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Ist die statische Elektrizität noch ein großes Problem mit der Elektronik?


Wir alle haben die Warnungen gehört, um sicherzustellen, dass wir bei der Arbeit an unseren elektronischen Geräten ordnungsgemäß geerdet sind, aber Fortschritte in der Technologie haben abgenommen das Problem statischer Elektrizitätsschäden oder ist es noch so weit verbreitet wie zuvor? Der heutige SuperUser F & A-Post hat eine umfassende Antwort auf die Frage eines neugierigen Lesers.

Die heutige Frage-Antwort-Sitzung kommt dank SuperUser zustande - 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 statische Elektrizität noch ein großes Problem mit der Elektronik ist:

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

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

Die 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. Ungeachtet dessen ist sein Einfluss auf die Elektronikindustrie größer als in vielen anderen Industriezweigen.

Es ist auch ein riesiges Studiengebiet und sehr komplex, daher möchte ich nur auf einige Punkte eingehen. 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 Branche werden ihre Kosten weitergegeben us.

Aus der ESD-Assoziation:

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 . Zusammengenommen 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 Merkmalsgrößen sind fast vollständig positiv aus den meisten Metrikperspektiven ; 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, nimmt ebenfalls stark zu, 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 zu bestimmen, welchen Weg eine statische Entladung mit 100 Prozent 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 entladen, häufig ein elektronisches Gerät.

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, um es zu zerstören ein moderner Transistor. Für den Kontext entspricht ein Joule der Energie (nach Wikipedia) der Energie, die benötigt wird, um eine mittelgroße Tomate (100 Gramm) einen Meter vertikal von der Erdoberfläche anzuheben.

Dies fällt auf das "schlimmste Szenario" Seite eines menschlichen 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 Herumarbeiten von Elektronik sind in der Regel mit Handschlaufen und / oder Erdungsbänder 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 Styropor, Luftpolsterfolie und Plastikbechern isoliert.

Es gibt buchstäblich zahllose andere Materialien und Situationen, die zu ESD-Schäden führen können (von beiden positive und negative relative Ladungsunterschiede) zu einer Vorrichtung, bei der der menschliche Körper selbst 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 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, aber es wird in den nächsten 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 Entladungsgeschwindigkeit (wie viel Widerstand besteht zwischen der Ladung und einem Boden) schwierig 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 sehr genau in der Vorhersage von tatsächlichem Schaden, aber besser darin, den möglichen Schaden von einem Ereignis einzugrenzen.

In vielen Fällen, und das ist sehr Branchenspezifische (denken Medizin oder Luft- und Raumfahrt), eine ESD-induzierte katastrophale Ausfallereignis ist ein weit besseres Ergebnis als ein ESD-Ereignis, das unbemerkt durch Herstellung und Tests passiert. 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 aufgrund zusätzlicher ESD-Ereignisse oder nur durch regelmäßige Verwendung verschlimmern kann.

Sie führen letztendlich dazu bei 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 einem über die Stromversorgung und die Steckdose geerdet werden). Alternativ sind keine vernünftigen stromführenden Pfade möglich; Viele Mobiltelefone haben nicht-leitende Außenflächen und haben nur einen geerdeten Pfad, wenn sie geladen werden.

Für die Aufzeichnung muss ich alle drei Monate ESD-Schulungen durchlaufen, damit ich einfach weitermachen konnte. 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 kontraintuitiv finden, ist diese Die Taschen, in denen die Elektronik häufig gelagert und versandt wird (Antistatikbeutel), sind ebenfalls leitfähig. 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 werden typischerweise an einem gemeinsamen Ort gehalten Erdung, entweder indem man einfach kein isoliertes Material zwischen ihnen hat, oder expliziter durch die Verdrahtung von Wegen mit niedrigem Widerstand zu einem Boden zwischen allen Werkbänken; die Anschlüsse für die Handgelenkbänder 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 nicht selbst erden.

Hier ist ein Zitat zu den Kosten von ESD von Cisco, das sogar ein bisschen konservativ sein könnte, da der Kollateralschaden durch Feldausfälle typischerweise bei Cisco auftritt nicht zu einem Verlust an Leben führen, der das 100fache, auf das sich Größenordnungen beziehen, erhöhen kann:


Haben Sie etwas zur Erklärung hinzuzufügen? Ton in den Kommentaren ab. Möchten Sie mehr Antworten von anderen technisch versierten Stack Exchange Benutzern lesen? Sehen Sie sich den vollständigen Diskussionsfaden hier an.


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