Nous avons tous entendu les avertissements pour nous assurer que nous sommes correctement mis à la terre lorsque nous travaillons sur nos appareils électroniques, mais les progrès technologiques ont-ils atténué le problème des dommages causés par l’électricité statique ou sont-ils toujours aussi répandus qu’avant? Le post de questions-réponses des super-utilisateurs d’aujourd’hui contient une réponse complète à la question d’un lecteur curieux.
Le lecteur SuperUser Ricku veut savoir si les dommages causés par l’électricité statique sont toujours un énorme problème avec l’électronique maintenant:
Dans l’industrie, on parle de décharge électrostatique (ESD) et c’est bien plus un problème aujourd’hui qu’il ne l’a jamais été; bien qu’elle ait été quelque peu atténuée par l’adoption assez récente et généralisée de politiques et de procédures qui contribuent 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 celui de nombreuses autres industries entières.
C’est aussi un sujet d’étude énorme et très complexe, je vais donc simplement aborder quelques points. Si vous êtes intéressé, il existe de nombreuses sources, documents et sites Web gratuits dédiés au sujet. De nombreuses personnes 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 répercutés sur nous.
De l’Association ESD:
Au fur et à mesure que les appareils 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 pour construire l’électronique diminue généralement à mesure que leur taille diminue, tout comme la capacité du matériau à résister aux changements de température rapides, généralement appelée masse thermique (tout comme dans les objets à grande échelle). Vers 2003, les plus petites tailles d’entités se situaient dans la plage de 180 nm et maintenant nous approchons rapidement 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. 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 PCB peut être fondu, et le silicium lui-même a certaines caractéristiques critiques (en particulier sa valeur diélectrique) qui peuvent être modifiées par une chaleur élevée. . Pris dans son ensemble, il peut changer le circuit d’un semi-conducteur à un toujours conducteur, ce qui se termine généralement par une étincelle et une mauvaise odeur lorsque la puce est sous tension.
De plus petites tailles d’entités sont presque entièrement positives du point de vue de la plupart des métriques; des choses comme les vitesses de fonctionnement / d’horloge qui peuvent être prises en charge, la consommation d’énergie, la génération de chaleur étroitement couplée, etc., mais la sensibilité aux dommages causés par ce qui serait autrement considéré comme des quantités d’énergie insignifiantes augmente également considérablement à mesure que la taille de la fonction diminue.
La protection ESD est intégrée dans de nombreux appareils électroniques aujourd’hui, mais si vous avez 500 milliards de transistors dans un circuit intégré, il n’est pas facile de déterminer le chemin qu’une décharge statique prendra avec une certitude à 100%.
Le corps humain est parfois modélisé (Human Body Model; HBM) comme ayant 100 à 250 picofarads de capacité. Dans ce modèle, la tension peut atteindre 25 kV (selon la source) (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 serait généralement pas consciente et elle est déchargée 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 vêtements pouvant supporter des frais supplémentaires, ce qui est normalement le cas. Il y a différents modèles pour calculer le risque ESD et les niveaux d’énergie, et cela devient assez déroutant très rapidement car ils semblent se contredire dans certains cas. Voici un lien vers un excellente discussion de nombreuses normes et modèles.
Quelle que soit la méthode spécifique utilisée pour le calculer, ce n’est pas et ne sonne certainement pas comme beaucoup d’énergie, mais c’est plus que suffisant pour détruire un transistor moderne. Pour le contexte, un joule d’énergie équivaut (selon Wikipedia) à l’énergie nécessaire pour soulever une tomate de taille moyenne (100 grammes) à un mètre verticalement de la surface de la Terre.
Cela tombe du côté du «pire scénario» d’un événement ESD uniquement humain, où l’homme porte une charge et la décharge dans un appareil sensible. Une tension aussi élevée à partir d’une quantité de charge relativement faible se produit lorsque la personne est très mal mise à la terre. Un facteur clé dans ce qui et dans quelle mesure 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 vers une terre.
Les personnes travaillant autour de l’électronique sont généralement reliées à la terre avec des bracelets et / ou des courroies de mise à la terre sur leurs pieds. Ce ne sont pas des «shorts» pour la mise à la terre; la résistance est dimensionnée pour empêcher les ouvriers de servir de paratonnerres (facilement électrocutés). Les bracelets sont généralement de l’ordre de 1M Ohm, mais cela permet toujours de décharger rapidement toute énergie accumulée. Les articles capacitifs et isolés ainsi que tout autre matériel générant ou stockant des charges sont isolés des zones de travail, comme le polystyrène, le papier bulle et les gobelets en plastique.
Il existe littéralement d’innombrables autres matériaux et situations qui peuvent entraîner des dommages ESD (à la fois des différences de charge relatives positives et négatives) à un appareil où le corps humain lui-même ne porte pas la charge «en interne», mais facilite simplement son mouvement. Un exemple 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 celle 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 courant, mais ce sera dans les prochaines années) a une épaisseur de grille inférieure à 6 nm, ce qui se rapproche de ce qu’ils appellent 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 appareil 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 une terre) , le nombre de chemins vers un sol à travers l’appareil, l’humidité et les températures ambiantes, et bien d’autres. Toutes ces variables peuvent être connectées à diverses équations qui peuvent modéliser l’impact, mais elles ne sont pas encore très précises pour prédire les dommages réels, mais mieux pour cadrer les dommages possibles d’un événement.
Dans de nombreux cas, et cela est très spécifique à l’industrie (pensez à la médecine ou à l’aérospatiale), un événement de défaillance catastrophique induit par ESD est un bien meilleur résultat qu’un événement ESD qui passe inaperçu lors de la fabrication et des tests. Des événements ESD non détectés peuvent créer un défaut très mineur, ou peut-être aggraver légèrement 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 simplement d’une utilisation régulière.
Ils aboutissent finalement à une défaillance catastrophique et prématurée de l’appareil dans un délai artificiellement raccourci qui ne peut être prédit par les modèles de fiabilité (qui sont à la base des calendriers 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), trouver des moyens de tester et de modéliser les défauts latents induits par les ESD est un domaine de recherche majeur à l’heure actuelle.
Pour un consommateur qui ne travaille pas ou en sait peu sur la fabrication électronique, cela peut ne pas sembler être un problème. Au moment où la plupart des appareils électroniques sont emballés pour la vente, de nombreuses mesures de protection sont en place pour éviter la plupart des dommages ESD. Les composants sensibles sont physiquement inaccessibles et des chemins plus pratiques vers une terre sont disponibles (c’est-à-dire qu’un châssis d’ordinateur est lié à une terre, le déchargement d’ESD dans celui-ci n’endommagera presque certainement pas le processeur à l’intérieur du boîtier, mais prendra plutôt le chemin de résistance le plus bas vers un mise à la terre via l’alimentation électrique et la prise murale). En variante, aucun chemin de transport de courant raisonnable n’est possible; de nombreux téléphones portables ont des extérieurs non conducteurs et n’ont qu’un chemin de terre 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 suffire à répondre à votre question. Je crois que tout dans cette réponse est exact, mais je vous conseillerais fortement de lire directement dessus 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 dans lesquels vous voyez fréquemment des appareils électroniques stockés et expédiés (sacs antistatiques) sont également conducteurs. Anti-statique signifie que le matériau ne collectera aucune charge significative en interagissant avec d’autres matériaux. Mais dans le monde ESD, il est tout aussi important (dans la meilleure mesure possible) que tout ait la même référence de tension de terre.
Les surfaces de travail (tapis ESD), les sacs ESD et autres matériaux sont généralement maintenus attachés à une terre commune, soit simplement en ne disposant pas de matériau isolé entre eux, soit plus explicitement en câblant des chemins à faible résistance à une terre 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 brisants et d’électronique, votre bracelet peut être directement lié à une terre plutôt qu’à une résistance de 1 M Ohm. Si vous travaillez avec une tension très élevée, vous ne vous mettrez pas du tout à la terre.
Voici une citation sur les coûts de l’ESD de Cisco, qui pourrait même être un peu prudente, car les dommages collatéraux causés par des défaillances sur le terrain pour Cisco n’entraînent généralement pas la perte de vie, ce qui peut augmenter ce 100 fois par ordre de grandeur. :
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