Ist statischer Elektrizität Schaden immer noch ein großes Problem mit der Elektronik?

Alle von uns haben die Warnungen gehört, um sicherzustellen, dass wir bei der Arbeit an unseren elektronischen Geräten ordnungsgemäß geerdet sind, aber Fortschritte in der Technologie haben das Problem der Beschädigung durch statische Elektrizität verringert oder ist es immer noch so vorherrschend wie zuvor? Der heutige SuperUser F & A Beitrag hat eine umfassende Antwort auf die Frage eines neugierigen Lesers.

Heutige Frage &Die Antwortsitzung kommt dank SuperUser, einer Unterteilung von Stack Exchange, einer Community-gesteuerten Gruppierung von Q & A-Websites, zu uns.

Foto mit freundlicher Genehmigung von Jared Tarbell( Flickr).

Die Frage

SuperUser Leser Ricku möchte wissen, ob statische Elektrizität noch ein großes Problem für die Elektronik ist:

Ich habe gehört, dass statische Elektrizität vor ein paar Jahrzehnten ein großes Problem war. Ist das jetzt noch ein großes Problem? Ich glaube, dass es für eine Person selten ist, jetzt eine Computerkomponente zu "frittieren".

Ist der statische Elektrizitätsschaden immer noch ein großes Problem mit der Elektronik?

Der Antwort-

SuperUser-Mitwirkender Argonauts hat die Antwort für uns:

In der Industrie wird es als elektrostatische Entladung( Electro-Static Discharge, ESD) bezeichnet und ist heute weit mehr ein Problem als je zuvor;Dies wurde jedoch durch die in jüngster Zeit weit verbreitete Annahme von Richtlinien und Verfahren, die dazu beitragen, die Wahrscheinlichkeit von ESD-Schäden an Produkten zu verringern, etwas gemildert. Unabhängig davon sind die Auswirkungen auf die Elektronikindustrie größer als in vielen anderen Industriezweigen.

Es ist auch ein großes Studienthema und sehr komplex, deshalb werde ich nur ein paar Punkte ansprechen. Wenn Sie interessiert sind, gibt es zahlreiche kostenlose Quellen, Materialien und Websites, die dem Thema gewidmet sind. Viele Menschen widmen ihre Karriere diesem Bereich. Produkte, die durch ESD beschädigt werden, haben einen sehr realen und sehr großen Einfluss auf alle Unternehmen, die mit Elektronik zu tun haben, sei es als Hersteller, Designer oder "Konsument", und wie viele Dinge in einer Industrie werden ihre Kosten weitergegebenuns.

Aus der ESD Association:

Da Geräte und die Größe ihrer Eigenschaften immer kleiner werden, werden sie anfälliger für Schäden durch ESD, was nach einigem Nachdenken sinnvoll ist. Die mechanische Festigkeit der Materialien, die zum Aufbau von Elektronik verwendet werden, nimmt im Allgemeinen mit abnehmender Größe ab, ebenso wie die Fähigkeit des Materials, schnellen Temperaturänderungen zu widerstehen, die üblicherweise als thermische Masse bezeichnet werden( genau wie bei Objekten im Makrobereich).Um 2003 waren die kleinsten Strukturgrößen im Bereich von 180 nm und jetzt nähern wir uns schnell 10 nm.

Ein ESD-Ereignis, das vor 20 Jahren harmlos gewesen wäre, könnte die moderne Elektronik zerstören. Bei Transistoren ist das Gate-Material oft das Opfer, aber andere stromführende Elemente können auch verdampft oder geschmolzen werden. Das Löten auf den Pins eines ICs( ein oberflächenmontierbares Äquivalent wie ein Ball Grid Array sind heutzutage viel häufiger) auf einer PCB kann geschmolzen werden, und das Silizium selbst hat einige kritische Eigenschaften( insbesondere seinen dielektrischen Wert), die durch hohe Wärme verändert werden können. Insgesamt kann es die Schaltung von einem Halbleiter zu einem Immer-Leiter ändern, der normalerweise mit einem Funken und einem schlechten Geruch endet, wenn der Chip eingeschaltet wird.

Kleinere Feature-Größen sind fast vollständig positiv aus den meisten Metrikenperspektiven;Dinge wie Betrieb / Taktraten, die unterstützt werden können, Stromverbrauch, eng gekoppelte Wärmeerzeugung usw., aber die Empfindlichkeit gegenüber Schäden, die ansonsten als triviale Energiemengen angesehen würden, steigt ebenfalls stark an, wenn die Strukturgröße abnimmt.

ESD-Schutz ist heute in vielen elektronischen Geräten eingebaut, aber wenn Sie 500 Milliarden Transistoren in einer integrierten Schaltung haben, ist es kein lösbares Problem festzustellen, welchen Weg eine statische Entladung mit hundertprozentiger Sicherheit nimmt.

Der menschliche Körper wird manchmal modelliert( Human Body Model; HBM) mit 100 bis 250 Pikofarad Kapazität. In diesem Modell kann die Spannung( abhängig von der Quelle) so hoch wie 25 kV werden( obwohl einige nur so hoch wie 3 kV beanspruchen).Bei Verwendung der größeren Zahlen hätte die Person eine Energie "Ladung" von ungefähr 150 Millijoule. Eine vollständig "geladene" Person würde dies typischerweise nicht bemerken und sie wird in einem Bruchteil einer Sekunde durch den ersten verfügbaren Massepfad, häufig ein elektronisches Gerät, entladen.

Beachten Sie, dass diese Zahlen annehmen, dass die Person keine Kleidung trägt, die eine zusätzliche Gebühr tragen kann, was normalerweise der Fall ist. Es gibt verschiedene Modelle zur Berechnung von ESD-Risiken und -Energiepegeln, und es wird sehr schnell ziemlich verwirrend, da sie sich in manchen Fällen zu widersprechen scheinen. Hier ist ein Link zu einer ausgezeichneten Diskussion vieler Standards und Modelle.

Unabhängig von der spezifischen Berechnungsmethode ist es nicht und klingt nicht nach viel Energie, aber es ist mehr als ausreichend, einen modernen Transistor zu zerstören. Für den Kontext entspricht ein Joule Energie( laut Wikipedia) der Energie, die benötigt wird, um eine mittelgroße Tomate( 100 Gramm) einen Meter vertikal von der Erdoberfläche anzuheben.

Dies fällt auf die "schlimmste Szenarioseite" eines ESD-Ereignisses, bei dem der Mensch eine Ladung trägt und diese in ein empfindliches Gerät entlädt. Eine Spannung, die von einer relativ niedrigen Ladungsmenge hoch ist, tritt auf, wenn die Person sehr schlecht geerdet ist. Ein Schlüsselfaktor dafür, was und wie viel beschädigt wird, ist nicht die Ladung oder die Spannung, sondern der Strom, der in diesem Zusammenhang als der Widerstand des Weges des elektronischen Geräts gegen Erde angesehen werden kann.

Menschen, die mit Elektronik arbeiten, werden normalerweise mit Handschlaufen und / oder Erdungsbändern an den Füßen geerdet. Sie sind keine "Shorts" für die Erdung;der Widerstand ist so bemessen, dass die Arbeiter nicht als Blitzableiter dienen( leicht durch Stromschlag getötet).Handgelenkbänder liegen typischerweise im Bereich von 1 M Ohm, was jedoch die schnelle Entladung jeglicher akkumulierter Energie ermöglicht. Kapazitive und isolierte Gegenstände werden zusammen mit anderen ladungserzeugenden oder -speichernden Materialien von Arbeitsbereichen wie Polystyrol, Luftpolsterfolie und Plastikbechern isoliert.

Es gibt buchstäblich unzählige andere Materialien und Situationen, die ESD-Schäden( sowohl bei positiven als auch bei negativen relativen Ladungsunterschieden) zu einem Gerät verursachen können, bei dem der menschliche Körper die Ladung nicht "intern" trägt, sondern lediglich seine Bewegung erleichtert. Ein Beispiel auf Cartoon-Ebene würde einen Wollpullover und Socken tragen, während er über einen Teppich läuft und dann ein Metallobjekt aufhebt oder berührt. Das erzeugt eine wesentlich höhere Energiemenge, als der Körper selbst speichern könnte.

Ein letzter Punkt, wie wenig Energie benötigt wird, um moderne Elektronik zu beschädigen. Ein 10-nm-Transistor( noch nicht üblich, aber es wird in den nächsten paar Jahren sein) hat eine Gate-Dicke von weniger als 6 nm, was nahe kommt an das, was sie eine Monoschicht( eine einzelne Atomschicht) nennen.

Es ist ein sehr kompliziertes Thema, und die Menge an Schaden, die ein ESD-Ereignis für ein Gerät verursachen kann, ist aufgrund der großen Anzahl von Variablen, einschließlich der Entladegeschwindigkeit( wie viel Widerstand besteht zwischen der Ladung und einem Boden) schwer vorherzusagen), die Anzahl der Wege zu einem Boden durch das Gerät, Luftfeuchtigkeit und Umgebungstemperaturen und vieles mehr. Alle diese Variablen können in verschiedene Gleichungen eingefügt werden, die den Aufprall modellieren können, aber sie sind nicht wirklich genau darin, den tatsächlichen Schaden vorherzusagen, sondern besser, um den möglichen Schaden eines Ereignisses einzugrenzen.

In vielen Fällen, und dies ist sehr branchenspezifisch( Medizin oder Luft- und Raumfahrt), ist ein ESD-induziertes katastrophales Fehlerereignis ein weit besseres Ergebnis als ein ESD-Ereignis, das unbemerkt durch die Fertigung und das Testen geht. Unbemerkt auftretende ESD-Ereignisse können einen sehr kleinen Defekt verursachen oder einen bereits vorhandenen und unentdeckten latenten Defekt leicht verschlimmern, der sich in beiden Szenarien im Laufe der Zeit durch zusätzliche geringfügige ESD-Ereignisse oder nur durch regelmäßige Nutzung verschlimmern kann.

Sie führen letztendlich zu einem katastrophalen und vorzeitigen Ausfall des Geräts in einem künstlich verkürzten Zeitrahmen, der durch Zuverlässigkeitsmodelle( die die Grundlage für Wartungs- und Austauschpläne sind) nicht vorhergesagt werden kann. Wegen dieser Gefahr, und es ist leicht, an schreckliche Situationen zu denken( z. B. Mikroprozessor oder Flugkontrollinstrumente eines Schrittmachers), ist die Erforschung latenter ESD-induzierter Defekte ein großes Forschungsgebiet.

Für einen Verbraucher, der nicht viel in der Elektronikfertigung arbeitet oder weiß, scheint dies kein Problem zu sein. Zu der Zeit, zu der die meiste Elektronik zum Verkauf angeboten wird, gibt es zahlreiche Sicherheitsvorkehrungen, die die meisten ESD-Schäden verhindern würden. Die empfindlichen Komponenten sind physisch unzugänglich und bequemere Pfade zu einer Erde sind verfügbar( dh ein Computerchassis ist mit einem Boden verbunden, wobei das Entladen von ESD die CPU in dem Gehäuse fast sicher nicht beschädigt, sondern stattdessen den geringsten Widerstandspfad zu einemüber die Stromversorgung und die Steckdose geerdet werden).Alternativ sind keine vernünftigen stromführenden Pfade möglich;Viele Mobiltelefone haben nicht leitende Außenflächen und haben nur einen Erdungspfad, wenn sie geladen werden.

Um es festzuhalten: Ich muss alle drei Monate ein ESD-Training absolvieren, damit ich einfach weitermachen kann. Aber ich denke, das sollte ausreichen, um Ihre Frage zu beantworten. Ich glaube, dass alles in dieser Antwort genau ist, aber ich würde Ihnen dringend raten, es direkt zu lesen, um das Phänomen besser kennenzulernen, wenn ich Ihre Neugier nicht für immer zerstört habe.

Eine Sache, die Leute als kontraproduktiv empfinden, ist die Tatsache, dass die Taschen, in denen Elektronik häufig gelagert und versandt wird( Antistatikbeutel), ebenfalls leitfähig sind. Antistatisch bedeutet, dass das Material bei der Interaktion mit anderen Materialien keine nennenswerte Ladung sammelt. Aber in der ESD-Welt ist es genauso wichtig( so gut wie möglich), dass alles die gleiche Referenzspannung für die Erdung hat.

Arbeitsflächen( ESD-Matten), ESD-Taschen und andere Materialien sind typischerweise an einen gemeinsamen Boden gebunden, entweder indem sie einfach kein isoliertes Material dazwischen haben, oder expliziter durch das Verdrahten von niederohmigen Wegen zu einem Boden zwischen allen Werkbänken;die Anschlüsse für die Armbänder der Arbeiter, den Boden und einige Geräte. Es gibt Sicherheitsprobleme hier. Wenn Sie mit hochexplosiven Sprengstoffen und Elektronik arbeiten, könnte Ihr Armband eher direkt an einen Boden gebunden sein als an einen 1M Ohm Widerstand. Wenn Sie mit sehr hoher Spannung arbeiten, würden Sie sich überhaupt nicht erden.

Hier ist ein Zitat zu den Kosten von ESD von Cisco, das sogar ein bisschen konservativ sein könnte, da der Kollateralschaden durch Feldausfälle für Cisco in der Regel nicht zum Verlust von Leben führt, was die 100x erhöhen kann, auf die sich Bestellungen beziehenGröße:

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