Wir alle haben die Warnungen gehört, um sicherzustellen, dass wir bei der Arbeit an unseren elektronischen Geräten ordnungsgemäß geerdet sind. Haben Fortschritte in der Technologie das Problem der Beschädigung durch statische Elektrizität verringert oder ist es immer noch so weit verbreitet wie zuvor? Der heutige SuperUser Q & A-Beitrag bietet eine umfassende Antwort auf die Frage eines neugierigen Lesers.
Die heutige Frage-Antwort-Sitzung wird uns mit freundlicher Genehmigung von SuperUser zur Verfügung gestellt - einer Unterteilung von Stack Exchange, einer Community-gesteuerten Gruppierung von Q & A-Websites.
Foto mit freundlicher Genehmigung von Jared Tarbell (Flickr).
Die Frage
SuperUser-Leser Ricku möchte wissen, ob Schäden an statischer Elektrizität derzeit noch ein großes Problem mit der Elektronik darstellen:
Ich habe gehört, dass statische Elektrizität vor ein paar Jahrzehnten ein großes Problem war. Ist es jetzt noch ein großes Problem? Ich glaube, dass es selten vorkommt, dass eine Person jetzt eine Computerkomponente „brät“.
Ist die Beschädigung durch statische Elektrizität immer noch ein großes Problem mit der Elektronik?
Die Antwort
Der SuperUser-Mitarbeiter Argonauts hat die Antwort für uns:
In der Industrie wird es als elektrostatische Entladung (ESD) bezeichnet und ist heute weitaus problematischer als je zuvor. Dies wurde jedoch durch die relativ weit verbreitete Einführung 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 Branchen.
Es ist auch ein großes Thema des Studiums und sehr komplex, daher werde ich nur auf einige Punkte eingehen. Wenn Sie interessiert sind, gibt es zahlreiche kostenlose Quellen, Materialien und Websites, die sich diesem Thema widmen. Viele Menschen widmen ihre Karriere diesem Bereich. Durch ESD beschädigte Produkte haben einen sehr realen und sehr großen Einfluss auf alle an der Elektronik beteiligten Unternehmen, sei es als Hersteller, Designer oder „Verbraucher“, und wie viele Dinge, die in einer Branche behandelt werden, werden ihre Kosten an weitergegeben uns.
Von der ESD Association:
Wenn Geräte und die Größe ihrer Funktionen kontinuierlich kleiner werden, werden sie anfälliger für Schäden durch ESD, was nach einigem Nachdenken Sinn macht. 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 üblicherweise als thermische Masse bezeichnet werden (genau wie bei Objekten im Makromaßstab). Um 2003 lagen 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 möglicherweise die moderne Elektronik zerstören. Bei Transistoren ist das Gate-Material häufig das Opfer, aber auch andere stromführende Elemente können verdampft oder geschmolzen werden. Das Löten auf den Stiften eines IC (ein Oberflächenmontage-Äquivalent wie ein Ball Grid Array ist heutzutage weitaus häufiger) auf einer Leiterplatte kann geschmolzen werden, und das Silizium selbst weist einige kritische Eigenschaften (insbesondere seinen dielektrischen Wert) auf, die durch hohe Hitze verändert werden können . Insgesamt kann es die Schaltung von einem Halbleiter zu einem Immerleiter ändern, was normalerweise mit einem Funken und einem schlechten Geruch endet, wenn der Chip eingeschaltet wird.
Kleinere Feature-Größen sind aus Sicht der meisten Metriken fast ausschließlich positiv. Dinge wie Betriebs- / Taktgeschwindigkeiten, die unterstützt werden können, Stromverbrauch, eng gekoppelte Wärmeerzeugung usw., aber die Empfindlichkeit gegenüber Schäden durch ansonsten als trivial angesehene Energiemengen nimmt mit abnehmender Strukturgröße ebenfalls stark zu.
Der ESD-Schutz ist heutzutage in vielen elektronischen Geräten integriert. Wenn Sie jedoch 500 Milliarden Transistoren in einem integrierten Schaltkreis haben, ist es kein Problem, mit 100-prozentiger Sicherheit zu bestimmen, welchen Weg eine statische Entladung einschlagen wird.
Der menschliche Körper wird manchmal mit 100 bis 250 Picofarad Kapazität modelliert (Human Body Model; HBM). In diesem Modell kann die Spannung (abhängig von der Quelle) bis zu 25 kV betragen (obwohl einige nur bis zu 3 kV beanspruchen). Bei Verwendung der größeren Zahlen hätte die Person eine Energieladung von ungefähr 150 Millijoule. Eine vollständig „aufgeladene“ Person ist sich dessen normalerweise nicht bewusst und wird in Sekundenbruchteilen über den ersten verfügbaren Bodenweg, häufig ein elektronisches Gerät, entladen.
Beachten Sie, dass diese Zahlen davon ausgehen, dass die Person keine Kleidung trägt, für die eine zusätzliche Gebühr erhoben werden kann, was normalerweise der Fall ist. Es gibt verschiedene Modelle für die Berechnung des ESD-Risikos und des Energieniveaus, und es wird sehr schnell ziemlich verwirrend, da sie sich in einigen Fällen zu widersprechen scheinen. Hier ist ein Link zu einem ausgezeichnete Diskussion von vielen der Standards und Modelle.
Unabhängig von der spezifischen Berechnungsmethode ist dies nicht der Fall und klingt sicherlich nicht nach viel Energie, aber es ist mehr als ausreichend, um einen modernen Transistor zu zerstören. Im Kontext entspricht ein Joule Energie (laut Wikipedia) der Energie, die erforderlich ist, um eine mittelgroße Tomate (100 Gramm) einen Meter vertikal von der Erdoberfläche zu heben.
Dies fällt auf die Seite des „schlimmsten Szenarios“ eines ESD-Ereignisses nur für Menschen, bei dem der Mensch eine Ladung trägt und diese in ein anfälliges Gerät entlädt. Eine so hohe Spannung aufgrund einer relativ geringen Ladungsmenge 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 geringe Widerstand des Weges des elektronischen Geräts zu einer Erde angesehen werden kann.
Menschen, die mit Elektronik arbeiten, werden normalerweise mit Handgelenkbändern und / oder Erdungsbändern an ihren Füßen geerdet. Sie sind keine "Shorts" für die Erdung; Der Widerstand ist so bemessen, dass die Arbeiter nicht als Blitzableiter dienen können (leicht durch Stromschlag getötet werden). Handgelenkbänder liegen normalerweise im Bereich von 1 M Ohm, aber das ermöglicht immer noch das schnelle Entladen der angesammelten Energie. Kapazitive und isolierte Gegenstände sowie andere ladungserzeugende oder lagernde Materialien 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) an einem Gerät führen können, bei dem der menschliche Körper die Ladung nicht „intern“ trägt, sondern nur seine Bewegung erleichtert. Ein Beispiel auf Cartoon-Ebene wäre das Tragen eines Wollpullovers und von Socken, während Sie über einen Teppich gehen und dann einen Metallgegenstand aufheben oder berühren. Das erzeugt eine deutlich 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, wird es aber in den nächsten Jahren sein) hat eine Gate-Dicke von weniger als 6 nm, was einer sogenannten Monoschicht (einer einzelnen Atomschicht) nahe kommt.
Es ist ein sehr kompliziertes Thema, und das Ausmaß des Schadens, den ein ESD-Ereignis an einem Gerät verursachen kann, ist aufgrund der großen Anzahl von Variablen, einschließlich der Entladungsgeschwindigkeit (wie viel Widerstand zwischen Ladung und Boden besteht), schwer vorherzusagen. , die Anzahl der Wege zu einem Boden durch das Gerät, Feuchtigkeit und Umgebungstemperaturen und vieles mehr. Alle diese Variablen können in verschiedene Gleichungen eingefügt werden, die den Einfluss modellieren können, aber sie sind noch nicht besonders genau, um den tatsächlichen Schaden vorherzusagen, sondern besser, um den möglichen Schaden eines Ereignisses zu erfassen.
In vielen Fällen, und dies ist sehr branchenspezifisch (z. B. Medizin oder Luft- und Raumfahrt), ist ein ESD-induziertes katastrophales Ausfallereignis ein weitaus besseres Ergebnis als ein ESD-Ereignis, das unbemerkt hergestellt und getestet wird. Unbemerkte ESD-Ereignisse können einen sehr geringfügigen Defekt verursachen oder einen bereits vorhandenen und nicht erkannten latenten Defekt geringfügig verschlimmern, der sich in beiden Szenarien im Laufe der Zeit aufgrund zusätzlicher geringfügiger ESD-Ereignisse oder nur durch regelmäßige Verwendung verschlimmern 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 bilden) nicht vorhergesagt werden kann. Aufgrund dieser Gefahr und der Tatsache, dass man sich schreckliche Situationen vorstellen kann (z. B. Mikroprozessor oder Flugsteuerungsinstrumente eines Herzschrittmachers), ist die Entwicklung von Möglichkeiten zum Testen und Modellieren latenter ESD-induzierter Defekte derzeit ein wichtiges Forschungsgebiet.
Für einen Verbraucher, der nicht in der Elektronikfertigung arbeitet oder viel darüber weiß, scheint dies kein Problem zu sein. Bis die meisten Elektronikprodukte zum Verkauf angeboten werden, gibt es zahlreiche Sicherheitsvorkehrungen, die die meisten ESD-Schäden verhindern würden. Die empfindlichen Komponenten sind physisch nicht zugänglich und es stehen bequemere Pfade zu einer Erdung zur Verfügung (dh ein Computergehäuse ist an eine Erdung gebunden, und das Entladen von ESD in das Gehäuse beschädigt mit ziemlicher Sicherheit nicht die CPU im Gehäuse, sondern nimmt stattdessen den Pfad mit dem niedrigsten Widerstand zu a Masse über das Netzteil und die Steckdose). Alternativ sind keine vernünftigen stromführenden Pfade möglich; Viele Mobiltelefone haben ein nicht leitendes Äußeres und nur beim Aufladen einen Erdungspfad.
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 korrekt ist, aber ich würde dringend empfehlen, sie direkt nachzulesen, um das Phänomen besser kennenzulernen, wenn ich Ihre Neugier nicht endgültig zerstört habe.
Eine Sache, die die Leute als kontraintuitiv empfinden, ist, dass die Taschen, in denen häufig Elektronik aufbewahrt und versandt wird (antistatische Taschen), auch leitfähig sind. Antistatisch bedeutet, dass das Material durch die Wechselwirkung mit anderen Materialien keine sinnvolle Ladung sammelt. In der ESD-Welt ist es jedoch ebenso wichtig (soweit möglich), dass alles die gleiche Erdspannungsreferenz hat.
Arbeitsflächen (ESD-Matten), ESD-Beutel und andere Materialien werden normalerweise an eine gemeinsame Masse gebunden, entweder indem einfach kein isoliertes Material zwischen ihnen liegt, oder genauer gesagt, indem niederohmige Pfade mit einer Masse zwischen allen Werkbänken verbunden werden. die Anschlüsse für die Armbänder der Arbeiter, den Boden und einige Geräte. Hier gibt es Sicherheitsprobleme. Wenn Sie mit hochexplosiven Sprengstoffen und Elektronik arbeiten, ist Ihr Armband möglicherweise direkt an eine Masse gebunden und nicht an einen 1-M-Ohm-Widerstand. Wenn Sie mit sehr hoher Spannung arbeiten, würden Sie sich überhaupt nicht erden.
Hier ist ein Zitat zu den Kosten für ESD von Cisco, das sogar etwas konservativ sein kann, da der Kollateralschaden durch Feldausfälle für Cisco normalerweise nicht zum Verlust von Menschenleben führt, was das 100-fache, auf das sich Größenordnungen beziehen, erhöhen kann ::
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