный транзистор. Для контекста, 1 джоул энергии эквивалентен - в Википедии - энергии, необходимой для поднятия томата среднего размера (100 г) на 1 метр вертикально от поверхности Земли.

Это на стороне «наихудшего» случая события ОУР, касающегося только человека, когда человек несет заряд и разряжает его в восприимчивое устройство. Высокое напряжение от относительно низкого уровня заряда возникает, когда человек крайне плохо заземлен. Ключевым фактором в том, что и сколько повреждено, является не заряд или напряжение, а ток, который в этом контексте можно представить как низкое сопротивление пути электронного устройства к земле.

Люди, работающие с электроникой, как правило, всегда заземлены, с ремешками на запястье и / или ремешками для заземления на ногах. Они не являются «короткими замыканиями» на массу - сопротивление измеряется таким образом, чтобы рабочие не были молниеотводами (их легко убить током) - браслеты обычно находятся в диапазоне 1 МОм, но это все же позволяет быстро разряжать любую накопленную энергию. Емкостные и изоляционные элементы вместе с любыми другими материалами, генерирующими или хранящими заряд, изолированы от рабочих зон - таких как полистирол, пузырчатая пленка и пластиковые стаканчики.

Существует буквально бесчисленное множество других материалов и ситуаций, которые могут привести к повреждению от электростатического разряда (как от положительных, так и от отрицательных разностей относительных зарядов) для устройства, где само тело человека не несет заряд «внутренне», оно просто облегчает его перемещение - мультфильм В качестве примера можно привести шерстяной свитер и носки, когда вы идете по ковру, а затем выбираете прикосновение к металлическому предмету - это создает значительно большее количество энергии, чем само тело может хранить.

И последнее замечание о том, как мало энергии требуется для того, чтобы повредить современную электронику: размер элемента транзистора 10 нм (пока не распространенный, но будет в ближайшие пару лет) имеет толщину затвора менее 6 нм, что близко к тому, что они называют «монослой» - один слой атомов.

Это очень сложная область, и количество ущерба, которое может вызвать событие ESD для устройства, трудно предсказать из-за огромного количества переменных, включая скорость разряда (сколько сопротивления между зарядом и землей), число путей к земле через устройство, влажности и температуры окружающей среды, и многое другое. Все эти переменные могут быть включены в различные уравнения, которые моделируют воздействия, но они еще не очень точны в прогнозировании реального ущерба, но лучше в определении «возможного» ущерба от события.

Во многих случаях - и это очень специфично для отрасли (например, медицинское или аэрокосмическое), событие ОУР, вызывающее катастрофический сбой, является гораздо лучшим результатом, чем событие ОУР, которое проходит незамеченным в процессе производства и тестирования, но вместо этого создает очень незначительный дефект, или возможно, слегка усугубляет существующий ранее необнаруженный скрытый дефект, который в обоих сценариях может усугубляться со временем либо из-за дополнительных «незначительных» событий ОУР, либо из-за регулярного использования, что в конечном итоге приводит к катастрофическому и преждевременному выходу устройства из строя (он же младенческая смертность) в искусственно сокращенных временных рамках, не предсказанных моделями надежности (которые являются основой для графиков технического обслуживания / замены). Из-за этой опасности, и легко думать о страшных ситуациях - микропроцессор кардиостимулятора,

Теперь для потребителя, который не работает или не знает о производстве электроники, может показаться, что это не проблема - к тому времени, когда большая часть электроники упакована для продажи, существует множество мер безопасности, которые предотвратят большинство повреждений от электростатического разряда - чувствительный компоненты физически недоступны и доступны более «удобные» пути к земле (например, корпус компьютера привязан к земле - разрядка ESD в него почти наверняка не повредит процессор внутри корпуса, но вместо этого выберет путь низкого сопротивления к земле через электропитание и питание от сети) или, наоборот, невозможны приемлемые пути передачи тока - многие сотовые телефоны имеют непроводящую внешнюю поверхность и заземляются только при зарядке.

Для справки, я должен проходить тренинг по ОУР каждые три месяца, поэтому я мог просто продолжать. Но я думаю, что этого должно быть достаточно, чтобы ответить на ваш вопрос. Я полагаю, что все в этом, чтобы быть точным, но я настоятельно рекомендую прочитать это непосредственно, чтобы лучше познакомиться с явлениями, если я не уничтожил ваше любопытство навсегда.

Одна вещь, которую люди находят нелогичным, это то, что сумки, которые вы часто видите в электронике, хранящиеся и отправляемые - антистатические сумки, - также являются проводящими. Антистатические означает, что материал будет не собирает смысл заряда от взаимодействия с другими материалами, но в ОУР мире не менее важно, что, насколько это возможно, все имеет ту же ссылку «земля» напряжения, поэтому рабочие поверхности (ESD коврики ), мешки ESD и другие материалы, как правило, все привязаны к общему заземлению (либо просто не имея между ними изоляционного материала), либо, что более точно, подключают дорожки с низким сопротивлением к земле между всеми рабочими столами, разъемы для рабочего запястья полосы, пол и некоторое оборудование. Здесь есть проблемы безопасности - если вы работаете с взрывчаткой и электроникой, Ваш браслет может быть привязан непосредственно к земле, а не с резистором 1 МОм. Если вы работаете с очень высоким напряжением, вы вообще не будете заземляться.

Другая цитата о стоимости ESD от Cisco - которая может быть даже немного консервативной, поскольку сопутствующий ущерб от сбоев в полевых условиях для Cisco обычно не приводит к потере жизни, что может увеличить это 100-кратное значение, указанное на порядки:

Удивительно, когда вы смотрите на стоимость компонентов, поврежденных от электростатического разряда. Расходы, связанные с отказом, зависят от того, когда был обнаружен ущерб. Предполагается, что в случае обнаружения ущерба:

  • При сборке стоимость в 1 раз превышает стоимость сборки и труда.
  • Во время испытаний стоимость в 10 раз превышает стоимость сборки и труда.
  • На сайте заказчика стоимость в 100 раз превышает стоимость сборки и труда

4
Просто чтобы указать - пикофарад это единица емкости, а не заряда. Вы говорите, что тело может хранить 250 пикоуломб или его емкость составляет 250 пикофарад?
Гремлин

1
Вы правы - я перепутал единицы. Я сделал пару других ошибок в том же разделе, поэтому я попытался уточнить это. Спасибо за внимание. В зависимости от выбранной модели, емкость человеческого тела составляет от 100 до 250 пФ; в некоторых моделях с сопротивлением серии 1 кОм; в других моделях небольшое количество индуктивности. Я думаю, проблема в том, что она зависит от стольких различных переменных, что все они в большинстве случаев ошибочны, и в некоторых определенных «идеальных» ситуациях модель верна, но я полагаю, что цель моделей не в том, чтобы % точный, но для характеристики. Еще раз спасибо.
Аргонавты

У старых устройств Hollow State не было никакого волшебного дыма, чтобы выпустить. Они могут выжить рядом с молнией или событием EMP. Но тогда сотовый телефон, сделанный из них, будет размером с город ... Я всегда осторожно снимаю статический заряд при заправке моей машины, касаясь машины и излива одновременно, прежде чем ослабить крышку. Это предотвращает повреждение автомобиля и насоса ... когда искра зажигает топливный бак. Люди действительно должны быть в курсе ОУР! Не уверен, почему они говорят, чтобы не использовать мобильный телефон при заправке, хотя. Я думаю, вы могли бы отвлечься и сделать некоторые статические.

1
@ Аргонавты - это хороший ответ. В реальном мире люди, которые ремонтируют печатные платы, заземляют себя, и если они этого не делают, они, вероятно, записаны персоналом контроля качества.
Ramhound

11

Я не собираюсь пытаться превзойти обсуждение ОУР в @ Argonauts :)
Я хочу кое-что добавить к этому ответу. @Argonauts отмечает, что существуют меры предосторожности для многих / большинства товаров бытовой электроники. Я считаю, что ответ на ваш вопрос заключается в том, что эти гарантии (в большинстве случаев) значительно улучшились.

Например, мой Commodore 64 начала 1980-х годов имел два разъема джойстика рядом с выключателем питания, оба расположены на боковой стороне корпуса. Это были 9-контактные «штекерные» разъемы 1 , поэтому, если вы не наклонитесь вправо, чтобы посмотреть, что вы делаете, был относительно хороший шанс, что вы почистите открытые контакты разъема, пока будете искать переключатель… и если вы дотронувшись до правильной комбинации штифтов (и ваше тело / одежда держали заряд), вы включите ESD во внутренности машины.

В дополнение к этому, для некоторых программ требовалось использовать определенный порт джойстика ... это означало, что в тот или иной момент вы, вероятно, возитесь, чтобы вытащить джойстик из порта 1 и вставить его в порт 2 (или наоборот). , Опять же, был довольно хороший шанс, что вы дотронетесь до одного из двух портов и, возможно, активируете ESD.

Сегодня ваш джойстик, вероятно, использует разъем USB («A»). Но что еще более важно, контакты USB-разъема утоплены внутрь корпуса, и к ним невозможно прикоснуться или почти так (по крайней мере, пальцем).

Точно так же мой Commodore (и другие компьютеры аналогичного поколения IIRC) имели интерфейс картриджей с открытыми контактами и заподлицо с внешним корпусом. Это была возможность не только для электростатического разряда, но и для накопления пыли, которая может помешать подключению картриджа.

Но к тому моменту, когда (Nintendo) NES появилась на месте происшествия, у ее слота для картриджа была подпружиненная крышка «дверь».

ОУР все еще остается (потенциальной) проблемой, если вы возитесь с компьютером (или консолью, или чем-то еще). Но несколько десятилетий назад было относительно легко повредить систему через ESD, не открывая ее. Эта опасность гораздо менее важна просто потому, что электроника разработана с учетом возможности электростатического разряда.


  1. Этот интерфейс соединителя уже использовался консолью Atari 2600, поэтому было доступно большое количество стороннего оборудования.

2
Ранние патроны Atari для 2600 имели подпружиненные двери, как и сама консоль. Картриджи сторонних производителей опускали двери, как и более поздние консоли, такие как 7800 и 2600jr. Atari 400 и Atari 800 имели дверцу, которая была заблокирована выключателем питания и полностью закрывала картридж, чтобы соответствовать требованиям по радиочастотным выбросам 1970-х годов.
суперкат

2
@nocomprende Честная точка зрения. Но я бы сказал, что отчасти проблема заключается в расположении разъема для наушников прямо рядом со слотом USB. Особенно, если оба находятся сзади (на столе), сбоку (на ноутбуке). К сожалению, так устроен мой ноутбук :(
David

1
@supercat Я помню дверцу отсека для картриджей на 2600 ... Хотя я не помню, чтобы у меня были картриджи с дверцами. У меня никогда не было Atari, но я помню другие современные машины с открытыми слотами для картриджей. Кроме того, IIRC на Commodores порт картриджа удваивается как порт принтера, что делает нецелесообразным описанный вами тип блокировки.
Дэвид

1
@ Дэвид: я не знаю ни одного принтера, который использовал порт картриджа. Принтеры Commodore использовали ту же последовательную шину, что и дисководы.
Фред Ларсон

2
@nocomprende Plug-and-play - это не то же самое, что горячая замена. Я думаю, например, термин Autoconfig, который используется в Amiga , лучше, чем самонастраиваемый, потому что он фактически описывает, что происходит. Стандарт SATA поддерживает горячую замену, но, по- видимому, некоторые аппаратные средства, реализующие его, - нет . Многие внутренние шины (PCI, PCIe, ...) подключаются по принципу «подключи и работай», но обычно не поддерживают горячее подключение (хотя некоторые материнские платы позволяют отключать питание определенного разъема, что позволяет устанавливать и извлекать карты без выключения системы).
CVn
Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.