Apakah ESD berisiko serius pada mesin modern?

Saya mendengar bahwa listrik statis adalah masalah serius beberapa dekade yang lalu. Namun, banyak pembangun komputer sekarang tampaknya tidak peduli dengan hal-hal seperti tali pelepasan elektro-statis (ESD) atau langkah-langkah lain ketika bekerja pada suatu sistem.

Apakah komputer kurang rentan terhadap ESD sekarang?

Dalam industri ini disebut pelepasan elektrostatik (ESD) dan jauh lebih menjadi masalah sekarang daripada sebelumnya, meskipun itu agak dimitigasi oleh adopsi kebijakan dan prosedur yang cukup luas yang membantu mengurangi kemungkinan produk yang merusak ESD.

Apapun, dampaknya pada industri elektronik lebih besar daripada banyak industri secara keseluruhan. Ini juga merupakan topik studi yang sangat besar dan sangat kompleks, jadi saya hanya akan menyentuh beberapa poin. Jika Anda tertarik ada banyak sumber, bahan, dan situs web gratis yang didedikasikan untuk subjek ini. Banyak orang mendedikasikan karir mereka di bidang ini. Produk yang rusak oleh ESD memiliki dampak yang sangat nyata dan sangat besar pada semua perusahaan yang terlibat dalam elektronik - apakah itu sebagai produsen, perancang atau konsumen, dan seperti banyak hal yang ditangani dalam industri, biayanya dibebankan kepada kami.

Per Asosiasi ESD:

“Era elektronik membawa masalah baru yang terkait dengan listrik statis dan pelepasan elektrostatik. Dan, ketika perangkat elektronik menjadi lebih cepat dan lebih kecil, sensitivitasnya terhadap ESD meningkat. Saat ini, ESD memengaruhi produktivitas dan keandalan produk di hampir setiap aspek lingkungan elektronik saat ini. Pakar industri memperkirakan kerugian produk rata-rata karena statis berkisar [hingga] 33%. Yang lain memperkirakan biaya aktual kerusakan ESD untuk industri elektronik yang mencapai miliaran dolar per tahun. ”

Karena perangkat dan ukuran fitur mereka (secara longgar berarti ukuran komponen terkecil yang dapat diproduksi oleh teknologi tertentu) terus-menerus semakin kecil, mereka menjadi lebih rentan terhadap kerusakan oleh ESD - yang masuk akal setelah sedikit dipikirkan. Kekuatan mekanis dari bahan yang digunakan untuk membangun elektronik secara umum turun seiring ukurannya turun, demikian pula kemampuan bahan untuk menahan perubahan suhu yang cepat, biasanya disebut sebagai massa termal - sama seperti pada objek skala 'makro'. Sekitar tahun 2003 ukuran fitur terkecil berada di kisaran 180 nm - kami sekarang dengan cepat mendekati 10 nm.

Peristiwa ESD yang 20 tahun lalu tidak berbahaya dapat berpotensi menghancurkan elektronik modern. Pada transistor, bahan gerbang sangat sering menjadi korban, tetapi elemen pembawa arus lainnya dapat diuapkan atau dilebur, disolder pada pin IC (secara teknis permukaan yang setara dengan ball grid array (BGA) jauh lebih umum akhir-akhir ini) pada suatu PCB dapat meleleh, dan silikon itu sendiri memiliki beberapa karakteristik penting (terutama nilai dielektriknya) yang dapat diubah dengan panas tinggi; diambil sekaligus dapat mengubah sirkuit dari semi-konduktor menjadi selalu-konduktor, yang biasanya berakhir dengan percikan dan bau busuk ketika chip dinyalakan.

Ukuran fitur yang lebih kecil hampir seluruhnya positif dari sebagian besar perspektif metrik - hal-hal seperti kecepatan operasi / jam yang dapat didukung, konsumsi daya, (dan digabungkan dengan erat) pembangkit panas, dll., Tetapi sensitivitas terhadap kerusakan dari apa yang sebelumnya dianggap jumlah yang sepele energi juga naik sebagai ukuran fitur turun.

Perlindungan ESD dibangun ke banyak elektronik saat ini, tetapi jika Anda memiliki 500 miliar transistor dalam sirkuit terintegrasi, itu bukan masalah yang bisa ditelusuri untuk menentukan jalur apa yang akan diambil dengan muatan statis dengan kepastian 100%.

Tubuh manusia kadang-kadang dimodelkan ( model tubuh-manusia ; HBM) memiliki 100 hingga 250 picofarad kapasitansi; dalam model itu tegangan bisa setinggi (tergantung pada sumbernya) 25 kV (beberapa klaim hanya setinggi 3 kV). Menggunakan angka yang lebih besar orang tersebut akan memiliki 'muatan' energi sekitar 150 milijoule. Orang yang 'terisi penuh' biasanya tidak akan menyadarinya, dan akan habis dalam sepersekian detik melalui jalur tanah pertama yang tersedia - seringkali perangkat elektronik. Perhatikan bahwa angka-angka ini mengasumsikan orang tersebut tidak mengenakan pakaian yang mampu membawa biaya tambahan, yang biasanya merupakan kasusnya.

Ada beberapa model untuk menghitung risiko ESD dan tingkat energi, dan itu menjadi sangat membingungkan dengan sangat cepat karena dalam beberapa kasus mereka tampaknya saling bertentangan. Saya tidak dapat menemukan sumber mana pun yang lebih pasti daripada yang lain, jadi saya hanya akan menautkan ke diskusi yang sangat baik ini dari banyak standar dan model.

Terlepas dari metode spesifik yang digunakan untuk menghitungnya, itu tidak dan tentu saja tidak terdengar seperti banyak energi - tetapi lebih dari cukup untuk menghancurkan transistor modern. Untuk konteksnya, 1 joule energi setara - per Wikipedia - dengan energi yang diperlukan untuk mengangkat tomat ukuran sedang (100 g) 1 meter secara vertikal dari permukaan Bumi.

Ini adalah sisi kasus 'terburuk' dari peristiwa ESD hanya manusia, di mana manusia membawa muatan dan membuangnya ke perangkat yang rentan. Tegangan yang tinggi dari jumlah muatan yang relatif rendah terjadi ketika orang tersebut memiliki ground yang sangat buruk. Faktor kunci dalam apa dan berapa banyak yang rusak sebenarnya bukanlah muatan atau tegangan, tetapi arus - yang dalam konteks ini dapat dipikirkan seberapa rendah resistansi jalur perangkat elektronik terhadap pentanahan.

Orang yang bekerja di sekitar elektronik biasanya selalu terhubung ke ground, dengan tali pergelangan tangan dan / atau tali pengardean di kaki mereka. Ini bukan 'celana pendek' ke tanah - resistansi berukuran untuk mencegah pekerja menjadi penangkal petir (mudah tersengat listrik) - gelang pergelangan tangan biasanya berada dalam kisaran 1 Mohm, tetapi itu masih memungkinkan pembuangan energi yang terakumulasi dengan cepat. Barang kapasitif dan insulatif bersama dengan bahan penghasil atau penyimpanan bahan lainnya diisolasi dari area kerja - hal-hal seperti polistirena, bungkus gelembung dan gelas plastik.

Ada material dan situasi lain yang tak terhitung jumlahnya yang dapat mengakibatkan kerusakan ESD (dari perbedaan muatan relatif positif dan negatif) ke perangkat di mana tubuh manusia sendiri tidak membawa muatan 'secara internal', itu hanya memudahkannya bergerak - kartun contoh level akan mengenakan sweater wol dan kaus kaki sambil berjalan melintasi karpet kemudian memilih menyentuh benda logam - yang menciptakan jumlah energi yang jauh lebih tinggi daripada yang bisa disimpan oleh tubuh itu sendiri.

Satu poin terakhir tentang betapa sedikit energi yang diperlukan untuk merusak elektronik modern: Ukuran fitur transistor 10 nm (belum umum, tetapi akan dalam beberapa tahun ke depan) memiliki ketebalan gerbang kurang dari 6 nm - yang semakin mendekati apa mereka menyebutnya 'monolayer' - satu lapisan atom.

Ini adalah area yang sangat rumit, dan jumlah kerusakan yang dapat disebabkan oleh peristiwa ESD pada perangkat sulit diprediksi karena banyaknya variabel, termasuk kecepatan pelepasan (berapa banyak resistensi antara muatan dan tanah), jumlah jalur ke tanah melalui perangkat, kelembaban dan suhu sekitar, dan banyak lagi. Semua variabel ini dapat dicolokkan ke berbagai persamaan yang memodelkan dampak, tetapi mereka belum terlalu akurat dalam memprediksi kerusakan aktual, tetapi lebih baik dalam membingkai kerusakan 'kemungkinan' dari suatu peristiwa.

Dalam banyak kasus - dan ini sangat spesifik industri (pikirkan medis atau kedirgantaraan), kegagalan katastropik yang menginduksi peristiwa ESD adalah hasil yang jauh lebih baik daripada peristiwa ESD yang berlalu tanpa disadari melalui pembuatan dan pengujian, tetapi sebaliknya menciptakan cacat yang sangat kecil, atau mungkin sedikit memperburuk cacat laten tidak terdeteksi yang sudah ada sebelumnya, yang dalam kedua skenario bisa menjadi lebih buruk dari waktu ke waktu baik karena peristiwa ESD 'minor' tambahan atau hanya penggunaan biasa, pada akhirnya mengakibatkan kegagalan perangkat dan bencana dini (alias kematian bayi) dalam kerangka waktu yang dipersingkat secara artifisial yang tidak diprediksi oleh model keandalan (yang merupakan dasar untuk jadwal perawatan / penggantian). Karena bahaya ini, dan mudah untuk memikirkan situasi yang mengerikan - mikroprosesor alat pacu jantung,

Sekarang dari konsumen yang tidak bekerja atau tahu banyak tentang manufaktur elektronik, hal itu mungkin tidak menjadi masalah - pada saat sebagian besar elektronik dikemas untuk dijual, ada banyak perlindungan di tempat yang akan mencegah sebagian besar kerusakan ESD - sensitif komponen secara fisik tidak dapat diakses dan jalur 'lebih mudah' ke ground tersedia, (misalnya sasis komputer terikat ke ground - melepaskan ESD ke dalamnya hampir pasti tidak akan merusak CPU di dalam kasing, tetapi sebaliknya mengambil jalur resistansi rendah ke tanah melalui catu daya dan daya dinding) atau sebagai alternatif tidak ada jalur arus yang masuk akal dimungkinkan - banyak telepon seluler memiliki eksterior non-konduktif dan hanya memiliki jalur tanah saat diisi daya.

Sebagai catatan, saya harus mengikuti pelatihan ESD setiap tiga bulan, jadi saya bisa terus berjalan. Tapi saya pikir ini sudah cukup untuk menjawab pertanyaan Anda. Saya percaya semuanya ini akurat, tetapi saya sangat menyarankan untuk membacanya secara langsung untuk lebih mengenal fenomena ini jika saya tidak menghancurkan keingintahuan Anda untuk selamanya.

Satu hal yang orang temukan berlawanan dengan intuisi adalah bahwa tas yang sering Anda lihat elektronik disimpan dan dikirim - tas anti-statis - juga konduktif. Anti-statis berarti bahwa bahan tersebut tidak akan mengumpulkan muatan yang berarti dari interaksi dengan bahan lain, tetapi di dunia ESD sama pentingnya bahwa, sejauh mungkin, semuanya memiliki referensi tegangan 'ground' yang sama, sehingga permukaan kerja (tikar ESD) ), tas ESD dan bahan-bahan lainnya semua biasanya disimpan diikat pada landasan bersama (baik dengan tidak memiliki bahan insulatif di antara mereka) atau lebih eksplisit dengan memasang jalur resistansi rendah ke tanah di antara semua bangku kerja, konektor untuk pergelangan tangan pekerja band, lantai, dan beberapa peralatan. Ada masalah keamanan di sini - jika Anda bekerja di sekitar bahan peledak dan elektronik tinggi, gelang Anda mungkin diikat langsung ke tanah daripada dengan resistor 1 Mohm. Jika Anda bekerja dengan voltase sangat tinggi, Anda tidak akan membumikan diri sama sekali.

Kutipan lain tentang biaya ESD dari Cisco - yang bahkan mungkin sedikit konservatif, karena kerusakan jaminan dari kegagalan lapangan untuk Cisco biasanya tidak mengakibatkan hilangnya nyawa, yang dapat meningkatkan 100x yang disebut oleh perintah besarnya:

Sungguh menakjubkan ketika Anda melihat biaya yang terkait dengan komponen yang rusak ESD. Biaya yang terkait dengan kegagalan tergantung pada kapan kerusakan ditemukan. Diperkirakan bahwa jika kerusakan ditemukan:

• Selama perakitan biaya adalah 1 kali biaya perakitan dan tenaga kerja.
• Selama pengujian biayanya 10 kali lipat biaya perakitan dan tenaga kerja.
• Di lokasi pelanggan biayanya 100 kali lipat dari biaya perakitan dan tenaga kerja

Saya tidak akan mencoba melakukan diskusi @ Argonauts tentang ESD :)
Saya ingin menambahkan sesuatu ke jawaban itu. @Argonauts menunjukkan bahwa ada perlindungan pada banyak / sebagian besar produk elektronik konsumen. Saya percaya jawaban atas pertanyaan Anda adalah bahwa perlindungan ini (dalam kebanyakan kasus) meningkat secara dramatis.

Sebagai contoh, Commodore 64 awal 1980-an saya memiliki dua konektor joystick yang berdekatan dengan saklar daya, keduanya terletak di sisi casing. Ini adalah konektor 9-pin "pria" ¹ , jadi kecuali Anda membungkuk ke kanan untuk menonton apa yang Anda lakukan, ada peluang yang relatif baik bahwa Anda akan menyikat pin konektor yang terbuka sambil merasakan saklar ... dan jika Anda menyentuh kombinasi pin yang tepat (dan tubuh / pakaian Anda memegang muatan) Anda akan memicu ESD ke jeroan mesin.

Selain itu, beberapa perangkat lunak memerlukan penggunaan port joystick tertentu ... yang berarti bahwa pada titik tertentu Anda mungkin akan meraba-raba untuk menarik joystick keluar dari port 1 dan memasukkannya ke port 2 (atau sebaliknya) . Sekali lagi, ada peluang yang cukup bagus Anda akan menyentuh salah satu dari dua port dan mungkin memicu ESD.

Hari ini, joystick Anda mungkin menggunakan konektor USB ("A"). Tetapi yang lebih penting, pin konektor USB tersembunyi di dalam casing, dan tidak mungkin disentuh, atau hampir seperti itu (setidaknya dengan jari).

Demikian pula, Commodore saya (dan komputer lain dari vintage IIRC serupa) memiliki antarmuka kartrid dengan pin yang terbuka dan rata dengan casing eksternal. Ini adalah kesempatan tidak hanya untuk ESD tetapi untuk akumulasi debu yang dapat mengganggu koneksi kartrid.

Tetapi pada saat (Nintendo) NES muncul di tempat kejadian, slot kartunya memiliki "pintu" penutup pegas.

ESD masih merupakan masalah (potensial) jika Anda bermain-main di dalam PC (atau konsol, atau apa pun). Tetapi beberapa dekade yang lalu itu relatif mudah untuk merusak sistem melalui ESD tanpa membukanya. Bahaya itu jauh dari faktor hanya karena elektronik dirancang dengan kemungkinan ESD dalam pikiran.

1. Antarmuka konektor ini sudah digunakan oleh konsol Atari 2600, jadi tersedia beragam perangkat keras pihak ketiga.