Thiệt hại điện tĩnh vẫn là một vấn đề lớn với Điện tử?

Tất cả chúng ta đã nghe những cảnh báo để đảm bảo rằng chúng ta có căn cứ chính xác khi làm việc trên các thiết bị điện tử của mình, nhưng những tiến bộ trong công nghệ đã làm giảm bớt vấn đề hư hỏng tĩnh điện hay nó vẫn còn phổ biến như trước đây? Bài hỏi và trả lời của SuperUser hôm nay có câu trả lời toàn diện cho câu hỏi của người đọc tò mò.

Phiên hỏi và trả lời hôm nay đến với chúng tôi nhờ sự hỗ trợ của SuperUser - một phân ngành của Stack Exchange, một nhóm các trang web Hỏi & Đáp do cộng đồng điều khiển.

Hình ảnh lịch sự của Jared Tarbell (Flickr).

Câu hỏi

Người đọc SuperUser Ricku muốn biết liệu thiệt hại tĩnh điện có còn là vấn đề lớn với thiết bị điện tử hay không:

Tôi đã nghe nói rằng tĩnh điện là một vấn đề lớn vài thập kỷ trước. Bây giờ nó vẫn là một vấn đề lớn? Tôi tin rằng bây giờ rất hiếm khi một người sử dụng thành phần máy tính.

Hiện tại thiệt hại tĩnh điện vẫn là một vấn đề lớn với thiết bị điện tử?

Câu trả lời

Người đóng góp cho SuperUser Argonauts có câu trả lời cho chúng tôi:

Trong ngành công nghiệp, nó được gọi là Xả tĩnh điện (ESD) và bây giờ là vấn đề lớn hơn nhiều so với trước đây; mặc dù nó đã được giảm nhẹ phần nào bởi việc áp dụng các chính sách và thủ tục khá phổ biến gần đây giúp giảm khả năng thiệt hại của các sản phẩm đối với các sản phẩm. Bất kể, tác động của nó đối với ngành công nghiệp điện tử là lớn hơn so với nhiều ngành công nghiệp khác.

Nó cũng là một chủ đề lớn của nghiên cứu và rất phức tạp, vì vậy tôi sẽ chỉ chạm vào một vài điểm. Nếu bạn quan tâm, có rất nhiều nguồn, tài liệu và trang web miễn phí dành riêng cho chủ đề này. Nhiều người dành sự nghiệp của họ cho lĩnh vực này. Các sản phẩm bị thiệt hại bởi ESD có tác động rất thực tế và rất lớn đối với tất cả các công ty liên quan đến điện tử, cho dù đó là nhà sản xuất, nhà thiết kế, hay người tiêu dùng, và giống như nhiều vấn đề trong ngành, chi phí của nó được chuyển qua chúng tôi.

Từ Hiệp hội ESD:

Khi các thiết bị và kích thước của các tính năng của chúng liên tục trở nên nhỏ hơn, chúng sẽ dễ bị hỏng hơn bởi ESD, điều này có ý nghĩa sau một chút suy nghĩ. Độ bền cơ học của vật liệu dùng để chế tạo thiết bị điện tử thường giảm khi kích thước của chúng giảm, cũng như khả năng chống lại sự thay đổi nhiệt độ nhanh của vật liệu, thường được gọi là khối lượng nhiệt (giống như trong các vật thể ở quy mô vĩ mô). Khoảng năm 2003, các kích thước tính năng nhỏ nhất là trong phạm vi 180nm và bây giờ chúng tôi đang nhanh chóng tiếp cận 10nm.

Một sự kiện ESD mà 20 năm trước sẽ vô hại có khả năng phá hủy các thiết bị điện tử hiện đại. Trên các bóng bán dẫn, vật liệu cổng thường là nạn nhân, nhưng các yếu tố mang dòng khác có thể bị bay hơi hoặc tan chảy. Hàn trên các chân của IC (một giá treo bề mặt tương đương với Mảng lưới bóng ngày nay phổ biến hơn nhiều) trên PCB có thể bị nóng chảy và bản thân silicon có một số đặc điểm quan trọng (đặc biệt là giá trị điện môi của nó) có thể thay đổi bởi nhiệt độ cao . Được thực hiện hoàn toàn, nó có thể thay đổi mạch từ bán dẫn sang luôn luôn là dây dẫn, thường kết thúc bằng tia lửa và mùi hôi khi chip được bật.

Kích thước tính năng nhỏ hơn hầu như hoàn toàn tích cực từ hầu hết các quan điểm số liệu; những thứ như tốc độ hoạt động / đồng hồ có thể được hỗ trợ, tiêu thụ năng lượng, sinh nhiệt kết hợp chặt chẽ, v.v., nhưng độ nhạy cảm với thiệt hại từ những thứ được coi là năng lượng tầm thường cũng tăng lên rất nhiều khi kích thước tính năng giảm xuống.

Ngày nay, việc bảo vệ chống tĩnh điện được tích hợp vào nhiều thiết bị điện tử, nhưng nếu bạn có 500 tỷ bóng bán dẫn trong một mạch tích hợp, thì việc xác định đường phóng điện tĩnh sẽ đi với độ chắc chắn 100% không phải là vấn đề khó khăn.

Cơ thể con người đôi khi được mô hình hóa (Mô hình cơ thể con người; HBM) có điện dung từ 100 đến 250 picofarad. Trong mô hình đó, điện áp có thể tăng cao (tùy thuộc vào nguồn) là 25 kV (mặc dù một số yêu cầu chỉ cao đến 3 kV). Sử dụng những con số lớn hơn, người đó sẽ có một điện tích năng lượng, khoảng 150 millomanles. Một người được tính phí đầy đủ của một người dân thường sẽ không nhận thức được điều đó và nó sẽ bị thải ra trong một phần của giây thông qua con đường mặt đất có sẵn đầu tiên, thường là một thiết bị điện tử.

Lưu ý rằng những con số này cho rằng người đó không mặc quần áo có khả năng mang thêm phí, điều này thường xảy ra. Có nhiều mô hình khác nhau để tính toán mức độ rủi ro và năng lượng của ESD, và nó trở nên khá khó hiểu rất nhanh vì chúng có vẻ mâu thuẫn với nhau trong một số trường hợp. Đây là một liên kết đến một cuộc thảo luận tuyệt vời về nhiều tiêu chuẩn và mô hình.

Bất kể phương pháp cụ thể nào được sử dụng để tính toán nó, nó không, và chắc chắn không có vẻ nhiều năng lượng, nhưng nó là quá đủ để phá hủy một bóng bán dẫn hiện đại. Đối với bối cảnh, một joule năng lượng tương đương (theo Wikipedia) với năng lượng cần thiết để nâng một quả cà chua cỡ trung bình (100 gram) một mét theo chiều dọc từ bề mặt Trái đất.

Điều này rơi vào kịch bản tồi tệ nhất của bên phía bên phía nam của một sự kiện chỉ có ở người, nơi con người đang mang điện tích và xả nó vào một thiết bị nhạy cảm. Một điện áp cao từ một lượng điện tích tương đối thấp xảy ra khi người đó rất kém. Một yếu tố quan trọng trong những gì và bao nhiêu bị hư hỏng không thực sự là điện tích hoặc điện áp, mà là dòng điện, trong bối cảnh này có thể được coi là điện trở của thiết bị điện tử xuống đất thấp đến mức nào.

Những người làm việc xung quanh thiết bị điện tử thường được nối đất với dây đeo cổ tay và / hoặc dây đai nối đất trên bàn chân của họ. Chúng không phải là quần short của Ý điện trở có kích thước để ngăn công nhân làm cột chống sét (dễ bị điện giật). Băng đeo tay thường ở trong phạm vi 1M Ohm, nhưng điều đó vẫn cho phép xả nhanh bất kỳ năng lượng tích lũy nào. Các vật phẩm điện dung và cách điện cùng với bất kỳ vật liệu tạo hoặc lưu trữ điện tích nào khác được cách ly khỏi khu vực làm việc, những thứ như polystyrene, bọc bong bóng và cốc nhựa.

Có vô số vật liệu và tình huống khác có thể dẫn đến thiệt hại về vật chất (từ chênh lệch điện tích tương đối dương và âm) đến một thiết bị mà cơ thể con người không mang điện tích bên trong, mà chỉ tạo điều kiện cho sự di chuyển của nó. Một ví dụ ở cấp độ hoạt hình sẽ mặc áo len và vớ trong khi đi ngang qua thảm, sau đó nhặt hoặc chạm vào một vật bằng kim loại. Điều đó tạo ra một lượng năng lượng cao hơn đáng kể so với cơ thể có thể lưu trữ.

Một điểm cuối cùng về việc cần ít năng lượng để làm hỏng các thiết bị điện tử hiện đại. Một bóng bán dẫn 10nm (chưa phổ biến, nhưng sẽ có trong vài năm tới) có độ dày cổng nhỏ hơn 6nm, gần với cái mà họ gọi là đơn lớp (một lớp nguyên tử).

Đây là một chủ đề rất phức tạp và mức độ thiệt hại mà một sự kiện ESD có thể gây ra cho thiết bị rất khó dự đoán do số lượng biến rất lớn, bao gồm cả tốc độ phóng điện (có bao nhiêu lực cản giữa điện tích và mặt đất) , số lượng đường dẫn đến mặt đất thông qua thiết bị, độ ẩm và nhiệt độ môi trường xung quanh, và nhiều hơn nữa. Tất cả các biến này có thể được cắm vào các phương trình khác nhau có thể mô hình hóa tác động, nhưng chúng không chính xác khủng khiếp trong việc dự đoán thiệt hại thực tế, nhưng tốt hơn là đóng khung thiệt hại có thể có từ một sự kiện.

Trong nhiều trường hợp, và điều này rất đặc thù trong ngành (nghĩ về y tế hoặc hàng không vũ trụ), một sự kiện thảm khốc do thảm họa gây ra bởi ESD là kết quả tốt hơn nhiều so với một sự kiện ESD thông qua sản xuất và thử nghiệm không được chú ý. Các sự kiện ESD không được chú ý có thể tạo ra một khiếm khuyết rất nhỏ, hoặc có thể làm xấu đi một chút khiếm khuyết tồn tại trước đó và không bị phát hiện, trong cả hai trường hợp có thể trở nên tồi tệ hơn theo thời gian do các sự kiện nhỏ khác của ESD hoặc chỉ sử dụng thường xuyên.

Cuối cùng, chúng dẫn đến một sự cố thảm khốc và sớm của thiết bị trong khung thời gian rút ngắn giả tạo mà các mô hình độ tin cậy không thể dự đoán được (là cơ sở cho lịch bảo trì và thay thế). Vì sự nguy hiểm này, và rất dễ nghĩ đến các tình huống khủng khiếp (ví dụ như bộ vi xử lý của máy điều hòa nhịp tim hoặc dụng cụ điều khiển chuyến bay), đưa ra các cách để kiểm tra và mô hình các khiếm khuyết do nhiễm trùng tiềm ẩn do ESD gây ra là một lĩnh vực nghiên cứu chính hiện nay.

Đối với một người tiêu dùng không làm việc hoặc biết nhiều về sản xuất điện tử, nó dường như không phải là một vấn đề. Vào thời điểm hầu hết các thiết bị điện tử được đóng gói để bán, có rất nhiều biện pháp bảo vệ sẽ ngăn chặn hầu hết các thiệt hại về vật chất. Các thành phần nhạy cảm không thể tiếp cận được về mặt vật lý và có sẵn các đường dẫn thuận tiện hơn tới mặt đất (ví dụ: khung máy tính được gắn với mặt đất, xả ESD vào nó gần như chắc chắn sẽ không làm hỏng CPU bên trong vỏ máy, nhưng thay vào đó, đi theo đường kháng thấp nhất đến nối đất thông qua nguồn điện và nguồn điện trên tường). Ngoài ra, không có đường dẫn hiện tại hợp lý là có thể; nhiều điện thoại di động có bề ngoài không dẫn điện và chỉ có đường dẫn mặt đất khi được sạc.

Đối với hồ sơ, tôi phải trải qua khóa đào tạo ESD ba tháng một lần, vì vậy tôi chỉ có thể tiếp tục. Nhưng tôi nghĩ rằng điều này là đủ để trả lời câu hỏi của bạn. Tôi tin tất cả mọi thứ trong câu trả lời này là chính xác, nhưng tôi thực sự khuyên bạn nên đọc trực tiếp về nó để làm quen với hiện tượng này nếu tôi không phá hủy sự tò mò của bạn mãi mãi.

Một điều mà mọi người thấy phản trực giác là những chiếc túi bạn thường thấy các thiết bị điện tử được lưu trữ và vận chuyển trong (túi chống tĩnh điện) cũng dẫn điện. Chống tĩnh có nghĩa là vật liệu sẽ không thu bất kỳ khoản phí có ý nghĩa nào khi tương tác với các vật liệu khác. Nhưng trong thế giới ESD, điều quan trọng không kém (ở mức độ tốt nhất có thể) là mọi thứ đều có cùng tham chiếu điện áp đất.

Các bề mặt làm việc (thảm phủ nhựa), túi nhựa và các vật liệu khác thường được giữ chặt với mặt bằng chung, đơn giản là không có vật liệu cách điện giữa chúng, hoặc rõ ràng hơn bằng cách nối các đường dẫn điện trở thấp đến mặt đất giữa tất cả các băng ghế làm việc; các đầu nối cho dây đeo cổ tay của công nhân, sàn nhà và một số thiết bị. Có vấn đề an toàn ở đây. Nếu bạn làm việc xung quanh chất nổ và thiết bị điện tử cao, dây đeo cổ tay của bạn có thể được buộc trực tiếp vào mặt đất thay vì điện trở 1M Ohm. Nếu bạn làm việc xung quanh điện áp rất cao, bạn sẽ không tự hạ cánh.

Dưới đây là một trích dẫn về chi phí của ESD từ Cisco, thậm chí có thể hơi bảo thủ, vì thiệt hại tài sản thế chấp từ các thất bại tại trường của Cisco thường không dẫn đến mất mạng, có thể tăng gấp 100 lần theo đơn đặt hàng cường độ :

Có một cái gì đó để thêm vào lời giải thích? Tắt âm thanh trong các ý kiến. Bạn muốn đọc thêm câu trả lời từ những người dùng Stack Exchange am hiểu công nghệ khác? Kiểm tra chủ đề thảo luận đầy đủ ở đây.