静電気による損傷は依然として電子機器にとって大きな問題ですか?

電子機器を扱うときに必ず適切に接地するようにという警告は誰もが聞いたことがあると思いますが、技術の進歩により静電気による損傷の問題は軽減されたのでしょうか、それとも以前と同じように蔓延しているのでしょうか?今日の SuperUser Q&A 投稿には、好奇心旺盛な読者の質問に対する包括的な回答が記載されています。

今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 の下位部門である SuperUser のご好意で提供されました。

写真提供： Jared Tarbell (Flickr)

質問

SuperUser 読者の Ricku さんは、静電気による損傷が今でも電子機器にとって大きな問題であるかどうか知りたいと考えています。

数十年前、静電気が大きな問題になっていたと聞いたことがあります。それは今でも大きな問題ですか？今ではコンピューターのコンポーネントを「揚げる」人は珍しいと思います。

静電気による損傷は今でも電子機器にとって大きな問題ですか?

答え

SuperUser の寄稿者 Argonauts が私たちに答えてくれました:

業界では、これは静電気放電 (ESD) と呼ばれており、現在ではこれまでよりもはるかに大きな問題となっています。ただし、製品への ESD 損傷の可能性を下げるのに役立つポリシーと手順が最近広く採用されたことにより、多少は緩和されました。いずれにしても、エレクトロニクス業界への影響は他の多くの業界全体よりも大きいです。

これは非常に大きな研究テーマでもあり、非常に複雑なので、いくつかの点についてのみ触れておきます。ご興味があれば、このテーマに特化した無料のソース、資料、Web サイトが多数あります。多くの人が自分のキャリアをこの分野に捧げています。 ESD によって損傷した製品は、メーカー、設計者、「消費者」を問わず、エレクトロニクス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及ぼし、業界で扱われる多くの事柄と同様に、そのコストは次の企業に転嫁されます。私たち。

ESD協会より:

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。これは少し考えれば当然のことです。一般に、エレクトロニクスの構築に使用される材料の機械的強度は、サイズが小さくなるにつれて低下します。また、(マクロスケールの物体と同様に) 熱質量と呼ばれる、急速な温度変化に耐える材料の能力も低下します。 2003 年頃、最小のフィーチャサイズは 180 nm の範囲にありましたが、現在では急速に 10 nm に近づいています。

20 年前には無害だった ESD 現象は、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、電流を流す他の要素も同様に蒸発または溶解する可能性があります。 PCB 上の IC のピン (最近では、ボールグリッドアレイのような表面実装に相当するものがはるかに一般的です) のはんだは溶ける可能性があり、シリコン自体には高熱によって変化する可能性のあるいくつかの重要な特性 (特に誘電率) があります。。総合すると、回路を半導体から常時導体に変えることができますが、通常はチップの電源を入れると火花が発生し、悪臭が発生します。

特徴サイズが小さいことは、ほとんどのメトリクスの観点からほぼ完全にプラスです。これには、サポート可能な動作速度やクロック速度、消費電力、密結合した発熱などが含まれますが、機能サイズが小さくなるにつれて、取るに足らない量のエネルギーによる損傷に対する感度も大幅に増加します。

今日、ESD 保護は多くの電子機器に組み込まれていますが、集積回路内に 5,000 億個のトランジスタがある場合、静電気の放電がどのような経路をたどるのかを 100% の確実性を持って判断することは、扱いやす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ようにモデル化されることがあります (人体モデル、HBM)。このモデルでは、電圧は (電源によって異なりますが) 25 kV まで高くなります (ただし、3 kV までしか高くないと主張する人もいます)。より大きな数字を使用すると、その人は約 150 ミリジュールのエネルギー「チャージ」を持つことになります。完全に「充電」されている人は通常、そのことに気づかず、最初に利用可能な接地経路 (多くの場合は電子機器) を介して数分の 1 秒で放電されます。

これらの数値は、通常はそうなるが、追加料金がかかる可能性のある衣服を着ていないことを前提としていることに注意してください。 ESD リスクとエネルギーレベルを計算するにはさまざまなモデルがあり、場合によっては互いに矛盾するように見えるため、すぐにかなり混乱してしまいます。ここに、多くの標準とモデルに関する優れた議論へのリンクがあります。

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、それはそれほど多くのエネルギーではなく、確かにそれほど多くのエネルギーのようには聞こえませんが、現代のトランジスタを破壊するには十分以上です。ちなみに、1 ジュールのエネルギーは (Wikipedia によると)、中型のトマト (100 グラム) を地表から垂直に 1 メートル持ち上げるのに必要なエネルギーに相当します。

これは、人間だけの ESD イベントの「最悪のシナリオ」側に当てはまります。人間が帯電しており、それを影響を受けやすいデバイスに放電するというものです。接地が非常に不十分な場合、比較的低い電荷量からこれほど高い電圧が発生します。何がどの程度損傷するかについての重要な要素は、実際には電荷や電圧ではなく、電流です。この文脈では、電流は電子デバイスのアースまでの経路の抵抗がどれだけ低いかとして考えることができます。

電子機器の周りで作業する人は通常、リストストラップや足に接地ストラップを付けて接地しています。これらは接地のための「ショート」ではありません。抵抗は、作業員が避雷針として機能する（感電しやすい）ことを防ぐ大きさに設定されています。リストバンドは通常 1M オームの範囲にありますが、それでも蓄積されたエネルギーを迅速に放出することができます。容量性および絶縁されたアイテムは、その他の電荷発生または蓄積材料とともに、ポリスチレン、気泡緩衝材、プラスチックカップなどの作業領域から隔離されます。

文字通り、人体自体が「内部」に電荷を帯びておらず、その動きを促進しているだけであるデバイスに対して (正と負の相対電荷差による) ESD 損傷を引き起こす可能性のある材料や状況は他にも無数にあります。漫画レベルの例では、ウールのセーターと靴下を着てカーペットの上を歩き、金属製の物体を拾ったり触ったりする場合があります。これにより、体自体が貯蔵できる量を大幅に上回るエネルギーが生成されます。

最後に、現代の電子機器を損傷するのに必要なエネルギーがいかに少ないかについて説明します。 10 nm トランジスタ (まだ一般的ではありませんが、今後数年で普及するでしょう) のゲート厚は 6 nm 未満であり、いわゆるモノレイヤー (原子の単一層) に近づきつつあります。

これは非常に複雑な問題であり、ESD イベントがデバイスに引き起こす可能性のある損傷の量は、放電速度 (充電とアースの間にどれだけの抵抗があるか) を含む膨大な数の変数があるため、予測するのが困難です。、デバイスを通る地面への経路の数、湿度と周囲温度など。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方程式に組み込むことができますが、実際の損害を予測することに関してはまだそれほど正確ではありませんが、イベントによって起こり得る損害を枠組み化することには優れています。

多くの場合、これは非常に業界に特有のものですが (医療や航空宇宙を考えてください)、ESD によって引き起こされる壊滅的な故障イベントは、気付かれずに製造やテストを通過する ESD イベントよりもはるかに良い結果になります。気付かれない ESD イベントは、非常に軽微な欠陥を引き起こす可能性があり、あるいは既存の未検出の潜在的な欠陥をわずかに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 イベントまたは単に通常の使用により、時間の経過とともに悪化する可能性があります。

これらは最終的に、人為的に短縮された時間枠でデバイスの壊滅的かつ早期の故障を引き起こしますが、信頼性モデル (メンテナンスおよび交換スケジュールの基礎となる) では予測できません。この危険性と、恐ろしい状況 (ペースメーカーのマイクロプロセッサや飛行制御機器など) が容易に考えられるため、ESD による潜在的な欠陥をテストしてモデル化する方法を考案することが、現在主要な研究分野となっています。

電子機器製造に携わっていない、または電子機器製造についてあまり知らない消費者にとっては、これは問題ではないように思えるかもしれません。ほとんどの電子機器が販売用にパッケージ化されるまでに、ほとんどの ESD 損傷を防ぐための多数の安全装置が設置されています。敏感なコンポーネントには物理的にアクセスできず、アースへのより便利な経路が利用可能です (つまり、コンピューターのシャーシがアースに接続されているため、そこに ESD が放電しても、ほぼ確実にケース内の CPU が損傷することはありませんが、その代わりに、最も抵抗の低い経路でアースに接続されます)。電源と壁のコンセント電源を介して接地されます）。あるいは、合理的な電流伝達経路が存在しません。多くの携帯電話の外装は非導電性であり、充電時にのみ接地経路が存在します。

ちなみに、私は 3 か月ごとに ESD トレーニングを受けなければならないので、そのまま続けることができました。しかし、あなたの質問に答えるにはこれで十分だと思います。私はこの回答のすべてが正確であると信じていますが、私があなたの好奇心を永久に破壊しないのであれば、現象をより深く知るために直接読んでいただくことを強くお勧めします。

直観に反すると思われることの 1 つは、電子機器を保管したり輸送したりする際によく見かけるバッグ (静電気防止バッグ) も導電性であることです。帯電防止とは、その材料が他の材料との相互作用によって意味のある電荷を収集しないことを意味します。しかし、ESD の世界では、すべてのものの接地電圧基準が同じであることが (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がないことによって、またはより明示的にすべての作業台間のグランドに低抵抗パスを配線することによって、すべて共通のグランドに接続されたままになります。作業者のリストバンド、床、および一部の機器のコネクタ。ここには安全上の問題があります。高性能爆発物や電子機器を扱う場合、リストバンドは 1M オームの抵抗器ではなく、直接アースに接続される可能性があります。非常に高い電圧を扱う場合は、アースをまったくとらないことになります。

シスコの ESD コストの見積もりは次のとおりです。シスコのフィールド障害による付随的損害は、通常、人命の損失をもたらさないため、これは少し保守的でさえあるかもしれません。これにより、その 100 倍のコストが桁違いに上昇する可能性があります。 :