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