静電気による損傷は依然としてエレクトロニクスにとって大きな問題ですか？

私たち全員が、電子機器を取り扱う際に適切に接地されていることを確認するための警告を聞いたことがありますが、技術の進歩により静電気による損傷の問題は軽減されましたか。本日のSuperUser Q&Aの投稿には、興味を持った読者の質問に対する包括的な回答があります。.

本日の質疑応答セッションは、コミュニティ主導のQ&A Webサイトのグループである、Stack Exchangeの下位区分であるSuperUserの好意により提供されます。.

写真提供：Jared Tarbell（Flickr）.

質問

SuperUserの読者Rickuは、静電気による損傷がいまだにエレクトロニクスの大きな問題であるかどうかを知りたいのです。

私は、静電気が数十年前に大きな問題であると聞いたことがあります。今でもまだ大きな問題ですか？私は今、人がコンピュータコンポーネントを「フライ」することは稀であると考えています.

静電気による損傷はいまだにエレクトロニクスの大きな問題です?

答え

SuperUserの貢献者Argonautsが私たちに答えを持っています。

業界では、それは静電放電（ESD）と呼ばれ、今までよりもはるかに問題になっています。ただし、製品へのESD損傷の可能性を減らすのに役立つ、かなり最近広く普及しているポリシーと手順の採用によって、ある程度緩和されています。それにもかかわらず、それが電子産業に与える影響は他の多くの産業全体よりも大きい.

それはまた勉強の大きなトピックであり、非常に複雑です、それで私はちょうど少数の点に触れます。あなたが興味を持っているなら、主題に捧げられた多数の無料の情報源、材料、そしてウェブサイトがあります。多くの人々はこの分野に彼らのキャリアを捧げます。 ESDによって損傷を受けた製品は、それが製造業者、設計者、または「消費者」であるかどうかにかかわらず、電子機器に関わるすべての企業に非常に現実的かつ非常に大きな影響を与えます。米国.

ESD協会から：

デバイスとその機能のサイズが継続的に小さくなるにつれて、ESDによる損傷を受けやすくなります。これは少し考えた後で意味があります。電子部品の製造に使用される材料の機械的強度は、一般に熱的質量と呼ばれる急激な温度変化に耐える材料の能力と同様に、サイズが小さくなるにつれて低下します（マクロスケールのオブジェクトの場合と同様）。 2003年ごろ、最小加工寸法は180 nmの範囲でしたが、現在は10 nmに急速に近づいています。.

20年前に無害だったであろうESDイベントは、現代の電子機器を破壊する可能性があります。トランジスタでは、ゲート材料が犠牲になることがよくありますが、他の通電素子も同様に気化または溶融させることができます。 PCB上のICのピン（ボールグリッドアレイのような表面実装の同等品がはるかに一般的です）上のはんだは溶融することができ、シリコン自体は高熱によって変化することができるいくつかの重要な特性（特にその誘電率）を持っています。総合すると、それは回路を半導体から常時導体に変えることができます。そして、それはチップがパワーオンされるとき通常火花と悪臭で終わります.

より小さなフィーチャサイズは、ほとんどのメトリクスの観点から見てほぼ完全にポジティブです。サポート可能な動作/クロック速度、消費電力、密結合発熱などのようなものですが、そうでなければごくわずかな量のエネルギーと考えられるものからの損傷に対する感度も、機能サイズが小さくなるにつれて大幅に増加します.

今日の多くの電子機器にはESD保護が組み込まれていますが、集積回路内に5000億個のトランジスタがある場合、静電気放電がどの経路をたどるのかを100％確実に判断することは扱いにくい問題ではありません.

人体は、100〜250ピコファラッドの静電容量を持つものとしてモデル化されることがあります（Human Body Model; HBM）。そのモデルでは、電圧は25kVに達することがあります（ソースによって異なります）（ただし、3kVしかないと主張する人もいます）。より大きな数を使用すると、人はおよそ150ミリジュールのエネルギー「電荷」を持つことになります。完全に「充電された」人は通常それを意識していないでしょう、そしてそれは最初の利用可能な接地経路を通してほんの一瞬で放電されます、しばしば電子機器.

これらの数字は、その人が追加料金を負担することができる服を着ていないと仮定していることに注意してください。これは通常そうです。 ESDリスクとエネルギーレベルを計算するためのモデルはいくつかありますが、場合によっては互いに矛盾するように見えるため、かなり混乱します。これは多くの標準とモデルに関する優れた議論へのリンクです。.

それを計算するために使用される特定の方法に関係なく、それはそうではなく、確かに多くのエネルギーのように聞こえませんが、それは現代のトランジスタを破壊するのに十分すぎるほどです。文脈上、1ジュールのエネルギーは地球の表面から垂直に1メートル中サイズのトマト（100グラム）を持ち上げるのに必要なエネルギーと（ウィキペディアによると）同等です.

これは、人間だけが電荷を運んでおり、それを敏感なデバイスに放電するという、人間のみのESDイベントの「最悪のシナリオ」の側面に当てはまります。比較的少ない電荷量から高い電圧は、人の接地が非常に悪いときに発生します。損傷の程度と程度に関する重要な要素は、実際には電荷や電圧ではなく、電流です。この状況では、電子デバイスのグランドへの経路の抵抗がどれほど低いかと考えることができます。.

電子機器の周囲で作業する人々は通常、リストストラップおよび/または両足をアースするためのストラップで接地されています。それらは接地のための「ショート」ではありません。抵抗は、作業者が避雷針の役目を果たすのを防ぐために大きさが決まっています（感電の恐れがあります）。リストバンドは通常1MΩの範囲ですが、それでも累積されたエネルギーを素早く放電することができます。他の電荷発生または貯蔵材料とともに容量性および絶縁性のアイテムは、作業領域、ポリスチレン、プチプチ、およびプラスチックカップのようなものから隔離されています。.

人体自体が電荷を「内部的に」運んでいないがその動きを容易にするデバイスに（正と負の両方の相対電荷差による）ESD損傷をもたらす可能性のある文字通り無数の他の材料および状況があります。漫画レベルの例としては、カーペットを横切って歩いている間にウールのセーターと靴下を履いてから、金属製のものを手に取ったり触ったりします。それは体自体が蓄えることができるよりもかなり多量のエネルギーを生み出します.

現代の電子機器にダメージを与えるのにどれほどのエネルギーしか必要としないかについての最後のポイント。 10 nmトランジスタ（まだ一般的ではないが、今後数年以内に登場する）は6 nm未満のゲート厚を持ち、単層（単原子層）と呼ばれるものに近づいている。.

これは非常に複雑な問題であり、放電速度（電荷とアースの間の抵抗の大きさ）を含む膨大な数の変数により、ESDイベントがデバイスに与える可能性のある損傷の量を予測するのは困難です。つまり、デバイスを通るグランドへのパス数、湿度、周囲温度などです。これらの変数はすべて、影響をモデル化できるさまざまな式に代入できますが、実際の損害を予測するのにはそれほど正確ではありませんが、イベントから発生する可能性のある損害を特定するのには優れています。.

多くの場合、これは非常に業界固有のものであり（医療用または航空宇宙用と考える）、ESDによる壊滅的な故障イベントは、製造およびテストを通らずに気づかれないESDイベントよりはるかに優れた結果です。気付かれていないESDイベントは、非常に軽微な欠陥、または既存の未検出の潜在的な欠陥を多少悪化させる可能性があります。どちらのシナリオでも、追加の軽微なESDイベントまたは通常の使用によって悪化します。.

それらは最終的には信頼性モデル（これは保守および交換スケジュールの基礎である）によって予測することができない人為的に短縮された時間枠内で装置の壊滅的かつ時期尚早の故障をもたらす。この危険性のため、そして恐ろしい状況（例えばペースメーカーのマイクロプロセッサや飛行制御機器）を考えるのは簡単です、潜在的なESD誘発欠陥をテストしモデル化する方法を考え出すことは今の研究の主要分野です.

電子機器の製造に携わっていない、またはそれをあまり知らない消費者にとっては、それは問題にはならないかもしれません。ほとんどの電子機器が販売用にパッケージされるまでには、ほとんどのESDによる損傷を防ぐための安全対策が数多く整っています。敏感な部品には物理的にアクセスできない、アースへのより便利な経路があります（つまり、コンピュータシャーシをアースに接続し、ESDを放電させてケース内のCPUに損傷を与えることはほとんどありません）。電源および壁コンセント電源を介して接地します。あるいは、合理的な電流搬送経路は不可能である。多くの携帯電話は、非導電性の外装を持ち、充電時にはグランドパスしかありません。.

記録のために、私は3ヶ月ごとにESDトレーニングを受けなければなりません、それで私は続けることができました。しかし、私はあなたの質問に答えるのにこれで十分であるべきだと思います。私はこの答えのすべてが正確であると信じています、しかし、私があなたの好奇心を破壊していないのであれば、この現象をもっとよく知るためにそれを直接読むことを強く勧めます。.

直感に反すると感じることの1つは、電子機器の保管や出荷によく使用されるバッグ（帯電防止バッグ）も導電性があることです。帯電防止とは、その物質が他の物質と相互作用することから意味のある電荷を集めることがないことを意味します。しかし、ESDの世界では、すべてが同じグランド電圧リファレンスを持つことも（可能な限り）同様に重要です。.

作業面（ESDマット）、ESDバッグ、およびその他の材料は、通常、単にそれらの間に絶縁材料を配置しないことによって、またはより明確にはすべての作業台の間でグランドに低抵抗パスを配線することによって共通グランドに接続します。作業者のリストバンド、床、およびいくつかの機器用のコネクタ。ここに安全上の問題があります。高爆発物や電子機器の周囲で作業する場合は、リストバンドが1MΩの抵抗ではなく直接アースに接続されている可能性があります。あなたが非常に高い電圧のまわりで働くならば、あなたはあなた自身をまったく接地しないでしょう.

これはシスコからのESDのコストについての見積もりです、シスコのためのフィールド障害による付随的な損傷は通常命の喪失をもたらさないので、それは少し保守的かもしれません。 ：

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