ความเสียหายจากไฟฟ้าสถิตย์ยังคงเป็นปัญหาใหญ่ที่เกิดขึ้นกับเครื่องใช้ไฟฟ้าหรือไม่?

เราทุกคนเคยได้ยินคำเตือนเพื่อให้แน่ใจว่าเรามีสายดินอย่างถูกต้องเมื่อทำงานกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของเรา แต่มีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีช่วยลดปัญหาความเสียหายจากไฟฟ้าสถิตย์หรือยังคงเป็นที่แพร่หลายเช่นเคย? โพสต์ SuperUser Q&A มีคำตอบที่ครอบคลุมสำหรับคำถามของผู้อ่านที่อยากรู้อยากเห็น.

เซสชั่นคำถามและคำตอบในวันนี้มาถึงเราด้วยความอนุเคราะห์จาก SuperUser - แผนกย่อยของ Exchange Exchange ซึ่งเป็นกลุ่มที่ขับเคลื่อนด้วยชุมชนของเว็บไซต์ถาม - ตอบ.

ภาพถ่ายของ Jared Tarbell (Flickr).

คำถาม

ผู้อ่าน SuperUser Ricku ต้องการทราบว่าความเสียหายจากไฟฟ้าสถิตย์ยังคงเป็นปัญหาใหญ่ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในขณะนี้หรือไม่:

ฉันได้ยินมาว่าไฟฟ้าสถิตย์เป็นปัญหาใหญ่เมื่อสองสามทศวรรษก่อน ตอนนี้ยังคงเป็นปัญหาใหญ่หรือไม่? ฉันเชื่อว่าเป็นเรื่องยากสำหรับบุคคลที่จะ "ทอด" ส่วนประกอบคอมพิวเตอร์ในขณะนี้.

ความเสียหายจากไฟฟ้าสถิตย์ยังคงเป็นปัญหาใหญ่ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในขณะนี้?

คำตอบ

Argonauts ผู้สนับสนุน SuperUser มีคำตอบสำหรับเรา:

ในอุตสาหกรรมนี้เรียกว่า Electro-Static Discharge (ESD) และเป็นปัญหามากกว่าที่เคยเป็นมา แม้ว่าจะได้รับการผ่อนปรนบ้างจากการใช้นโยบายและขั้นตอนการปฏิบัติอย่างกว้างขวางเมื่อไม่นานมานี้ซึ่งช่วยลดโอกาสที่จะเกิดความเสียหายต่อผลิตภัณฑ์ ESD ไม่ว่าผลกระทบต่ออุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์จะมีขนาดใหญ่กว่าอุตสาหกรรมอื่น ๆ ทั้งหมด.

นอกจากนี้ยังเป็นหัวข้อการเรียนขนาดใหญ่และซับซ้อนมากดังนั้นฉันจะสัมผัสเพียงไม่กี่ประเด็น หากคุณสนใจมีแหล่งที่มาฟรีวัสดุและเว็บไซต์มากมายสำหรับหัวข้อนี้ หลายคนอุทิศอาชีพของพวกเขาในพื้นที่นี้ ผลิตภัณฑ์ที่ได้รับความเสียหายจาก ESD นั้นมีผลกระทบที่แท้จริงและมีขนาดใหญ่มากต่อ บริษัท ทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไม่ว่าจะเป็นผู้ผลิตผู้ออกแบบหรือ“ ผู้บริโภค” และเหมือนกับหลาย ๆ สิ่งที่เกี่ยวข้องกับอุตสาหกรรม เรา.

จากสมาคม ESD:

เมื่ออุปกรณ์และขนาดของคุณสมบัติเล็กลงเรื่อย ๆ อุปกรณ์เหล่านี้จึงมีความอ่อนไหวต่อการถูกทำลายจาก ESD มากขึ้นซึ่งทำให้เข้าใจได้ยาก ความแข็งแรงเชิงกลของวัสดุที่ใช้ในการสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โดยทั่วไปจะลดลงเมื่อขนาดลดลงเช่นเดียวกับความสามารถของวัสดุในการต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วซึ่งโดยปกติจะเรียกว่ามวลความร้อน (เช่นเดียวกับวัตถุในระดับมหภาค) ประมาณปี 2003 ขนาดที่เล็กที่สุดของคุณสมบัติอยู่ในช่วง 180 นาโนเมตรและตอนนี้เรากำลังเข้าใกล้ 10 นาโนเมตรอย่างรวดเร็ว.

เหตุการณ์ ESD ที่ 20 ปีที่ผ่านมาไม่เป็นอันตรายสามารถทำลายอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัย บนทรานซิสเตอร์วัสดุเกทมักจะตกเป็นเหยื่อ แต่องค์ประกอบการบรรทุกอื่น ๆ ในปัจจุบันสามารถระเหยหรือละลายได้เช่นกัน ประสานบนหมุดของ IC (พื้นผิวที่เทียบเท่ากับ Ball Grid Array ที่พบได้บ่อยในสมัยนี้) บน PCB สามารถละลายได้และซิลิคอนเองก็มีลักษณะสำคัญบางอย่าง (โดยเฉพาะค่าอิเล็กทริก) ที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ด้วยความร้อนสูง . นำมารวมกันก็สามารถเปลี่ยนวงจรจากกึ่งตัวนำเป็นตัวนำเสมอซึ่งมักจะจบลงด้วยประกายไฟและกลิ่นเหม็นเมื่อชิปเปิด.

ขนาดของคุณสมบัติที่เล็กกว่าเกือบทั้งหมดเป็นค่าบวกจากเปอร์สเปคทีฟเมตริก สิ่งต่าง ๆ เช่นความเร็วในการใช้งาน / นาฬิกาที่สามารถรองรับการใช้พลังงานการสร้างความร้อนควบคู่กันอย่างแน่นหนาเป็นต้น แต่ความไวต่อความเสียหายจากสิ่งที่จะถูกพิจารณาว่าเป็นพลังงานปริมาณเล็กน้อยก็เพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อขนาดของฟีเจอร์ลดลง.

การป้องกัน ESD ถูกสร้างขึ้นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากในปัจจุบัน แต่ถ้าคุณมีทรานซิสเตอร์ 500 พันล้านตัวในวงจรรวมมันไม่ใช่ปัญหาที่สามารถจัดการได้เพื่อกำหนดเส้นทางที่การปล่อยประจุไฟฟ้าสถิตด้วยความมั่นใจ 100 เปอร์เซ็นต์.

บางครั้งร่างกายมนุษย์นั้นถูกสร้างแบบจำลอง (Human Body Model; HBM) ซึ่งมีความจุ 100 ถึง 250 picofarads ในรุ่นนั้นแรงดันไฟฟ้าสามารถสูงได้ (ขึ้นอยู่กับแหล่งที่มา) เป็น 25 kV (แม้ว่าบางคนจะเรียกร้องเพียงสูงถึง 3 kV) เมื่อใช้จำนวนที่มากขึ้นบุคคลนั้นจะมีพลังงาน "ประจุ" ประมาณ 150 มิลลิจูล โดยทั่วไปแล้วบุคคลที่“ ถูกเรียกเก็บเงิน” เต็มจำนวนจะไม่ได้รับรู้และได้รับการปล่อยออกมาในเสี้ยววินาทีผ่านเส้นทางกราวด์แรกที่มีอยู่ซึ่งมักเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์.

โปรดทราบว่าตัวเลขเหล่านี้ถือว่าบุคคลนั้นไม่ได้สวมใส่เสื้อผ้าที่สามารถพกพาค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมซึ่งโดยปกติจะเป็นกรณี มีรูปแบบที่แตกต่างกันสำหรับการคำนวณความเสี่ยง ESD และระดับพลังงานและมันค่อนข้างสับสนอย่างรวดเร็วเนื่องจากดูเหมือนจะขัดแย้งกันในบางกรณี นี่คือลิงค์สำหรับการอภิปรายที่ยอดเยี่ยมเกี่ยวกับมาตรฐานและรุ่นต่างๆ.

โดยไม่คำนึงถึงวิธีการเฉพาะที่ใช้ในการคำนวณมันไม่และแน่นอนไม่ได้ฟังเหมือนพลังงานมาก แต่มันก็เพียงพอที่จะทำลายทรานซิสเตอร์ที่ทันสมัย สำหรับบริบทพลังงานหนึ่งจูลเทียบเท่ากับพลังงานที่จำเป็นสำหรับการยกมะเขือเทศขนาดกลาง (100 กรัม) หนึ่งเมตรในแนวตั้งจากผิวโลก.

สิ่งนี้ตรงกับ "สถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุด" ด้านข้างของเหตุการณ์ ESD สำหรับมนุษย์โดยเฉพาะซึ่งมนุษย์กำลังแบกประจุและปล่อยลงสู่อุปกรณ์ที่ไวต่อการสัมผัส แรงดันไฟฟ้าที่สูงจากค่าใช้จ่ายที่ค่อนข้างต่ำเกิดขึ้นเมื่อบุคคลนั้นมีสายดินไม่ดีมาก ปัจจัยสำคัญในการได้รับความเสียหายอะไรและเท่าไหร่จริง ๆ แล้วไม่ได้เป็นค่าใช้จ่ายหรือแรงดัน แต่ปัจจุบันซึ่งในบริบทนี้สามารถคิดว่าเป็นความต้านทานต่ำของเส้นทางอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไปยังพื้นดินเป็นอย่างไร.

คนที่ทำงานเกี่ยวกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มักมีสายรัดข้อมือและ / หรือสายดินที่เท้า พวกเขาไม่ใช่“ กางเกงขาสั้น” สำหรับการลงดิน ความต้านทานมีขนาดเพื่อป้องกันไม่ให้คนงานทำหน้าที่เป็นแท่งฟ้าผ่า (ได้รับไฟฟ้าได้ง่าย) แถบข้อมือมักจะอยู่ในช่วง 1M Ohm แต่ก็ยังช่วยให้ปล่อยพลังงานที่สะสมได้อย่างรวดเร็ว สิ่งของที่เป็นฉนวนและฉนวนพร้อมกับวัสดุอื่น ๆ ที่สร้างหรือเก็บประจุแยกออกจากพื้นที่ทำงานสิ่งต่าง ๆ เช่นสไตรีนห่อฟองและถ้วยพลาสติก.

มีวัสดุและสถานการณ์อื่น ๆ อีกมากมายนับไม่ถ้วนที่สามารถส่งผลให้เกิดความเสียหาย ESD (จากความแตกต่างของประจุบวกและประจุลบที่สัมพันธ์กัน) ไปยังอุปกรณ์ที่ร่างกายมนุษย์ไม่ได้พกพาประจุ "ภายใน" แต่เพียงอำนวยความสะดวกในการเคลื่อนที่ ตัวอย่างระดับการ์ตูนจะสวมเสื้อขนสัตว์และถุงเท้าขณะที่เดินข้ามพรมจากนั้นยกขึ้นหรือสัมผัสวัตถุที่เป็นโลหะ นั่นสร้างพลังงานในระดับที่สูงกว่าที่ร่างกายสามารถเก็บได้อย่างมีนัยสำคัญ.

อีกประเด็นหนึ่งที่ชี้ให้เห็นว่าพลังงานเพียงเล็กน้อยในการทำให้เกิดความเสียหายกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัย ทรานซิสเตอร์ 10 นาโนเมตร (ยังไม่พบบ่อย แต่จะเกิดขึ้นในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า) มีความหนาของประตูน้อยกว่า 6 นาโนเมตรซึ่งใกล้เคียงกับสิ่งที่พวกเขาเรียกว่า monolayer (อะตอมชั้นเดียว).

มันเป็นเรื่องที่ซับซ้อนมากและปริมาณความเสียหายของเหตุการณ์ ESD อาจทำให้อุปกรณ์ยากต่อการคาดเดาเนื่องจากตัวแปรจำนวนมากรวมถึงความเร็วของการปลดปล่อย (ความต้านทานที่มีอยู่ระหว่างประจุและพื้นดิน) จำนวนเส้นทางสู่พื้นดินผ่านอุปกรณ์ความชื้นและอุณหภูมิแวดล้อมและอื่น ๆ อีกมากมาย ตัวแปรทั้งหมดเหล่านี้สามารถเสียบเข้ากับสมการต่าง ๆ ที่สามารถสร้างแบบจำลองผลกระทบ แต่พวกเขายังไม่แม่นยำอย่างมากในการทำนายความเสียหายที่เกิดขึ้นจริง แต่ดีกว่าในการกำหนดกรอบความเสียหายที่เป็นไปได้จากเหตุการณ์.

ในหลายกรณีและนี่คือเฉพาะอุตสาหกรรม (คิดว่าทางการแพทย์หรือการบินและอวกาศ) เหตุการณ์ความล้มเหลวที่เกิดจากความหายนะของ ESD นั้นเป็นผลลัพธ์ที่ดีกว่าเหตุการณ์ ESD ที่ผ่านการผลิตและทดสอบโดยไม่มีใครสังเกต เหตุการณ์ ESD ที่ไม่ได้สังเกตสามารถสร้างข้อบกพร่องเล็กน้อยได้หรืออาจแย่กว่าข้อบกพร่องแฝงที่มีอยู่ก่อนและตรวจไม่พบซึ่งในสถานการณ์ทั้งสองอาจแย่ลงเมื่อเวลาผ่านไปเนื่องจากเหตุการณ์ ESD เล็กน้อยเพิ่มเติมหรือเพียงแค่การใช้งานปกติ.

ในที่สุดอุปกรณ์เหล่านี้ส่งผลให้เกิดความล้มเหลวอย่างรุนแรงและเกิดความล้มเหลวก่อนกำหนดของอุปกรณ์ในกรอบเวลาที่สั้นลงซึ่งไม่สามารถคาดการณ์ได้โดยโมเดลความน่าเชื่อถือ (ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการบำรุงรักษาและการเปลี่ยนตารางเวลา) เนื่องจากอันตรายนี้และเป็นเรื่องง่ายที่จะนึกถึงสถานการณ์ที่น่ากลัว (เช่นไมโครโปรเซสเซอร์ของเครื่องกระตุ้นหัวใจหรือเครื่องมือควบคุมการบินเป็นต้น) การหาวิธีการทดสอบและแบบจำลองข้อบกพร่องที่เกิดจาก ESD ที่ซ่อนเร้นเป็นพื้นที่สำคัญของการวิจัยในขณะนี้.

สำหรับผู้บริโภคที่ไม่ได้ทำงานหรือมีความรู้เกี่ยวกับการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มากนักดูเหมือนว่ามันอาจไม่เป็นปัญหา เมื่อถึงเวลาบรรจุอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่จะมีระบบป้องกันจำนวนมากที่จะป้องกันความเสียหาย ESD ส่วนใหญ่ ส่วนประกอบที่ละเอียดอ่อนนั้นไม่สามารถเข้าถึงได้ทางกายภาพและมีเส้นทางที่สะดวกกว่าไปยังพื้นดิน (เช่นโครงเครื่องคอมพิวเตอร์ถูกผูกติดกับพื้นดินการปลด ESD ลงไปนั้นจะไม่ทำให้ซีพียูเสียหายภายในเคส กราวด์ผ่านแหล่งจ่ายไฟและแหล่งจ่ายไฟที่ผนัง) อีกทางหนึ่งไม่มีเส้นทางการบรรทุกในปัจจุบันที่เหมาะสม โทรศัพท์มือถือหลายรุ่นมีภายนอกที่ไม่นำไฟฟ้าและมีเส้นทางกราวด์เมื่อถูกชาร์จเท่านั้น.

สำหรับบันทึกฉันต้องผ่านการฝึกอบรม ESD ทุกสามเดือนดังนั้นฉันจึงสามารถไปต่อได้ แต่ฉันคิดว่านี่น่าจะเพียงพอที่จะตอบคำถามของคุณ ฉันเชื่อว่าทุกอย่างในคำตอบนี้ถูกต้อง แต่ฉันขอแนะนำให้อ่านโดยตรงเพื่อทำความคุ้นเคยกับปรากฏการณ์นี้ให้ดีขึ้นถ้าฉันไม่ทำลายความอยากรู้ของคุณให้ดีขึ้น.

สิ่งหนึ่งที่ผู้คนพบเห็นได้ในเชิงต่อต้านคือกระเป๋าที่คุณเห็นเป็นประจำซึ่งจัดเก็บและส่งทางอิเล็กทรอนิกส์ (ถุงป้องกันไฟฟ้าสถิตย์) ก็เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าเช่นกัน การป้องกันไฟฟ้าสถิตย์หมายความว่าวัสดุจะไม่เก็บประจุที่มีความหมายใด ๆ จากการมีปฏิสัมพันธ์กับวัสดุอื่น แต่ในโลก ESD มันมีความสำคัญเท่าเทียมกัน (เท่าที่ดีที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้) ว่าทุกอย่างมีการอ้างอิงแรงดันกราวด์เดียวกัน.

พื้นผิวการทำงาน (ESD mats), ถุง ESD และวัสดุอื่น ๆ ทั้งหมดมักจะถูกผูกติดอยู่กับพื้นดินทั่วไปโดยเพียงแค่ไม่มีวัสดุฉนวนระหว่างพวกเขา ตัวเชื่อมต่อสำหรับแถบข้อมือของคนงานพื้นและอุปกรณ์บางอย่าง มีปัญหาด้านความปลอดภัยที่นี่ หากคุณทำงานเกี่ยวกับวัตถุระเบิดและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์วงข้อมือของคุณอาจถูกผูกติดกับพื้นโดยตรงแทนที่จะเป็นตัวต้านทาน 1M โอห์ม หากคุณหลีกเลี่ยงไฟฟ้าแรงสูงคุณจะไม่กราวด์ตัวเองเลย.

นี่คือใบเสนอราคาค่าใช้จ่ายของ ESD จาก Cisco ซึ่งอาจจะค่อนข้างอนุรักษ์นิยมเนื่องจากความเสียหายของหลักประกันจากความล้มเหลวของฟิลด์สำหรับ Cisco โดยทั่วไปจะไม่ส่งผลให้เกิดการสูญเสียชีวิต :

มีสิ่งที่จะเพิ่มคำอธิบายหรือไม่ ปิดเสียงในความคิดเห็น ต้องการอ่านคำตอบเพิ่มเติมจากผู้ใช้ Stack Exchange คนอื่นหรือไม่ ลองอ่านหัวข้อสนทนาเต็มได้ที่นี่.