Ist ESD ein ernstes Risiko für moderne Maschinen?

Ich habe gehört, dass statische Elektrizität vor einigen Jahrzehnten ein ernstes Problem war. Viele Computerhersteller scheinen sich jedoch nicht mehr mit elektrostatischen Entladungsbändern oder anderen Maßnahmen zu beschäftigen, wenn sie an einem System arbeiten.

Sind Computer jetzt weniger anfällig für ESD?

In der Industrie wird es als elektrostatische Entladung (ESD) bezeichnet und ist heute ein weitaus größeres Problem als je zuvor, auch wenn es in jüngster Zeit durch weit verbreitete Richtlinien und Verfahren gemildert wurde, die dazu beitragen, die Wahrscheinlichkeit von ESD-schädigenden Produkten zu verringern.

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, so dass ich nur auf einige Punkte eingehen werde. Bei Interesse gibt es zahlreiche kostenlose Quellen, Materialien und Websites zum Thema. Viele Menschen widmen ihre Karriere diesem Bereich. Durch ESD beschädigte Produkte haben eine sehr reale und sehr große Auswirkung auf alle an der Elektronik beteiligten Unternehmen - ob als Hersteller, Designer oder Verbraucher - und wie viele Dinge in der Industrie werden ihre Kosten an uns weitergegeben.

Angaben der ESD Association:

„Das Zeitalter der Elektronik brachte neue Probleme mit sich, die mit statischer Elektrizität und elektrostatischer Entladung verbunden waren. Und da elektronische Geräte immer schneller und kleiner wurden, stieg ihre Empfindlichkeit gegenüber elektrostatischer Entladung. Heutzutage wirkt sich ESD in nahezu allen Aspekten der heutigen Elektronikumgebung auf Produktivität und Produktzuverlässigkeit aus. Branchenexperten schätzen die durchschnittlichen Produktverluste aufgrund statischer Aufladung auf [bis zu] 33%. Andere schätzen die tatsächlichen Kosten für ESD-Schäden in der Elektronikindustrie auf Milliarden von Dollar pro Jahr. “

Da Geräte und ihre Strukturgrößen (locker die kleinste mit einer bestimmten Technologie herstellbare Bauteilgröße) immer kleiner werden, sind sie anfälliger für ESD-Schäden - was nach kurzer Überlegung sinnvoll ist. Die mechanische Festigkeit der für den Bau von Elektronik verwendeten Materialien nimmt im Allgemeinen mit abnehmender Größe ab, ebenso wie die Widerstandsfähigkeit der Materialien gegen schnelle Temperaturänderungen, die üblicherweise als thermische Masse bezeichnet werden - genau wie bei Objekten im Makromaßstab. Um 2003 lagen die kleinsten Strukturgrößen im Bereich von 180 nm - wir nähern uns jetzt 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 sehr häufig das Opfer, aber andere stromführende Elemente können verdampft oder geschmolzen werden. Löten Sie auf die Stifte eines ICs (technisch ist die Oberflächenmontage vergleichbar mit einem Ball Grid Array (BGA) heutzutage weitaus häufiger) PCB kann geschmolzen werden, und das Silizium selbst hat einige kritische Eigenschaften (insbesondere seinen dielektrischen Wert), die durch hohe Wärme verändert werden können; Insgesamt gesehen kann es den Stromkreis von einem Halbleiter in einen Dauerstromkreis ändern, der normalerweise mit einem Funken und einem schlechten Geruch endet, wenn der Chip eingeschaltet wird.

Kleinere Feature-Größen sind aus der Sicht der meisten Metriken fast ausschließlich positiv - Dinge wie unterstützte Betriebs- / Taktraten, Stromverbrauch (und eng gekoppelte Wärmeerzeugung) usw., aber die Empfindlichkeit gegenüber Schäden, die ansonsten als unbedeutend angesehen würden Der Energiebedarf steigt mit abnehmender Feature-Größe ebenfalls stark an.

ESD-Schutz ist heutzutage in vielen elektronischen Geräten integriert. Wenn Sie jedoch 500 Milliarden Transistoren in einem integrierten Schaltkreis haben, ist es kein Problem zu bestimmen, welchen Weg eine statische Entladung mit 100% iger Sicherheit nimmt.

Der menschliche Körper wird manchmal so modelliert (das Mensch-Körper-Modell ; HBM), dass er eine Kapazität von 100 bis 250 Picofarad aufweist; in diesem Modell kann die Spannung (abhängig von der Quelle) bis zu 25 kV betragen (einige behaupten nur bis zu 3 kV). Bei Verwendung der größeren Zahlen hätte die Person eine Energieladung von ungefähr 150 Millijoule. Eine voll aufgeladene Person würde es normalerweise nicht bemerken und es wird im Bruchteil einer Sekunde über den ersten verfügbaren Bodenweg entladen - häufig ein elektronisches Gerät. Beachten Sie, dass diese Zahlen davon ausgehen, dass die Person keine kostenpflichtige Kleidung trägt, was normalerweise der Fall ist.

Es gibt verschiedene Modelle für die Berechnung des ESD-Risikos und des Energielevels, und es wird sehr schnell ziemlich verwirrend, da sie sich in einigen Fällen zu widersprechen scheinen. Ich kann keine Quelle finden, die aussagekräftiger ist als eine andere, daher werde ich nur auf diese hervorragende Diskussion über viele der Standards und Modelle verweisen.

Unabhängig von der spezifischen Methode, die zur Berechnung verwendet wird, klingt es nicht nach viel Energie - aber es ist mehr als ausreichend, um einen modernen Transistor zu zerstören. Für den Kontext entspricht 1 Joule Energie - gemäß Wikipedia - der Energie, die benötigt wird, um eine mittelgroße Tomate (100 g) 1 Meter senkrecht von der Erdoberfläche abzuheben.

Dies ist der „schlimmste“ Fall eines ESD-Ereignisses, bei dem der Mensch die Ladung trägt und sie in ein anfälliges Gerät entlädt. Eine Spannung, die aus einer relativ geringen Ladungsmenge hoch ist, tritt auf, wenn die Person extrem schlecht geerdet ist. Ein Schlüsselfaktor dafür, was und wie viel beschädigt wird, ist nicht die Ladung oder die Spannung, sondern der Strom - in diesem Zusammenhang kann man sich vorstellen, wie niedrig der Widerstand des Erdungspfads des elektronischen Geräts ist.

Menschen, die mit Elektronik arbeiten, sind in der Regel immer geerdet, mit Handgelenk- und / oder Erdungsbändern an den Füßen. Hierbei handelt es sich nicht um "Erdschluss" - der Widerstand ist so bemessen, dass die Arbeiter keine Blitzableiter sind (die leicht einen Stromschlag erleiden können). Handgelenkbänder liegen normalerweise im Bereich von 1 Mohm, ermöglichen jedoch die schnelle Entladung jeglicher angesammelter Energie. Kapazitive und isolierende Gegenstände sowie andere Ladungen erzeugende oder speichernde Materialien sind vom Arbeitsbereich isoliert - beispielsweise Styropor, Luftpolsterfolie und Plastikbecher.

Es gibt buchstäblich unzählige andere Materialien und Situationen, die zu Schäden durch elektrostatische Entladung führen können (sowohl durch positive als auch durch negative relative Ladungsunterschiede), wenn der menschliche Körper die Ladung nicht „intern“ trägt, sondern lediglich die Bewegung erleichtert - ein Cartoon Ein normales Beispiel wäre, einen Wollpullover und Socken zu tragen, während man über einen Teppich läuft und dann einen Metallgegenstand berührt - das erzeugt eine deutlich höhere Energiemenge, als der Körper selbst speichern könnte.

Ein letzter Punkt, wie wenig Energie erforderlich ist, um die moderne Elektronik zu beschädigen: Eine Transistor-Feature-Größe von 10 nm (noch nicht üblich, wird es aber in den nächsten Jahren sein) hat eine Gate-Dicke von weniger als 6 nm - und nähert sich dem, was Sie nennen eine "Monoschicht" - eine einzelne Schicht von Atomen.

Es ist ein sehr komplizierter Bereich, 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 Masse) und der Anzahl, schwer vorherzusagen von Erdungswegen durch das Gerät, Luftfeuchtigkeit und Umgebungstemperatur und vieles mehr. Alle diese Variablen können in verschiedene Gleichungen eingefügt werden, die die Auswirkungen modellieren. Sie sind jedoch noch nicht so genau, dass sie den tatsächlichen Schaden vorhersagen können, aber besser, wenn es darum geht, den 'möglichen' Schaden eines Ereignisses zu bestimmen.

In vielen Fällen - und dies ist sehr branchenspezifisch (z. B. in der Medizintechnik oder in der Luft- und Raumfahrt) - ist ein katastrophales ESD-Ereignis ein weitaus besseres Ergebnis als ein ESD-Ereignis, das bei Herstellung und Prüfung unbemerkt bleibt und stattdessen einen sehr geringfügigen Defekt verursacht Vielleicht verschlechtert sich ein vorbestehender unerkannter latenter Defekt geringfügig, der sich in beiden Szenarien im Laufe der Zeit aufgrund zusätzlicher „geringfügiger“ ESD-Ereignisse oder nur durch regelmäßigen Gebrauch verschlimmern kann, was letztendlich zu einem katastrophalen und vorzeitigen Ausfall des Geräts führt (auch bekannt als Kindersterblichkeit). in einem künstlich verkürzten Zeitrahmen, der nicht von Zuverlässigkeitsmodellen vorhergesagt wird (die die Grundlage für Wartungs- / Austauschpläne bilden). Aufgrund dieser Gefahr, und es ist leicht, sich schreckliche Situationen vorzustellen - ein Schrittmacher-Mikroprozessor,

Ein Verbraucher, der nicht in der Elektronikfertigung arbeitet oder viel über die Elektronikfertigung 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 - die empfindlichen Komponenten sind physisch unzugänglich und es sind „bequemere“ Erdungswege verfügbar (z. B. ein Computergehäuse ist an die Erdung gebunden. Durch das Entladen von ESD wird die CPU im Gehäuse mit ziemlicher Sicherheit nicht beschädigt, sondern der niederohmige Erdungsweg wird über ausgeführt Stromversorgung und Steckernetzteil) oder alternativ sind keine vernünftigen Stromführungswege möglich - viele Mobiltelefone haben eine nicht leitende Außenseite und nur einen Erdungsweg, wenn sie aufgeladen 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 dies alles korrekt ist, aber ich rate dringend, es direkt nachzulesen, um die Phänomene besser kennenzulernen, wenn ich Ihre Neugier nicht endgültig zerstört habe.

Eine Sache, die die Leute als nicht intuitiv empfinden, ist, dass die Taschen, in denen häufig Elektronik aufbewahrt und verschickt wird - antistatische Taschen - auch leitfähig sind. Antistatisch bedeutet, dass das Material durch die Wechselwirkung mit anderen Materialien keine bedeutende Ladung aufnimmt. In der ESD-Welt ist es jedoch ebenso wichtig, dass, soweit möglich, alle Materialien die gleiche Erdspannungsreferenz haben, also Arbeitsflächen (ESD-Matten) ), werden die ESD-Beutel und andere Materialien in der Regel alle an eine gemeinsame Erdung gebunden (entweder indem sie einfach kein isolierendes Material zwischen sich haben) oder genauer gesagt, indem Pfade mit geringem Widerstand zwischen allen Werkbänken und den Anschlüssen für das Handgelenk des Arbeiters zur Erde verdrahtet werden Bands, der Boden und einige Geräte. Hier gibt es Sicherheitsprobleme - wenn Sie mit hochexplosiven Stoffen und Elektronik arbeiten, Ihr Armband ist möglicherweise direkt mit der Erde verbunden und nicht mit einem 1-Mohm-Widerstand. Wenn Sie mit sehr hoher Spannung arbeiten, würden Sie sich überhaupt nicht erden.

Ein weiteres Zitat über die Kosten für ESD von Cisco, das sogar ein bisschen konservativ sein kann, da der Kollateralschaden durch Ausfälle vor Ort für Cisco in der Regel nicht zum Verlust von Menschenleben führt, wodurch das 100-fache der Kosten um Größenordnungen erhöht werden kann:

Es ist erstaunlich, welche Kosten mit ESD-beschädigten Bauteilen 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 Montage- und Arbeitskosten.
• Während des Tests betragen die Kosten das 10-fache der Montage- und Arbeitskosten.
• Beim Kunden betragen die Kosten das 100-fache der Montage- und Arbeitskosten

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 Produkte der Unterhaltungselektronik Sicherheitsvorkehrungen getroffen wurden. Ich glaube, die Antwort auf Ihre Frage ist, dass sich diese Sicherheitsvorkehrungen (in den meisten Fällen) dramatisch verbessert haben.

Zum Beispiel hatte mein Commodore 64 aus den frühen 1980er Jahren zwei Joystick-Anschlüsse neben dem Netzschalter, die sich beide an der Seite des Gehäuses befanden. Dies waren 9-polige "männliche" Anschlüsse ^1. Wenn Sie sich also nicht nach rechts bücken, um zu sehen, was Sie tun, besteht eine relativ gute Chance, dass Sie die freiliegenden Anschlussstifte bürsten, während Sie nach dem Schalter suchen ... und wenn Sie Wenn Sie die richtige Kombination von Stiften berühren (und Ihr Körper / Ihre Kleidung eine Ladung enthielt), lösen Sie eine elektrostatische Entladung im Inneren der Maschine aus.

Darüber hinaus erforderte einige Software die Verwendung eines bestimmten Joystick-Anschlusses ... was bedeutete, dass Sie wahrscheinlich irgendwann den Joystick aus Anschluss 1 ziehen und in Anschluss 2 einstecken würden (oder umgekehrt) . Auch hier bestand eine gute Chance, dass Sie einen der beiden Anschlüsse berühren und möglicherweise eine ESD auslösen würden.

Heute verwendet Ihr Joystick wahrscheinlich einen USB-Anschluss ("A"). Noch wichtiger ist jedoch, dass die USB-Anschlussstifte in das Gehäuse eingelassen sind und nicht oder kaum (zumindest nicht mit dem Finger) berührt werden können.

In ähnlicher Weise hatte mein Commodore (und andere Computer mit ähnlichem Vintage-IIRC) Kassettenschnittstellen mit freiliegenden und bündig mit dem externen Gehäuse. Dies war nicht nur eine Gelegenheit für ESD, sondern auch für die Ansammlung von Staub, der die Patronenverbindung stören könnte.

Doch als der (Nintendo) NES auf dem Markt erschien, hatte sein Patronenschlitz eine federbelastete "Tür".

ESD ist immer noch ein (potenzielles) Problem, wenn Sie in einem PC (oder einer Konsole oder was auch immer) herumspielen. 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, da die Elektronik auf die Möglichkeit von ESD ausgelegt ist.

1. Diese Anschlussschnittstelle wurde bereits von der Atari 2600-Konsole verwendet, sodass eine große Auswahl an Hardware von Drittanbietern zur Verfügung stand.