Ist ESD auf modernen Maschinen ein ernstes Risiko?

In der Industrie wird dies als elektrostatische Entladung (ESD) bezeichnet und stellt heute ein weitaus größeres Problem dar als je zuvor, auch wenn dies durch die erst vor kurzem verbreitete Annahme von Richtlinien und Verfahren, die die Wahrscheinlichkeit von ESD-schädigenden Produkten verringern, etwas abgemildert wird.

Die Auswirkungen auf die Elektronikindustrie sind jedoch größer als in vielen anderen Branchen. Es ist auch ein riesiges Thema des Studiums und sehr komplex, deshalb 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. Durch ESD beschädigte Produkte haben einen sehr realen und großen Einfluss auf alle Unternehmen, die mit Elektronik zu tun haben - ob als Hersteller, Designer oder Verbraucher. Wie bei vielen Dingen, die in der Industrie behandelt werden, werden ihre Kosten an uns weitergegeben.

Per ESD-Vereinigung:

„Das Zeitalter der Elektronik brachte neue Probleme mit statischer Elektrizität und elektrostatischer Entladung mit sich. Und da elektronische Geräte immer schneller und kleiner wurden, stieg ihre Empfindlichkeit gegenüber elektrostatischen Entladungen an. Heutzutage wirkt sich ESD in nahezu jedem Aspekt der heutigen Elektronikumgebung auf Produktivität und Zuverlässigkeit aus. Branchenkenner haben den durchschnittlichen Produktverlust aufgrund statischer Einflüsse auf [bis] 33% geschätzt. Andere schätzen die tatsächlichen Kosten von ESD-Schäden für die Elektronikindustrie auf jährlich mehrere Milliarden Dollar. “

Da Geräte und ihre Merkmalsgrößen (die durch eine gegebene Technologie herstellbare kleinste Bauteilgröße lose bedeutet) kontinuierlich kleiner werden, werden sie anfälliger für Schäden durch elektrostatische Entladung (ESD) - was nach kurzer Überlegung sinnvoll ist. Die mechanische Festigkeit der Materialien, die zum Bau von Elektronik verwendet werden, 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 Makro-Maßstab. Um das Jahr 2003 herum waren die kleinsten Strukturgrößen im Bereich von 180 nm - wir nähern uns nun rasch 10 nm.

Ein ESD-Ereignis, das vor 20 Jahren harmlos gewesen wäre, könnte moderne Elektronik zerstören. Bei Transistoren ist das Gatematerial sehr häufig das Opfer, aber andere stromführende Elemente können verdampft oder geschmolzen werden, die Pins eines ICs (technisch oberflächenmontierbares Äquivalent wie ein Ball Grid Array (BGA) sind heutzutage weitaus häufiger) PCB 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 er die Schaltung von einem Halbleiter in einen Dauerleiter umwandeln, der normalerweise mit einem Funken und einem schlechten Geruch endet, wenn der Chip eingeschaltet wird.

Kleinere Strukturgrößen sind aus den meisten Gesichtspunkten der Metriken fast vollständig positiv - Dinge wie unterstützte Betriebs- / Taktgeschwindigkeiten, Energieverbrauch (und eng gekoppelte) Wärmeerzeugung usw., aber die Empfindlichkeit gegenüber Schäden, die sonst als unbedeutende Mengen betrachtet würden Der Energieverbrauch steigt auch bei steigender Feature-Größe.

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 100% iger Sicherheit benötigt.

Der menschliche Körper wird manchmal als Modell mit 100 bis 250 Picofarad Kapazität (das Modell des menschlichen Körpers ; HBM) modelliert ; In diesem Modell kann die Spannung (abhängig von der Quelle) bis zu 25 kV hoch werden (einige behaupten nur bis zu 3 kV). Bei Verwendung der größeren Zahlen hätte die Person eine Energieladung von etwa 150 Millijoule. Eine vollständig "aufgeladene" Person würde dies normalerweise nicht bemerken, und sie wird in Sekundenbruchteilen durch den ersten verfügbaren Bodenpfad abgeführt - häufig ein elektronisches Gerät. Beachten Sie, dass diese Zahlen davon ausgehen, dass die Person keine Kleidung trägt, die zusätzliche Kosten tragen kann, was normalerweise der Fall ist.

Es gibt verschiedene Modelle zur Berechnung des ESD-Risikos und der Energieniveaus, und es wird sehr schnell recht verwirrend, da sie sich in manchen Fällen zu widersprechen scheinen. Ich kann keine Quelle finden, die definitiver ist als eine andere. Deshalb werde ich auf diese hervorragende Diskussion vieler Standards und Modelle verweisen.

Unabhängig von der spezifischen Berechnungsmethode klingt dies nicht nach viel Energie - und sie klingt auch nicht unbedingt - aber es ist mehr als ausreichend, um einen modernen Transistor zu zerstören. In diesem Zusammenhang entspricht 1 Joule Energie pro Wikipedia der Energie, die erforderlich ist, um eine mittelgroße Tomate (100 g) 1 Meter senkrecht von der Erdoberfläche zu heben.

Dies ist der "schlimmste" Fall eines ESD-Ereignisses, bei dem der Mensch die Ladung trägt und in ein anfälliges Gerät entlädt. Eine unter einer relativ geringen Ladungsmenge so hohe Spannung tritt auf, wenn die Person extrem schlecht geerdet ist. Ein entscheidender Faktor dafür, was und wie viel beschädigt wird, ist nicht die Ladung oder die Spannung, sondern der Strom, der in diesem Zusammenhang daran gedacht werden kann, wie niedrig der Widerstand des elektronischen Geräts gegen Masse ist.

Personen, die mit Elektronik arbeiten, sind in der Regel immer geerdet, mit Handgelenkriemen und / oder Erdungsriemen an den Füßen. Dies sind keine Kurzschlüsse gegen Masse - der Widerstand ist so bemessen, dass die Arbeiter nicht Blitzstangen sind (leicht zu einem Stromschlag werden können) - die Armbänder befinden sich normalerweise im Bereich von 1 Mohm, was jedoch die schnelle Ableitung der angesammelten Energie ermöglicht. Kapazitive und isolierende 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 menschliche Körper selbst die Ladung nicht „intern“ trägt, sondern nur die Bewegung erleichtert - ein Cartoon Ein Beispiel wäre ein Wollpullover und Socken, wenn Sie über einen Teppich laufen und dann ein Metallobjekt berühren - das erzeugt eine wesentlich höhere Energie als der Körper selbst speichern könnte.

Ein letzter Punkt, wie wenig Energie moderne Elektronik beschädigen kann: Eine 10-Nanometer-Transistorgröße (noch nicht üblich, die in den nächsten Jahren aber üblich sein wird) weist eine Gate-Dicke von weniger als 6 Nanometern auf - was dem nahe kommt Sie nennen eine "Monoschicht" - eine einzelne Schicht von Atomen.

Es ist ein sehr komplizierter Bereich, und die Menge an Schäden, die ein ESD-Ereignis für ein Gerät verursachen kann, ist aufgrund der großen Anzahl von Variablen, einschließlich der Entladungsgeschwindigkeit (wie viel Widerstand zwischen Ladung und Masse) und der Anzahl, schwer vorherzusagen von Wegen zum Boden durch das Gerät, Feuchtigkeit und Umgebungstemperatur und vieles mehr. Alle diese Variablen können in verschiedene Gleichungen eingefügt werden, die die Auswirkungen modellieren, sie sind jedoch bei der Vorhersage des tatsächlichen Schadens noch nicht sonderlich genau, können jedoch den "möglichen" Schaden eines Ereignisses besser einrahmen.

In vielen Fällen - und dies ist sehr branchenspezifisch (denken Sie medizinisch oder in der Luft- und Raumfahrt) - ist ein katastrophales ESD-Ereignis, das zu einem katastrophalen Ausfall führt, ein weitaus besseres Ergebnis als ein ESD-Ereignis, das unbemerkt durch Herstellung und Prüfung verläuft, jedoch einen sehr geringen Fehler verursacht Vielleicht verschlechtert sich ein bereits bestehender, unentdeckter latenter Defekt etwas, der in beiden Szenarien durch zusätzliche "geringfügige" ESD-Ereignisse oder nur durch regelmäßige Verwendung schlimmer werden kann, was letztendlich zu einem katastrophalen und vorzeitigen Ausfall des Geräts führt (auch als Säuglingssterblichkeit bezeichnet). in einem künstlich verkürzten Zeitrahmen, der nicht durch Zuverlässigkeitsmodelle vorhergesagt wird (die die Grundlage für Wartungs- / Austauschpläne bilden). Wegen dieser Gefahr kann man leicht an furchtbare Situationen denken - einen Mikroprozessor der Schrittmacher,

Nun, von einem Verbraucher, der nicht in der Elektronikfertigung tätig ist oder sich mit Elektronik auskennt, scheint dies kein Problem zu sein - wenn die meisten Elektronikartikel zum Verkauf angeboten werden, gibt es zahlreiche Sicherheitsvorkehrungen, die die meisten ESD-Schäden verhindern würden - die empfindlichen Komponenten sind physisch unzugänglich, und es stehen praktischere Wege für die Erdung zur Verfügung (z. B. ist ein Computerchassis an Masse gebunden. Wenn ESD in das ESD entladen wird, wird die CPU innerhalb des Gehäuses wahrscheinlich nicht beschädigt), sondern der Pfad mit niedrigem Widerstand wird zur Erde Netzstrom und Wandstrom) oder alternativ keine vernünftigen Strom führenden 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 genau ist, aber ich würde nachdrücklich raten, direkt darüber zu lesen, um mehr über die Phänomene zu erfahren, wenn ich Ihre Neugier nicht für immer zerstört habe.

Eine Sache, die die Leute als nicht intuitiv empfinden, ist die Tatsache, dass die Taschen, in denen häufig Elektronik aufbewahrt und versendet wird - Antistatikbeutel - auch leitfähig sind. Antistatisch bedeutet, dass das Material durch die Wechselwirkung mit anderen Materialien keine sinnvolle Ladung aufnimmt. In der ESD-Welt ist es ebenso wichtig, dass alles, soweit möglich, die gleiche 'Erdungsspannungsreferenz' hat, also Arbeitsflächen (ESD-Matten) ), die ESD-Beutel und andere Materialien werden normalerweise alle auf einem gemeinsamen Boden gehalten (entweder indem sie einfach kein Isoliermaterial zwischen sich haben) oder explizit durch Verdrahtung niederohmiger Pfade zwischen allen Arbeitstischen, den Anschlüssen für das Arbeiterhandgelenk Bänder, der Boden und etwas Ausrüstung. Hier gibt es Sicherheitsprobleme - wenn Sie mit Sprengstoffen und Elektronik umgehen, Ihr Armband kann direkt mit der Erde verbunden sein, anstatt mit einem 1-Mohm-Widerstand. Wenn Sie mit sehr hoher Spannung arbeiten, erden Sie sich überhaupt nicht.

Ein weiteres Zitat zu den Kosten von ESD von Cisco - das kann sogar ein bisschen konservativ sein, 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:

Es ist erstaunlich, wenn Sie sich die Kosten ansehen, die mit ESD-beschädigten Komponenten verbunden sind. Die mit dem Ausfall verbundenen Kosten hängen davon ab, wann der Schaden entdeckt wurde. Es wird geschätzt, dass wenn der Schaden gefunden wird:

• Während der Montage betragen die Kosten das 1-fache der Kosten für Montage und Arbeit.
• Während des Tests betragen die Kosten das Zehnfache der Kosten für Montage und Arbeit.
• Beim Kunden betragen die Kosten das 100-fache der Kosten für Montage und Arbeit

Ich werde nicht versuchen, @ Argonauts Diskussion über ESD zu übertreffen :)
Ich möchte dieser Antwort etwas hinzufügen. @Argonauts weist darauf hin, dass für viele / die meisten Unterhaltungselektronikprodukte Schutzvorkehrungen getroffen werden. Ich glaube, die Antwort auf Ihre Frage ist, dass sich diese Schutzmaßnahmen (in den meisten Fällen) dramatisch verbessert haben.

Zum Beispiel hatte mein Commodore 64 aus den frühen 1980er Jahren zwei Joystick-Anschlüsse neben dem Netzschalter, beide auf der Seite des Gehäuses. Dies waren 9-polige "männliche" Verbinder ^1. Wenn Sie also nicht nach rechts gebogen werden, um zu sehen, was Sie tun, besteht eine relativ gute Chance, dass Sie die freiliegenden Verbinderstifte abbürsten, während Sie nach dem Schalter fühlen ... und wenn Sie dies tun Berührten Sie die richtige Kombination von Pins (und Ihr Körper / Ihre Kleidung hielt eine Ladung), würden Sie eine ESD in das Innere der Maschine auslösen.

Darüber hinaus erforderte einige Software die Verwendung eines bestimmten Joystick-Ports ... was bedeutete, dass Sie den Joystick wahrscheinlich irgendwann einmal aus dem Port 1 ziehen und in Port 2 einstecken (oder umgekehrt). . Es bestand wieder eine ziemlich gute Chance, dass Sie einen der beiden Anschlüsse berühren und möglicherweise eine ESD auslösen.

Heute verwendet Ihr Joystick wahrscheinlich einen USB-Anschluss ("A"). Noch wichtiger ist jedoch, dass die USB-Anschlussstifte im Gehäuse versenkt sind und sich nicht oder fast nicht berühren lassen (zumindest mit dem Finger).

In ähnlicher Weise hatte mein Commodore (und andere Computer eines ähnlichen Jahrgangs IIRC) Kassettenschnittstellen, wobei die Stifte freigelegt waren und mit dem äußeren Gehäuse bündig waren. Dies war nicht nur eine Chance für die elektrostatische Entladung, sondern auch für die Ansammlung von Staub, der die Kartuschenverbindung beeinträchtigen könnte.

Aber als der (Nintendo) NES auf den Markt kam, hatte sein Patronenschlitz eine federbelastete Abdeckung "Tür".

ESD ist immer noch ein (potenzielles) Problem, wenn Sie in einem PC herumspielen (oder in einer Konsole oder was auch immer). Vor einigen Jahrzehnten war es jedoch relativ einfach, ein System über ESD zu beschädigen, ohne es zu öffnen. Diese Gefahr ist viel weniger ein Faktor, nur weil die Elektronik auf die Möglichkeit einer elektrostatischen Entladung ausgelegt ist.

1. Diese Konnektorschnittstelle wurde bereits von der Atari 2600-Konsole verwendet, sodass eine Vielzahl von Hardware von Drittanbietern zur Verfügung stand.