هل لا يزال الضرر الكهربي الثابت مشكلة كبيرة في الإلكترونيات؟

لقد استمعنا جميعًا إلى التحذيرات للتأكد من أننا متأصلون بشكل صحيح عند العمل على أجهزتنا الإلكترونية ، ولكن هل أدى التقدم في التكنولوجيا إلى تقليل مشكلة الضرر الساكن للكهرباء ، أم أنه لا يزال سائدًا كما كان من قبل؟ وظيفة SuperUser Q & A اليوم لديها إجابة شاملة على سؤال القارئ الغريب.

تأتي جلسة الأسئلة والأجوبة اليوم مقدمة من SuperUser-a subdivision of Stack Exchange ، وهي مجموعة مجتمعية مدفوعة من مواقع Q & A.

الصورة مجاملة من جاريد تاربل (فليكر).

السؤال

يريد قارئ SuperUser Ricku معرفة ما إذا كان تلف الكهرباء الساكن لا يزال يمثل مشكلة كبيرة في مجال الإلكترونيات الآن:

لقد سمعت أن الكهرباء الساكنة كانت مشكلة كبيرة منذ بضعة عقود. هل ما زالت مشكلة كبيرة الآن؟ أعتقد أنه من النادر أن يقوم شخص ما "بتقليب" أحد مكونات الكمبيوتر الآن.

لا يزال الضرر الكهرباء الساكنة مشكلة كبيرة مع الأجهزة الإلكترونية الآن?

الاجابة

مساهل SuperUser لدى Argonauts إجابة لنا:

في هذه الصناعة ، يشار إليها باسم التفريغ الكهربائي الاستاتيكي (ESD) وهي الآن مشكلة أكثر بكثير مما كانت عليه في أي وقت مضى ؛ على الرغم من أنه قد تم تخفيفه إلى حد ما من خلال اعتماد واسع النطاق إلى حد ما للسياسات والإجراءات التي تساعد على تقليل احتمال حدوث ضرر من ESD على المنتجات. بغض النظر ، يكون تأثيره على صناعة الإلكترونيات أكبر من العديد من الصناعات الأخرى.

وهو أيضًا موضوع ضخم للدراسة ومعقد جدًا ، لذلك سأتطرق إلى بضع نقاط. إذا كنت مهتمًا ، فهناك العديد من المصادر والمواد والمواقع الإلكترونية المخصصة لهذا الموضوع. يكرس الكثير من الناس وظائفهم في هذا المجال. المنتجات التي تضررت من ESD لها تأثير حقيقي وكبير جدا على جميع الشركات العاملة في مجال الإلكترونيات ، سواء كان ذلك كمصنع أو مصمم أو "المستهلك" ، ومثل العديد من الأشياء التي يتم تناولها في الصناعة ، يتم تمرير تكاليفها إلى لنا.

من جمعية ESD:

بما أن الأجهزة وحجم خصائصها تصبح بشكل مستمر أصغر ، فإنها تصبح أكثر عرضة للتلف بواسطة ESD ، وهو أمر منطقي بعد قليل من التفكير. عموماً ، تنخفض القوة الميكانيكية للمواد المستخدمة في بناء الإلكترونيات مع انخفاض حجمها ، كما هو الحال بالنسبة لقدرة المادة على مقاومة التغيرات السريعة في درجة الحرارة ، والتي يشار إليها عادة بالكتلة الحرارية (كما هو الحال في الكائنات ذات الحجم الكبير). حوالي عام 2003 ، كانت أصغر أحجام الميزة في نطاق 180 نانومتر والآن نحن نقترب بسرعة من 10 نانومتر.

من المحتمل أن يدمر حدث ESD الذي كان من الممكن أن يكون غير ضار قبل عشرين سنة تدمير الإلكترونيات الحديثة. على الترانزستورات ، غالباً ما تكون المادة البوذية هي الضحية ، ولكن يمكن تبخر عناصر أخرى حاملة للتيار أو صهرها أيضاً. لحام على دبابيس IC (ما يعادل جبل مثل مصفوفة شبكة الكرة هي أكثر شيوعا في هذه الأيام) على ثنائي الفينيل متعدد الكلور يمكن إذابة ، والسيليكون نفسه لديه بعض الخصائص الحرجة (وخاصة قيمة العازلة) التي يمكن تغييرها بواسطة الحرارة العالية . إذا ما أخذنا في الاعتبار ، يمكن أن تغير الدائرة من شبه موصل إلى موصل دائم ، والذي ينتهي عادة بشعلة ورائحة سيئة عند تشغيل الرقاقة.

تكون أحجام الميزات الصغيرة تقريبًا إيجابية تمامًا من معظم منظورات المقاييس ؛ أشياء مثل سرعات التشغيل / الساعة التي يمكن دعمها ، واستهلاك الطاقة ، وتوليد الحرارة بإحكام ، وما إلى ذلك ، ولكن حساسية الضرر من ما يمكن اعتباره كميات صغيرة من الطاقة قد يزداد بشكل كبير أيضًا مع انخفاض حجم الميزة.

تم بناء حماية البيئة والتنمية المستدامة في العديد من الإلكترونيات اليوم ، ولكن إذا كان لديك 500 مليار ترانزستور في دائرة متكاملة ، فهي ليست مشكلة قابلة للضغط لتحديد المسار الذي يجب أن يتخذه التفريغ الثابت بنسبة 100 بالمائة.

في بعض الأحيان يكون جسم الإنسان نموذجًا (نموذج جسم الإنسان ، HBM) حيث يمتلك 100 إلى 250 بيكوفادوس من السعة. في هذا النموذج ، يمكن للجهد أن يكون عاليًا (حسب المصدر) بمقدار 25 كيلوفولت (على الرغم من أن البعض يزعم أنه يصل إلى 3 كيلو فولت فقط). باستخدام الأرقام الأكبر ، سيكون لدى الشخص طاقة "شحن" حوالي 150 ملي ميل. إن الشخص "المشحون" بشكل كامل لن يكون على علم به عادة ويتم تصريفه في جزء من الثانية عبر أول مسار أرضي متاح ، وكثيرًا ما يكون جهازًا إلكترونيًا.

لاحظ أن هذه الأرقام تفترض أن الشخص لا يرتدي ملابس قادرة على تحمل رسوم إضافية ، وهو ما يحدث عادة. هناك نماذج مختلفة لحساب مستويات الخطر ومستويات الطاقة من ESD ، ويصبح الأمر مربكًا بشكل سريع جدًا نظرًا لأنها تبدو متعارضة مع بعضها البعض في بعض الحالات. هنا رابط لنقاش ممتاز للعديد من المعايير والنماذج.

بغض النظر عن الطريقة المحددة المستخدمة لحسابها ، فهي ليست كذلك ، وبالتأكيد لا تبدو مثل الكثير من الطاقة ، ولكنها أكثر من كافية لتدمير الترانزستور الحديث. للسياق ، يعادل واحد من الطاقة (حسب ويكيبيديا) الطاقة المطلوبة لرفع الطماطم متوسطة الحجم (100 غرام) متر واحدًا عموديًا من سطح الأرض.

يقع هذا على جانب "أسوأ سيناريو" في حدث ESD للإنسان فقط ، حيث يحمل الإنسان شحنة ويقوم بتصريفه إلى جهاز حساس. يحدث الجهد الكهربي المرتفع من كمية منخفضة نسبيًا من الشحن عندما يكون الشخص ضعيفًا جدًا. إن العامل الرئيسي في مقدار الضرر الذي يلحق به وكم هو مقدار الضرر الذي تسببه هو في الواقع الشحنة أو الجهد ، ولكن التيار ، والذي يمكن اعتباره في هذا السياق على أنه انخفاض مستوى مقاومة مسار الجهاز الإلكتروني إلى الأرض.

عادة ما يكون الأشخاص الذين يعملون حول الإلكترونيات مرتبطين بأربطة المعصم و / أو أشرطة التأريض على أقدامهم. انهم ليسوا "السراويل" للتأريض. يتم تحديد حجم المقاومة لمنع العمال من العمل كقضبان مانعة الصواعق (يصعب الحصول عليها بالكهرباء). عادة ما تكون فرق المعصم في نطاق 1M أوم ، ولكن هذا لا يزال يسمح بالتفريغ السريع لأي طاقة متراكمة. يتم عزل العناصر السعوية والمعزولة بالإضافة إلى أي مواد أخرى أو مواد تخزين شحنة من مناطق العمل وأشياء مثل البوليسترين ولف الفقاعات وأكواب بلاستيكية.

هناك عدد لا حصر له من المواد والحالات الأخرى التي يمكن أن تؤدي إلى ضرر ESD (من فروق الشحنة النسبية الإيجابية والسلبية) إلى جهاز حيث لا يحمل الجسم البشري نفسه الشحنة "داخليًا" ، ولكن يسهل فقط حركته. مثال على مستوى الرسوم المتحركة يرتدي سترة صوفية وجوارب أثناء السير عبر سجادة ، ثم يلتقط أو يلامس جسمًا معدنيًا. وهذا يخلق كمية أكبر بكثير من الطاقة مما يمكن للجسم نفسه تخزينه.

نقطة أخيرة حول مقدار الطاقة التي تحتاجها لإتلاف الإلكترونيات الحديثة. يوجد ترانزستور 10 نانومتر (غير شائع حتى الآن ، لكنه سيكون في العامين المقبلين) له سمك بوابة أقل من 6 نانومتر ، وهو يقترب مما يسمونه أحادي الطبقة (طبقة واحدة من الذرات).

إنه موضوع معقد للغاية ، ومقدار التلف الذي يمكن أن يسببه حدث ESD لجهاز ما يصعب التنبؤ به بسبب العدد الهائل من المتغيرات ، بما في ذلك سرعة التصريف (مقدار المقاومة الموجودة بين الشحنة والأرض) ، وعدد المسارات إلى الأرض من خلال الجهاز ، والرطوبة ودرجات الحرارة المحيطة ، وغيرها الكثير. يمكن توصيل كل هذه المتغيرات إلى معادلات مختلفة يمكنها أن تشكل نموذجًا للتأثير ، ولكنها ليست دقيقة للغاية في التنبؤ بالضرر الفعلي حتى الآن ، ولكن بشكل أفضل في تأطير الضرر المحتمل من حدث ما.

في العديد من الحالات ، وهذا أمر خاص بالصناعة (فكر طبيًا أو جويًا) ، فإن حدث الفشل الكارثي الذي يحدثه ESD هو نتيجة أفضل بكثير من حدث ESD الذي يمر عبر التصنيع والاختبار دون أن يلاحظه أحد. يمكن أن تؤدي أحداث ESD التي لم تتم ملاحظتها إلى حدوث خلل بسيط ، أو ربما تسوء من الخلل الكامن الموجود مسبقًا وغير المكتشف بشكل طفيف ، والذي يمكن أن يتفاقم في كلتا السيناريوهات بمرور الوقت نظرًا لوجود أحداث ESD ثانوية إضافية أو مجرد استخدام منتظم.

وهي تؤدي في نهاية المطاف إلى حدوث فشل كارثي ومسبق لأوانه في الجهاز في إطار زمني مختزل مصطنعًا لا يمكن التنبؤ به من خلال نماذج الموثوقية (التي تشكل أساسًا لجداول الصيانة والاستبدال). بسبب هذا الخطر ، ومن السهل التفكير في المواقف الفظيعة (مثل المعالجات الدقيقة أو أدوات التحكم في الطيران ، على سبيل المثال) ، فإن الخروج بطرق للاختبار وضبط عيوب كامنة من نوع ESD هو مجال رئيسي للبحث الآن..

بالنسبة للمستهلك الذي لا يعمل أو يعرف الكثير عن تصنيع الإلكترونيات ، قد لا يبدو أنه مشكلة. بحلول الوقت الذي يتم فيه بيع معظم الإلكترونيات للبيع ، هناك العديد من الضمانات القائمة التي من شأنها أن تمنع معظم ضرر ESD. المكونات الحساسة لا يمكن الوصول إليها فعليًا وتتوفر مسارات أكثر ملاءمة للأرض (بمعنى أن هيكل الكمبيوتر مرتبط بأرض ، مما يؤدي إلى تفريغ ESD إلى داخلها ، ومن المؤكد أنه لن يؤدي إلى تلف وحدة المعالجة المركزية داخل الحاوية ، ولكنه بدلاً من ذلك سيأخذ مسار المقاومة الأدنى الأرض عن طريق مصدر الطاقة ومصدر التيار الكهربائي الجدار). بدلا من ذلك ، لا توجد مسارات تحمل الحالية معقولة ممكنة ؛ العديد من الهواتف الجوالة لديها تصميمات خارجية غير موصلة ولها مسار أرضي فقط عند شحنها.

للتسجيل ، يجب أن أذهب من خلال التدريب ESD كل ثلاثة أشهر ، حتى أتمكن من الاستمرار. ولكن أعتقد أن هذا يكفي للإجابة على سؤالك. أعتقد أن كل شيء في هذا الجواب دقيق ، لكني أنصح بشدة بقراءته بشكل مباشر للتعرف بشكل أفضل على هذه الظاهرة إذا لم أقم بتدمير فضولك من أجل الخير..

أحد الأشياء التي يجدها الأفراد غير بديهية هي أن الحقائب التي تشاهدها بشكل متكرر الإلكترونيات المخزنة وشحنها (الأكياس المضادة للستاتيكية) هي أيضًا موصلة. مكافحة ساكنة يعني أن المواد لن تجمع أي تكلفة ذات مغزى من التفاعل مع المواد الأخرى. ولكن في عالم ESD ، من المهم بنفس القدر (إلى أقصى حد ممكن) أن يكون لكل شيء نفس مرجع الجهد الأرضي.

أسطح العمل (حصائر ESD) وأكياس ESD والمواد الأخرى كلها عادة ما تكون مرتبطة بأرضية مشتركة ، إما ببساطة عن طريق عدم وجود مادة معزولة بينها ، أو بشكل أكثر وضوحًا عن طريق توصيل مسارات مقاومة منخفضة إلى أرضية بين جميع مقاعد العمل ؛ الموصلات لشرائح المعصم الخاصة بالعمّال والأرض وبعض المعدات. هناك قضايا السلامة هنا. إذا كنت تعمل حول مواد شديدة الانفجار والالكترونيات ، فقد تكون عصابة المعصم مرتبطة مباشرة على الأرض بدلاً من المقاومة 1M Ohm. إذا كنت تعمل حول فولطية عالية جداً ، فلن تقوم بتأريض نفسك على الإطلاق.

في ما يلي اقتباس لتكاليف ESD من شركة Cisco ، والتي قد تكون حتى محافظة بعض الشيء ، حيث أن الضرر الجانبي الناتج عن فشل الحقل لشركة Cisco لا ينتج عنه في الواقع خسارة في الأرواح ، والتي يمكن أن ترفع ذلك بمقدار 100x المشار إليه بأوامر من الحجم :

هل لديك شيء تضيفه إلى الشرح؟ الصوت قبالة في التعليقات. هل ترغب في قراءة المزيد من الإجابات من مستخدمي Stack Exchange الآخرين المحترفين بالتكنولوجيا؟ تحقق من موضوع المناقشة الكامل هنا.