Ist statischer Elektrizitätsschaden immer noch ein großes Problem bei der Elektronik?

Wir alle haben die Warnungen gehört, um sicherzustellen, dass wir bei der Arbeit an unseren elektronischen Geräten richtig geerdet sind, aber technologische Fortschritte haben das Problem statischer Elektrizitätsschäden gemindert oder ist es immer noch so weit verbreitet wie zuvor? Der heutige SuperUser-Q & A-Beitrag enthält eine umfassende Antwort auf die Frage eines neugierigen Lesers.

Die heutige Question & Answer-Sitzung wird dank SuperUser zur Verfügung gestellt - einer Unterteilung von Stack Exchange, einer Community-basierten Gruppierung von Q & A-Websites.

Foto mit freundlicher Genehmigung von Jared Tarbell (Flickr).

Die Frage

SuperUser-Leser Ricku möchte wissen, ob der Schaden durch statische Elektrizität in der Elektronik immer noch ein großes Problem ist:

Ich habe gehört, dass statische Elektrizität vor einigen Jahrzehnten ein großes Problem war. Ist es jetzt noch ein großes Problem? Ich glaube, es ist selten, dass eine Person eine Computerkomponente frittiert.

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

Die Antwort

Der SuperUser-Mitarbeiter Argonauts hat die Antwort für uns:

In der Branche wird es als elektrostatische Entladung (ESD) bezeichnet und ist heute weitaus problematischer als je zuvor. Dies wurde jedoch durch die relativ weit verbreitete Annahme von Richtlinien und Verfahren, die dazu beitragen, die Wahrscheinlichkeit von ESD-Schäden an Produkten zu verringern, etwas gemildert. Unabhängig davon ist die Auswirkung auf die Elektronikindustrie größer als in vielen anderen Branchen.

Es ist auch ein großes Thema des Studiums und sehr komplex, daher werde ich nur ein paar Punkte ansprechen. Bei Interesse gibt es zahlreiche kostenlose Quellen, Materialien und Websites, die sich dem Thema widmen. Viele Leute widmen ihre Karriere diesem Bereich. Produkte, die durch ESD beschädigt wurden, wirken sich sehr stark auf alle Unternehmen aus, die mit Elektronik zu tun haben, sei es als Hersteller, Konstrukteur oder „Verbraucher“. Wie bei vielen Dingen, die in einer Branche behandelt werden, werden ihre Kosten weitergegeben uns.

Von der ESD-Vereinigung:

Da Geräte und die Größe ihrer Merkmale immer kleiner werden, werden sie anfälliger für Schäden durch elektrostatische Entladung, was nach einigem Nachdenken sinnvoll ist. Die mechanische Festigkeit der zum Bau von Elektronik verwendeten Materialien nimmt im Allgemeinen mit abnehmender Größe ab, ebenso wie die Fähigkeit des Materials, schnellen Temperaturänderungen zu widerstehen, die normalerweise als thermische Masse bezeichnet werden (genau wie bei Objekten im Makromaßstab). Um das Jahr 2003 herum waren die kleinsten Strukturgrößen im Bereich von 180 nm und jetzt nähern wir uns rasch 10 nm.

Ein ESD-Ereignis, das vor 20 Jahren harmlos gewesen wäre, könnte moderne Elektronik zerstören. Bei Transistoren ist das Gatematerial häufig das Opfer, jedoch können auch andere stromführende Elemente verdampft oder aufgeschmolzen werden. Löten Sie die Pins eines ICs (ein oberflächenmontiertes Äquivalent wie ein Ball Grid Array ist heutzutage weitaus häufiger) auf einer Leiterplatte kann geschmolzen werden, und das Silizium selbst hat einige kritische Eigenschaften (insbesondere den Dielektrizitätswert), die durch hohe Hitze verändert werden können . Alles in allem kann die Schaltung von einem Halbleiter zu einem Dauerleiter umgewandelt werden, der normalerweise mit einem Funken und einem schlechten Geruch endet, wenn der Chip eingeschaltet wird.

Kleinere Feature-Größen sind aus den meisten Metrik-Perspektiven fast vollständig positiv. Dinge wie Betriebs- / Taktgeschwindigkeiten, die unterstützt werden können, Stromverbrauch, eng gekoppelte Wärmeerzeugung usw., aber die Empfindlichkeit gegenüber Schäden, die sonst als unbedeutende Energiemengen angesehen würden, steigt mit abnehmender Merkmalsgröße ebenfalls stark an.

ESD-Schutz ist heutzutage in vielen elektronischen Geräten eingebaut. Wenn Sie jedoch 500 Milliarden Transistoren in einem integrierten Schaltkreis haben, ist es kein unproblematisches Problem zu bestimmen, welchen Pfad eine statische Entladung mit hundertprozentiger Sicherheit einschlagen muss.

Der menschliche Körper wird manchmal als Modell mit 100 bis 250 Picofarad Kapazität (Human Body Model; HBM) modelliert. In diesem Modell kann die Spannung (abhängig von der Quelle) bis zu 25 kV hoch werden (obwohl einige nur 3 kV beanspruchen). Bei Verwendung der größeren Zahlen würde die Person eine Energie- "Ladung" von ungefähr 150 Millijoule haben. Eine vollständig "aufgeladene" Person ist sich normalerweise dessen nicht bewusst und wird innerhalb eines Sekundenbruchteils durch den ersten verfügbaren Bodenpfad, häufig ein elektronisches Gerät, entladen.

Beachten Sie, dass diese Zahlen davon ausgehen, dass die Person keine Kleidung trägt, für die ein Aufpreis erhoben werden kann, was normalerweise der Fall ist. Es gibt verschiedene Modelle zur Berechnung des ESD-Risikos und der Energieniveaus. Dies wird sehr schnell verwirrend, da sie sich in manchen Fällen zu widersprechen scheinen. Hier ist ein Link zu einer exzellenten Diskussion vieler Standards und Modelle.

Unabhängig von der spezifischen Berechnungsmethode klingt dies nicht nach viel Energie und klingt auch nicht nach viel, aber es ist mehr als ausreichend, um einen modernen Transistor zu zerstören. In diesem Zusammenhang entspricht eine Energie-Joule (laut Wikipedia) der Energie, die erforderlich ist, um eine mittelgroße Tomate (100 Gramm) einen Meter senkrecht von der Erdoberfläche zu heben.

Dies trifft auf die „schlimmste Szenario“ -Seite eines ESD-Ereignisses, bei dem der Mensch eine Ladung trägt und in ein anfälliges Gerät entlädt. Eine sehr hohe Spannung bei relativ geringer Ladung tritt auf, wenn die Person sehr schlecht geerdet ist. Ein entscheidender Faktor bei dem, 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 zu einer Masse betrachtet werden kann.

Personen, die mit Elektronik arbeiten, sind normalerweise mit Handgelenkriemen und / oder Erdungsriemen an den Füßen geerdet. Sie sind keine "Shorts" für die Erdung; Der Widerstand ist so bemessen, dass die Arbeiter nicht als Blitzableiter fungieren können (leicht durch Stromschlag). Die Armbänder befinden sich normalerweise im Bereich von 1 M Ohm, was jedoch immer noch die schnelle Ableitung der angesammelten Energie ermöglicht. Kapazitive und isolierte Gegenstände sowie andere Ladungserzeugungs- oder -speichermaterialien sind von Arbeitsbereichen wie Styropor, Luftpolsterfolie und Plastikbechern isoliert.

Es gibt buchstäblich unzählige andere Materialien und Situationen, die zu ESD-Schäden (sowohl von positiven als auch von negativen relativen Ladungsunterschieden) zu einem Gerät führen können, bei dem der Körper selbst die Ladung nicht „intern“ trägt, sondern nur seine Bewegung erleichtert. Ein Beispiel für eine Zeichentrickstufe wäre das Tragen eines Wollpullovers und Socken, wenn Sie über einen Teppich laufen und dann ein Metallobjekt aufheben oder berühren. Dadurch wird deutlich mehr Energie erzeugt, als der Körper selbst speichern könnte.

Ein letzter Punkt, wie wenig Energie es braucht, um moderne Elektronik zu beschädigen. Ein 10-nm-Transistor (noch nicht üblich, wird es aber in den nächsten Jahren sein) hat eine Gate-Dicke von weniger als 6 nm, was der Monoschicht (einer einzigen Atomschicht) nahe kommt..

Es ist ein sehr kompliziertes Thema, und die Menge an Schäden, die ein ESD-Ereignis für ein Gerät verursachen kann, ist aufgrund der großen Anzahl von Variablen, einschließlich der Entladungsgeschwindigkeit (der Widerstand zwischen Ladung und Boden), schwer vorherzusagen. , die Anzahl der Wege zu einem Boden durch das Gerät, Luftfeuchtigkeit und Umgebungstemperatur und vieles mehr. Alle diese Variablen können in verschiedene Gleichungen eingefügt werden, die die Auswirkung modellieren können, sie sind jedoch bei der Vorhersage des tatsächlichen Schadens noch nicht sehr genau, können jedoch den möglichen Schaden durch ein Ereignis besser einrahmen.

In vielen Fällen, und dies ist sehr branchenspezifisch (denken Sie medizinisch oder in der Luftfahrt), ist ein durch ESD hervorgerufenes Ereignis mit katastrophalen Ausfällen ein weitaus besseres Ergebnis als ein ESD-Ereignis, das unbemerkt durch Fertigung und Tests geht. Nicht beachtete ESD-Ereignisse können einen sehr geringfügigen Defekt verursachen oder einen bereits vorhandenen und nicht erkannten latenten Defekt geringfügig verschlimmern, der in beiden Szenarien im Laufe der Zeit durch zusätzliche kleinere ESD-Ereignisse oder nur durch regelmäßige Verwendung verschlimmert werden kann.

Sie führen letztendlich zu einem katastrophalen und vorzeitigen Ausfall des Geräts in einem künstlich verkürzten Zeitrahmen, der von Zuverlässigkeitsmodellen (die die Grundlage für Wartungs- und Austauschpläne darstellen) nicht vorhergesagt werden können. Aufgrund dieser Gefahr, und es ist leicht, an furchtbare Situationen (z. B. einen Mikroprozessor eines Schrittmachers oder Flugsteuerungsinstrumente) zu denken, ist die Suche nach Testmöglichkeiten und Modellierung latenter ESD-induzierter Defekte derzeit ein Hauptforschungsbereich.

Für einen Verbraucher, der nicht in der Elektronikfertigung arbeitet oder viel darüber weiß, scheint dies kein Problem zu sein. Wenn die meisten elektronischen Geräte zum Verkauf angeboten werden, gibt es zahlreiche Sicherheitsvorkehrungen, die die meisten ESD-Schäden verhindern würden. Die empfindlichen Komponenten sind physisch unzugänglich, und es sind bequemere Pfade zu einem Boden verfügbar (dh ein Computerchassis ist an einen Boden gebunden, wodurch ESD in das Gehäuse entladen wird, und die CPU im Gehäuse wird dadurch wahrscheinlich nicht beschädigt, sondern nimmt den Pfad mit dem geringsten Widerstand an Masse über das Netzteil und die Steckdose (Steckdose). Alternativ sind keine vernünftigen stromführenden Pfade möglich; Viele Mobiltelefone haben nicht leitfähige Außenseiten und haben nur einen Erdungspfad, wenn sie aufgeladen werden.

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

Was die Leute als nicht intuitiv empfinden, ist, dass die Taschen, in denen häufig Elektronik aufbewahrt und versendet wird (antistatische Taschen), ebenfalls leitfähig sind. Antistatisch bedeutet, dass das Material durch Interaktion mit anderen Materialien keine sinnvolle Ladung aufnimmt. In der ESD-Welt ist es jedoch ebenso wichtig (so gut wie möglich), dass alles die gleiche Erdspannungsreferenz hat.

Arbeitsoberflächen (ESD-Matten), ESD-Beutel und andere Materialien werden in der Regel auf einem gemeinsamen Boden gehalten, entweder indem einfach kein Isoliermaterial zwischen ihnen angeordnet ist oder explizit durch die Verbindung niederohmiger Pfade mit einem Boden zwischen allen Arbeitstischen; die Anschlüsse für die Arbeiterarmbänder, den Boden und einige Geräte. Hier gibt es Sicherheitsprobleme. Wenn Sie mit hochexplosiven Sprengstoffen und Elektronik arbeiten, ist Ihr Armband möglicherweise direkt an Masse und nicht an einen 1M Ohm Widerstand gebunden. Wenn Sie mit sehr hoher Spannung arbeiten, erden Sie sich überhaupt nicht.

Hier ist ein Zitat zu den Kosten von ESD von Cisco, das sogar ein bisschen konservativ sein kann, da der Kollateralschaden aufgrund von Feldausfällen für Cisco normalerweise nicht zum Verlust von Leben führt, was das 100fache ansteigen kann, auf das in Größenordnungen hingewiesen wird :

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