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Les dommages causés par l'électricité statique constituent-ils encore un énorme problème pour l'électronique


Nous avons tous entendu les avertissements pour nous assurer que nos appareils électroniques fonctionnent bien, mais les progrès technologiques ont diminué le problème des dommages causés par l'électricité statique ou est-il toujours aussi répandu qu'avant?

La session de questions-réponses d'aujourd'hui nous est offerte par SuperUser, une subdivision de Stack Exchange, un regroupement communautaire de sites Web de questions et réponses.

Photo gracieusement fournie par SuperUser. de Jared Tarbell (Flickr).

La question

SuperUser lecteur Ricku veut savoir si les dommages d'électricité statique est toujours un énorme problème avec l'électronique maintenant:

J'ai entendu dire que l'électricité statique était un gros problème il y a des décennies. Est-ce toujours un gros problème maintenant? Je crois qu'il est rare pour une personne de "faire frire" un composant informatique maintenant.

Les dommages causés par l'électricité statique sont-ils encore un énorme problème avec l'électronique?

La réponse

Argonautes a la réponse pour nous:

Dans l'industrie, on parle de décharges électrostatiques (ESD) et c'est beaucoup plus un problème aujourd'hui qu'il ne l'a jamais été; bien qu'il ait été quelque peu atténué par l'adoption généralisée assez récente de politiques et de procédures qui aident à réduire la probabilité de dommages causés par l'EDD aux produits. Quoi qu'il en soit, son impact sur l'industrie électronique est plus important que bien d'autres industries entières.

C'est aussi un vaste sujet d'étude et très complexe, je vais donc aborder quelques points. Si vous êtes intéressé, il existe de nombreuses sources gratuites, des matériaux et des sites Web dédiés au sujet. Beaucoup de gens consacrent leur carrière à ce domaine. Les produits endommagés par ESD ont un impact très réel et très important sur toutes les entreprises impliquées dans l'électronique, que ce soit en tant que fabricant, concepteur ou «consommateur», et comme beaucoup de choses traitées dans une industrie, ses coûts sont transmis à

De l'association ESD:

À mesure que les appareils et la taille de leurs caractéristiques diminuent continuellement, ils deviennent plus susceptibles d'être endommagés par les décharges électrostatiques, ce qui est logique après un peu de réflexion. La résistance mécanique des matériaux utilisés pour fabriquer l'électronique diminue généralement à mesure que leur taille diminue, de même que la capacité du matériau à résister aux variations de température rapides, généralement appelées masse thermique (comme dans les objets à échelle macro). Autour de 2003, les plus petites tailles de traits se situaient dans la gamme 180 nm et nous approchons maintenant de 10 nm.

Un événement ESD qui aurait été inoffensif il y a 20 ans pourrait potentiellement détruire l'électronique moderne. Sur les transistors, le matériau de la grille est souvent la victime, mais d'autres éléments porteurs de courant peuvent également être vaporisés ou fondus. Soudez sur les broches d'un CI (un montage en surface équivalent à un réseau de billes est beaucoup plus courant de nos jours) sur un PCB peut être fondu, et le silicium lui-même a certaines caractéristiques critiques (en particulier sa valeur diélectrique) . Pris ensemble, il peut changer le circuit d'un semi-conducteur à un conducteur permanent, qui se termine généralement par une étincelle et une mauvaise odeur lorsque la puce est sous tension.

Les petites tailles sont presque entièrement positives de la plupart des perspectives métriques ; des choses comme les vitesses de fonctionnement / d'horloge qui peuvent être supportées, la consommation d'énergie, la génération de chaleur étroitement couplée, etc., mais la sensibilité aux dommages de ce qui serait autrement considéré comme des quantités négligeables d'énergie augmente aussi considérablement lorsque la taille des fonctionnalités diminue. La protection contre les décharges électrostatiques est intégrée dans de nombreux appareils électroniques, mais si vous disposez de 500 milliards de transistors dans un circuit intégré, il est difficile de déterminer avec certitude le cheminement d'une décharge statique.

Le corps humain est parfois modélisé (Modèle du corps humain, HBM) ayant 100 à 250 picofarads de capacité. Dans ce modèle, la tension peut être aussi élevée (selon la source) que 25 kV (bien que certains prétendent seulement jusqu'à 3 kV). En utilisant les plus grands nombres, la personne aurait une «charge» d'énergie d'environ 150 millijoules. Une personne complètement «chargée» n'en a généralement pas conscience et se décharge en une fraction de seconde sur le premier trajet au sol disponible, souvent un appareil électronique.

Notez que ces chiffres supposent que la personne ne porte pas de vêtements pouvant supporter une charge supplémentaire, ce qui est normalement le cas. Il existe différents modèles pour calculer le risque d'ESD et les niveaux d'énergie, et cela devient très confus très rapidement car ils semblent se contredire dans certains cas. Voici un lien vers une excellente discussion de beaucoup de normes et de modèles.

Indépendamment de la méthode spécifique utilisée pour le calculer, ce n'est pas, et certainement pas beaucoup d'énergie, mais il est plus que suffisant pour détruire un transistor moderne. Pour le contexte, un joule d'énergie est équivalent (selon Wikipedia) à l'énergie nécessaire pour soulever verticalement une tomate de taille moyenne (100 grammes) à un mètre de la surface de la Terre.

Cela tombe dans le «pire scénario» côté d'un événement ESD uniquement humain, où l'humain porte une charge et le décharge dans un dispositif sensible. Une tension élevée par rapport à une charge relativement faible se produit lorsque la personne est très mal mise à la terre. Un facteur clé de ce qui est endommagé n'est pas la charge ou la tension, mais le courant qui, dans ce contexte, peut être considéré comme la résistance du dispositif électronique à la terre.

Travailler autour de l'électronique sont généralement à la terre avec des bracelets de poignet et / ou des sangles de mise à la terre sur leurs pieds. Ils ne sont pas "shorts" pour l'échouement; la résistance est dimensionnée pour empêcher les travailleurs de servir de paratonnerres (facilement électrocutés). Les bandes de poignet sont généralement dans la gamme 1M Ohm, mais cela permet toujours la décharge rapide de toute l'énergie accumulée. Les articles capacitifs et isolés ainsi que tous les autres matériaux générant ou stockant des charges sont isolés des zones de travail, comme le polystyrène, le film à bulles et les gobelets en plastique.

Il existe d'innombrables autres matériaux et situations pouvant entraîner des décharges électrostatiques différences de charge relatives positives et négatives) à un dispositif où le corps humain lui-même ne porte pas la charge "intérieurement", mais facilite simplement son mouvement. Un exemple de niveau de dessin animé porterait un chandail de laine et des chaussettes tout en marchant sur un tapis, puis en ramassant ou en touchant un objet en métal. Cela crée une quantité d'énergie significativement plus élevée que le corps lui-même pourrait stocker.

Un dernier point sur le peu d'énergie qu'il faut pour endommager l'électronique moderne. Un transistor de 10 nm (pas encore commun, mais il le sera dans les deux prochaines années) a une épaisseur de grille inférieure à 6 nm, qui se rapproche de ce qu'on appelle une monocouche (une seule couche d'atomes).

C'est un sujet très compliqué, et la quantité de dommages qu'un événement ESD peut causer à un dispositif est difficile à prévoir en raison du grand nombre de variables, y compris la vitesse de décharge (combien de résistance il y a entre la charge et un sol) , le nombre de chemins à un sol à travers l'appareil, l'humidité et les températures ambiantes, et beaucoup plus. Toutes ces variables peuvent être reliées à diverses équations qui peuvent modéliser l'impact, mais elles ne sont pas très précises pour prédire les dommages réels, mais mieux pour encadrer les dommages possibles d'un événement.

Dans de nombreux cas, et c'est très Spécifique à l'industrie (penser médical ou aérospatial), un événement catastrophique induit par une ESD est un bien meilleur résultat qu'un événement ESD qui passe par la fabrication et les tests inaperçus. Des événements ESD non détectés peuvent créer un défaut très mineur, ou peut-être légèrement aggraver un défaut latent préexistant et non détecté, qui dans les deux scénarios peut s'aggraver avec le temps en raison d'événements ESD mineurs ou simplement d'un usage régulier. dans une défaillance catastrophique et prématurée de l'appareil dans un laps de temps raccourci artificiellement qui ne peut pas être prédit par les modèles de fiabilité (qui sont la base pour les calendriers de maintenance et de remplacement). En raison de ce danger, et il est facile de penser à des situations terribles (un microprocesseur ou un instrument de contrôle de vol, par exemple), trouver des moyens de tester et de modéliser les défauts latents induits par ESD est un domaine de recherche majeur.

Pour un consommateur qui ne travaille pas ou ne connaît pas grand-chose à la fabrication de produits électroniques, cela ne semble pas être un problème. Au moment où la plupart des produits électroniques sont emballés pour la vente, il existe de nombreuses sauvegardes qui préviendraient la plupart des dommages causés par les décharges électrostatiques. Les composants sensibles sont physiquement inaccessibles et des chemins plus pratiques vers un sol sont disponibles (par exemple, un châssis d'ordinateur est relié à un sol; décharger l'ESD dans celui-ci n'endommagera presque certainement pas le CPU à l'intérieur du boîtier). masse via l'alimentation et la source d'alimentation murale). En variante, aucune voie de transport de courant raisonnable n'est possible; Beaucoup de téléphones mobiles ont des extérieurs non conducteurs et n'ont de chemin au sol que lorsqu'ils sont chargés.

Pour l'anecdote, je dois suivre une formation ESD tous les trois mois, donc je pourrais continuer. Mais je pense que cela devrait suffire à répondre à votre question. Je crois que tout est exact dans cette réponse, mais je vous conseillerais vivement de le lire directement pour mieux connaître le phénomène si je n'ai pas détruit votre curiosité pour de bon.

Une chose que les gens trouvent contre-intuitive est que les sacs que vous voyez souvent dans l'électronique stockés et expédiés (sacs antistatiques) sont également conducteurs. Antistatique signifie que le matériau ne recueillera aucune charge significative d'interagir avec d'autres matériaux. Mais dans le monde de l'EDD, il est tout aussi important (dans la mesure du possible) que tout ait la même référence de tension au sol.

Les surfaces de travail (tapis ESD), les sacs ESD et autres matériaux sont généralement liés à un la terre, soit en n'ayant simplement pas de matériau isolé entre eux, soit plus explicitement en câblant des chemins de faible résistance à un sol entre tous les bancs de travail; les connecteurs pour les bracelets des travailleurs, le sol et certains équipements. Il y a des problèmes de sécurité ici. Si vous travaillez autour d'explosifs et d'électronique, votre bracelet peut être directement relié à une masse plutôt qu'à une résistance de 1M Ohm. Si vous travaillez à très haute tension, vous ne vous feriez pas du tout.

Voici une citation sur les coûts de l'ESD de Cisco, qui pourrait même être un peu conservatrice, car les dommages collatéraux des défaillances de terrain pour Cisco pas entraîner la perte de la vie, qui peut soulever que 100x mentionnés par des ordres de grandeur:

Avez-vous quelque chose à ajouter à l'explication? Sonnez dans les commentaires. Vous voulez lire plus de réponses d'autres utilisateurs de Stack Exchange? Découvrez le fil de discussion complet ici.


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