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

Nous avons tous entendu les avertissements de nous assurer que nous travaillons correctement sur nos appareils électroniques, mais les progrès de la technologie ont-ils atténué le problème des dommages causés par l'électricité statique ou est-il toujours aussi répandu qu'auparavant? Aujourd'hui, le message Q & R de SuperUser a une réponse complète à la question d'un lecteur curieux.

La séance de questions et réponses d'aujourd'hui nous est offerte par SuperUser, une sous-division de Stack Exchange, un groupe de sites Web de questions-réponses dirigé par la communauté..

Photo gracieuseté de Jared Tarbell (Flickr).

La question

Le lecteur de SuperUser, Ricku, veut savoir si les dégâts causés par l'électricité statique sont toujours un gros problème avec l'électronique:

J'ai entendu dire que l'électricité statique était un gros problème il y a deux décennies. Est-ce toujours un gros problème maintenant? Je crois qu’il est rare qu’une personne «frire» un composant informatique maintenant.

Les dégâts causés par l'électricité statique sont-ils toujours un gros problème avec l'électronique??

La réponse

Le contributeur de SuperUser, Argonauts, a la solution pour nous:

Dans l'industrie, on parle de décharge électrostatique (ESD) et le problème est beaucoup plus grave qu'il ne l'a jamais été; bien qu’elle ait été quelque peu atténuée par l’adoption relativement récente et généralisée de politiques et de procédures permettant de réduire les risques de dommages causés par les produits électrostatiques aux décharges électrostatiques. Quoi qu’il en soit, son impact sur l’industrie électronique est plus important que celui de nombreuses autres industries..

C'est aussi un sujet d'étude très complexe et très complexe, je vais donc aborder quelques points. Si vous êtes intéressé, il existe de nombreuses sources gratuites, matériels et sites Web consacrés à ce sujet. Beaucoup de gens consacrent leur carrière à ce domaine. Les produits endommagés par les décharges électrostatiques ont un impact très réel et très important sur toutes les entreprises du secteur de l’électronique, qu’il s’agisse de fabricant, de concepteur ou de «consommateur», et comme beaucoup de choses traitées dans une industrie, ses coûts sont répercutés sur nous.

De l'association ESD:

À mesure que les dispositifs et la taille de leurs fonctionnalités deviennent de plus en plus petits, 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 dans la construction des composants électroniques diminue généralement à mesure que leur taille diminue, de même que la capacité du matériau à résister aux changements rapides de température, généralement appelé masse thermique (comme dans les objets à l'échelle macro). Vers 2003, les plus petites tailles d’entités se situaient autour de 180 nm et nous approchons maintenant rapidement de 10 nm..

Un événement ESD qui aurait été inoffensif il y a 20 ans pourrait potentiellement détruire les appareils électroniques modernes. Sur les transistors, le matériau de grille est souvent la victime, mais d'autres éléments porteurs de courant peuvent également être vaporisés ou fondus. La soudure sur les broches d'un circuit intégré (un équivalent de montage en surface comme un Ball Grid Array est beaucoup plus courant de nos jours) sur un circuit imprimé peut être fondue, et le silicium lui-même présente certaines caractéristiques critiques (notamment sa valeur diélectrique) qui peuvent être modifiées par une chaleur intense . Pris dans son ensemble, il peut changer le circuit d'un semi-conducteur à un toujours conducteur, qui se termine généralement par une étincelle et une mauvaise odeur lorsque la puce est sous tension.

Les tailles de fonctionnalités plus petites sont presque entièrement positives du point de vue de la plupart des indicateurs; 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 causés par ce qui serait autrement considéré comme de petites quantités d'énergie augmente également considérablement lorsque la taille de la fonctionnalité diminue.

La protection ESD est intégrée à de nombreux composants électroniques aujourd'hui, mais si vous avez 500 milliards de transistors dans un circuit intégré, il n’est pas difficile de déterminer quel chemin une décharge statique prendra avec une certitude absolue..

Le corps humain est parfois modélisé (Modèle du corps humain; HBM) avec une capacité de 100 à 250 picofarads. Dans ce modèle, la tension peut atteindre (selon la source) jusqu'à 25 kV (bien que certains ne réclament que 3 kV). En utilisant les grands nombres, la personne aurait une «charge» d’énergie d’environ 150 millijoules. En règle générale, une personne entièrement «chargée» n'en est pas consciente et se décharge en une fraction de seconde par le premier chemin de terre disponible, souvent un dispositif électronique..

Notez que ces chiffres supposent que la personne ne porte pas de vêtement capable de porter des frais supplémentaires, ce qui est normalement le cas. Il existe différents modèles de calcul du risque ESD et des niveaux d'énergie, et cela devient assez rapidement déroutant, car ils semblent se contredire dans certains cas. Voici un lien vers une excellente discussion sur de nombreux standards et modèles.

Indépendamment de la méthode spécifique utilisée pour le calculer, ce n'est pas et ne sonne certainement pas beaucoup d'énergie, mais c'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 une tomate de taille moyenne (100 grammes) à un mètre de la surface du globe..

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

Les personnes travaillant autour de l'électronique sont généralement mises à la terre avec des sangles de poignet et / ou des pieds à la terre. Ce ne sont pas des «shorts» pour la mise à la terre; la résistance est dimensionnée pour empêcher les travailleurs de servir de paratonnerres (facilement électrocutés). Les serre-poignets sont généralement dans la gamme 1M Ohm, mais cela permet tout de même de décharger rapidement toute énergie accumulée. Les articles capacitifs et isolés ainsi que tout autre matériau générateur de charge ou de stockage sont isolés des zones de travail, comme le polystyrène, le film à bulles et les gobelets en plastique..

Il existe littéralement d'innombrables autres matériaux et situations pouvant entraîner des dommages ESD (dus à des différences de charge relative tant positives que négatives) à un dispositif où le corps humain lui-même ne porte pas la charge «en interne», mais facilite simplement son mouvement. Un exemple de niveau de dessin animé serait de porter un pull en laine et des chaussettes en marchant sur un tapis, puis en ramassant ou en touchant un objet en métal. Cela crée une quantité d'énergie nettement supérieure à ce que le corps lui-même pourrait stocker.

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

C’est un sujet très compliqué et il est difficile de prévoir le nombre de dommages qu’un événement de décharge électrostatique peut causer à un appareil en raison du grand nombre de variables, notamment la vitesse de décharge (le degré de résistance entre la charge et la terre). , le nombre de chemins menant au sol à travers l’appareil, l’humidité et la température ambiante, etc. Toutes ces variables peuvent être intégrées à diverses équations permettant de modéliser l'impact, mais elles ne permettent pas encore de prédire avec précision les dégâts réels, mais sont plus efficaces pour encadrer les dommages éventuels d'un événement..

Dans de nombreux cas, et cela est très spécifique à l’industrie (pensez médical ou aérospatial), une défaillance catastrophique induite par une décharge électrostatique (ESD) est un bien meilleur résultat qu'un événement de décharge électrostatique qui passe par une fabrication et des tests inaperçus. Les événements ESD non remarqués peuvent créer un défaut très mineur, voire 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 supplémentaires ou d'un usage normal..

Ils entraînent finalement une défaillance catastrophique et prématurée du périphérique dans un délai artificiellement raccourci qui ne peut être prédit par des modèles de fiabilité (qui sont à la base des programmes de maintenance et de remplacement). En raison de ce danger, et il est facile de penser à des situations terribles (microprocesseur d'un stimulateur cardiaque ou instruments de contrôle de vol, par exemple), la recherche de moyens de tester et de modéliser les défauts latents induits par une décharge électrostatique 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 peut ne pas sembler être un problème. Au moment où la plupart des produits électroniques sont emballés pour la vente, de nombreuses mesures de protection en place permettraient d'éviter la plupart des dommages causés par les décharges électrostatiques. Les composants sensibles sont physiquement inaccessibles et des chemins plus pratiques sont disponibles (c’est-à-dire qu’un châssis d’ordinateur est lié à un sol, le déchargement de décharges électrostatiques dans celui-ci n'endommagera certainement pas le processeur dans le boîtier, mais utilisera le chemin de résistance le plus bas pour un la terre via l'alimentation et la prise murale). Alternativement, aucun chemin de transport de courant raisonnable n'est possible; de nombreux téléphones mobiles ont des extérieurs non conducteurs et ne sont reliés à la terre que lorsqu'ils sont chargés.

Pour mémoire, je dois suivre une formation ESD tous les trois mois pour pouvoir continuer. Mais je pense que cela devrait être suffisant pour répondre à votre question. Je crois que tout dans cette réponse est exact, mais je vous conseillerais vivement de la 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, c’est que les sacs que vous voyez fréquemment dans les appareils électroniques stockés et expédiés (sacs antistatiques) sont également conducteurs. Anti-statique signifie que le matériau ne collectera aucune charge significative d'interaction avec d'autres matériaux. Mais dans le monde de l'ESD, il est tout aussi important (dans la mesure du possible) que tout ait la même référence de tension à la terre.

Les surfaces de travail (tapis antistatiques), les sacs antistatiques et autres matériaux sont généralement maintenus attachés à un sol commun, soit simplement en ne disposant pas de matériau isolé entre eux, soit de manière plus explicite en connectant des chemins à faible résistance à la terre entre tous les établis; les connecteurs pour les poignets des travailleurs, le sol et certains équipements. Il y a des problèmes de sécurité ici. Si vous travaillez avec des explosifs et des composants électroniques puissants, votre bracelet peut être attaché directement à la terre plutôt qu’à une résistance de 1M Ohm. Si vous travaillez à très haute tension, vous ne pourrez pas vous mettre à la terre..

Voici une citation sur les coûts de l'ESD de Cisco, qui pourrait même être un peu conservatrice, car les dommages collatéraux causés par les défaillances sur le terrain de Cisco n'entraînent généralement pas de pertes de vies humaines, ce qui peut multiplier par 100 les pertes de temps. :

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