Elektrostatische Entladung

Zu Beginn dieses Buches haben wir statische Elektrizität und ihre Entstehung besprochen. Dies hat weitaus mehr Bedeutung, als zunächst angenommen werden könnte, da die Kontrolle der statischen Elektrizität in der modernen Elektronik und anderen Berufen eine große Rolle spielt. Ein elektrostatisches Entladungsereignis liegt vor, wenn eine statische Ladung unkontrolliert abgebaut wird und wird im Folgenden als ESD bezeichnet.

ESD gibt es in vielen Formen, es kann so klein wie 50 Volt sein, die bis zu Zehntausenden von Volt ausgeglichen werden. Die tatsächliche Leistung ist äußerst gering, so gering, dass im Allgemeinen keine Gefahr für jemanden besteht, der sich im Entladungspfad von ESD befindet. Es dauert in der Regel mehrere Tausend Volt, bis eine Person ESD in Form eines Funkens und des damit einhergehenden bekannten Zaps überhaupt bemerkt. Das Problem bei ESD ist, dass selbst eine kleine Entladung, die völlig unbemerkt bleiben kann, Halbleiter ruinieren kann. Eine statische Aufladung von Tausenden von Volt ist üblich, aber der Grund, warum sie keine Bedrohung darstellt, ist, dass dahinter kein Strom von beträchtlicher Dauer steht. Diese extremen Spannungen ermöglichen eine Ionisierung der Luft und ermöglichen den Abbau anderer Materialien, was die Ursache für den Schaden ist.

ESD ist kein neues Problem. Die Schwarzpulverherstellung und andere pyrotechnische Industrien waren schon immer gefährlich, wenn ein ESD-Ereignis unter den falschen Umständen auftritt. Während der Ära der Röhren (AKA-Ventile) war ESD für die Elektronik kein Thema, aber mit dem Aufkommen von Halbleitern und der zunehmenden Miniaturisierung wurde es viel ernster.

Schäden an Komponenten können und werden normalerweise auftreten, wenn sich das Teil im ESD-Pfad befindet. Viele Teile, wie zum Beispiel Leistungsdioden, sind sehr robust und können die Entladung bewältigen, aber wenn ein Teil als Teil seiner physikalischen Struktur eine kleine oder dünne Geometrie hat, kann die Spannung diesen Teil des Halbleiters durchbrechen. Die Ströme während dieser Ereignisse werden ziemlich hoch, liegen aber im Zeitrahmen von Nanosekunden bis Mikrosekunden. Ein Teil der Komponente wird dadurch dauerhaft beschädigt, was zwei Arten von Fehlern verursachen kann:katastrophale und latente. Katastrophal ist die einfachste, da das Teil völlig funktionsunfähig bleibt. Das andere kann viel ernster sein. Latente Schäden können dazu führen, dass die problematische Komponente nach dem anfänglichen Schaden noch Stunden, Tage oder sogar Monate arbeitet, bevor es zu einem katastrophalen Ausfall kommt. Oft werden diese Teile als „verwundet gehen“ bezeichnet, da sie funktionieren, aber schlecht sind. Die folgende Abbildung ist ein Beispiel für latente („walking verwundete“) ESD-Schäden. Wenn diese Komponenten in einer lebenserhaltenden Rolle landen, wie zum Beispiel im medizinischen oder militärischen Bereich, können die Folgen düster sein. Für die meisten Bastler ist es eine Unannehmlichkeit, aber es kann teuer werden.

Auch Komponenten, die als relativ robust gelten, können durch ESD beschädigt werden. Bipolartransistoren, die frühesten der Festkörperverstärker, sind nicht immun, wenn auch weniger anfällig. Einige der neueren Hochgeschwindigkeitskomponenten können bereits mit 3 Volt zerstört werden. Es gibt Komponenten, die möglicherweise nicht als gefährdet gelten, wie einige spezielle Widerstände und Kondensatoren, die mit MOS-Technologie (Metal Oxide Semiconductor) hergestellt werden und durch ESD beschädigt werden können.

Schutz vor ESD-Schäden

Bevor ESD verhindert werden kann, ist es wichtig zu verstehen, was sie verursacht. Im Allgemeinen können Materialien rund um die Werkbank in 3 Kategorien unterteilt werden. Diese sind ESD-Generativ, ESD-Neutral und ESD-Dissipativ (oder ESD-Leitfähig). ESD-Generative Materialien sind aktive statische Generatoren, wie die meisten Kunststoffe, Katzenhaare und Polyesterkleidung. ESD-neutrale Materialien sind im Allgemeinen isolierend, neigen jedoch dazu, statische Aufladungen nicht sehr gut zu erzeugen oder zu halten. Beispiele hierfür sind Holz, Papier und Baumwolle. Dies soll nicht heißen, dass es sich nicht um statische Generatoren oder eine ESD-Gefahr handeln kann, aber das Risiko wird durch andere Faktoren etwas minimiert. Holz und Holzprodukte zum Beispiel neigen dazu, Feuchtigkeit zu speichern, wodurch sie leicht leitfähig werden können. Dies gilt für viele organische Materialien. Ein hochglanzpolierter Tisch würde nicht in diese Kategorie fallen, da der Glanz normalerweise aus Kunststoff oder Lack besteht, die hochwirksame Isolatoren sind. ESD-leitfähige Materialien sind ziemlich offensichtlich, sie sind die herumliegenden Metallwerkzeuge. Kunststoffgriffe können ein Problem sein, aber das Metall wird eine statische Ladung so schnell ableiten, wie sie erzeugt wird, wenn es sich auf einer geerdeten Oberfläche befindet. Es gibt viele andere Materialien, wie zum Beispiel einige Kunststoffe, die leitfähig sind. Sie würden unter die Überschrift ESD-dissipativ fallen. Schmutz und Beton sind ebenfalls leitfähig und fallen unter die Rubrik ESD-dissipativ.

Es gibt viele Aktivitäten, die statische Aufladung erzeugen, die Sie im Rahmen eines ESD-Kontrollprogramms beachten müssen. Das einfache Abziehen des Bandes von einem Spender kann eine extreme Spannung erzeugen. Herumrollen in einem Stuhl ist ein weiterer statischer Generator, ebenso wie Kratzen. Tatsächlich erzeugt jede Aktivität, bei der 2 oder mehr Oberflächen aneinander reiben, ziemlich sicher eine gewisse statische Aufladung. Dies wurde am Anfang dieses Buches erwähnt, aber Beispiele aus der Praxis können subtil sein. Aus diesem Grund wird ein Verfahren zum kontinuierlichen Ableiten dieser Spannung benötigt. Dinge, die große Mengen statischer Elektrizität erzeugen, sollten bei der Arbeit an Komponenten vermieden werden.

Kunststoff wird normalerweise mit der Erzeugung von statischer Aufladung in Verbindung gebracht. Dies hat sich in Form von leitfähigen Kunststoffen herumgesprochen. Der übliche Weg, leitfähigen Kunststoff herzustellen, ist ein Additiv, das die elektrischen Eigenschaften des Kunststoffs von einem Isolator zu einem Leiter ändert, obwohl er wahrscheinlich immer noch einen Widerstand von Millionen Ohm pro Quadratzoll hat. Es wurden Kunststoffe entwickelt, die als Leiter in Anwendungen mit geringem Gewicht verwendet werden können, beispielsweise in der Luftfahrtindustrie. Dies sind Spezialanwendungen und werden im Allgemeinen nicht mit ESD-Schutz in Verbindung gebracht.

Es sind nicht nur schlechte Nachrichten für den ESD-Schutz. Der menschliche Körper ist ein ziemlich anständiger Dirigent. Eine hohe Luftfeuchtigkeit ermöglicht auch, dass eine statische Aufladung harmlos abgeführt wird und ESD-neutrale Materialien leitfähiger werden. Aus diesem Grund können kalte Wintertage, an denen die Luftfeuchtigkeit im Inneren eines Hauses ziemlich niedrig sein kann, die Anzahl der Funken an einer Türklinke erhöhen. Im Sommer oder an regnerischen Tagen müssten Sie ziemlich hart arbeiten, um eine beträchtliche Menge an statischer Aufladung zu erzeugen. Industriereinräume und Fabrikhallen bemühen sich aus diesem Grund sowohl Temperatur als auch Luftfeuchtigkeit zu regulieren. Betonböden sind ebenfalls leitfähig, daher kann es einige vorhandene Komponenten im Haus geben, die beim Einrichten von Schutzmaßnahmen helfen können.

Um einen ESD-Schutz herzustellen, muss es einen Standardspannungspegel geben, auf den sich alles bezieht. Eine solche Ebene existiert in Form von Boden. Es gibt sehr gute Sicherheitsgründe, dass in Steckdosen rund um das Haus Erde verwendet wird. In gewisser Weise bezieht sich dies auf statisch, aber nicht direkt. Es gibt uns einen Ort, an dem wir unsere überschüssigen Elektronen ablassen oder einige aufnehmen können, wenn wir knapp sind, um alle Ladungen zu neutralisieren, die unsere Körper und Werkzeuge möglicherweise erhalten. Wenn alles auf einer Werkbank direkt oder indirekt über einen Leiter mit Erde verbunden ist, wird die statische Aufladung abgebaut, lange bevor ein ESD-Ereignis auftritt.

Ein guter Erdungspunkt kann auf verschiedene Weise hergestellt werden. In Häusern mit moderner Verkabelung, die der Kodierung gerecht wird, kann der Erdungsstift am AC-Stecker verwendet werden oder die Schraube, die die Abdeckplatte der Steckdosen hält. Dies liegt daran, dass bei der Hausverkabelung tatsächlich ein Draht oder eine Spitze in die Erde ragt, wo der Strom von den Hauptstromleitungen abgegriffen wird. Für Leute, deren Hausverkabelung nicht ganz richtig ist, kann ein mindestens 3 Fuß in die Erde getriebener Spieß oder eine einfache elektrische Verbindung zu Metallrohren (schlechteste Option) verwendet werden. Die Hauptsache ist, einen elektrischen Pfad zur Erde außerhalb des Hauses herzustellen.

Zehn Megaohm gelten als Leiter in der Welt der ESD-Kontrolle. Statische Elektrizität ist Spannung ohne wirklichen Strom, und wenn eine Ladung Sekunden nach ihrer Erzeugung abgelassen wird, wird sie annulliert. Im Allgemeinen wird aus diesem Grund ein Widerstand von 1 bis 10 Megaohm verwendet, um einen ESD-Schutz anzuschließen. Es hat den Vorteil, dass die Entladungsrate während eines ESD-Ereignisses verlangsamt wird, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass eine Komponente unbeschädigt überlebt. Je schneller die Entladung, desto höher die Stromspitze, die durch das Bauteil geht. Ein weiterer Grund, warum ein solcher Widerstand als wünschenswert angesehen wird, besteht darin, dass der Benutzer nicht durch den ESD-Schutz getötet wird, wenn er versehentlich mit Hochspannung, wie z. B. Haushaltsstrom, kurzgeschlossen wird.

Rund um die Kontrolle von ESD in der Elektronikindustrie ist eine große Industrie entstanden. Das Herzstück jeder Elektronikkonstruktion ist die Werkbank mit einer statisch leitfähigen oder ableitfähigen Oberfläche. Diese Oberfläche kann im Handel gekauft oder selbst in Form eines Blechs oder einer Folie hergestellt werden. Bei einer Metalloberfläche kann es sinnvoll sein, das dünne Papier darüber zu legen, dies ist jedoch nicht notwendig, wenn Sie keine motorischen Tests auf der Oberfläche durchführen. Die kommerzielle Version ist normalerweise eine Form von leitfähigem Kunststoff, dessen Widerstand hoch genug ist, um kein Problem zu sein, was eine bessere Lösung ist. Wenn Sie Ihre eigene Oberfläche für die Werkbank herstellen, stellen Sie sicher, dass der 10-Megohm-Widerstand geerdet ist, sonst haben Sie keinen Schutz.

Das andere große Element, das ESD-geerdet benötigt, sind Sie. Die Leute gehen mit statischen Generatoren. Da Ihr Körper leitfähig ist, ist es relativ einfach, ihn zu erden, dies geschieht normalerweise mit einem Armband. Kommerzielle Versionen haben den Widerstand bereits eingebaut und haben einen breiten Riemen, um eine gute Kontaktfläche mit Ihrer Haut zu bieten. Einweg-Versionen können für ein paar Dollar gekauft werden. Ein Metallarmband ist auch ein guter ESD-Schutz-Verbindungspunkt. Fügen Sie einfach einen Draht (mit dem Widerstand) zu Ihrem Erdungspunkt hinzu. Die meisten Branchen nehmen das Problem ernst genug, um Echtzeitmonitore zu verwenden, die einen Alarm auslösen, wenn der Bediener nicht richtig geerdet ist.

Eine andere Möglichkeit, sich zu erden, ist ein Fersenriemen. Ein leitfähiges Plastikteil ist um die Ferse deines Schuhs gewickelt, wobei ein leitfähiges Plastikband nach oben und unter deiner Socke verläuft, um einen guten Kontakt mit der Haut zu gewährleisten. Es funktioniert nur auf Böden mit leitfähigem Wachs oder Beton. Die Methode verhindert, dass eine Person große Ladungen erzeugt, die andere ESD-Schutzmaßnahmen überfordern können und an sich nicht als ausreichend angesehen wird. Den gleichen Effekt erzielen Sie, wenn Sie barfuß auf einem Betonboden laufen.

Ein weiterer ESD-Schutz besteht darin, ESD-leitfähige Kittel zu tragen. Wie das Fersenband ist dies ein sekundärer Schutz, der nicht das Handgelenksband ersetzen soll. Sie sollen alle Ladungen kurzschließen, die Ihre Kleidung erzeugen könnte.

Auch bewegte Luft kann erhebliche statische Aufladungen erzeugen. Wenn Sie den Staub von Ihrer Elektronik blasen, wird dieser statisch erzeugt. Eine industrielle Lösung für dieses Problem ist zweifach:Erstens haben Luftpistolen ein kleines, gut abgeschirmtes radioaktives Material, das in die Luftpistole implantiert wird, um die Luft zu ionisieren. Ionisierte Luft ist ein Leiter und leitet statische Aufladungen recht gut ab. Zweitens verwenden Sie Hochspannungsstrom, um die aus einem Ventilator austretende Luft zu ionisieren, was die gleiche Wirkung wie die Luftpistole hat. Dies wird einer Workstation effektiv dabei helfen, das Potenzial für die ESD-Erzeugung um einen großen Betrag zu reduzieren.

Ein weiterer ESD-Schutz, der am einfachsten ist, ist die Entfernung. Viele Branchen haben Regeln, die besagen, dass alle neutralen und generativen Materialien mindestens 12 Zoll oder mehr von allen laufenden Arbeiten entfernt sein müssen.

Der Benutzer kann auch die Möglichkeit von ESD-Schäden reduzieren, indem er das Teil einfach nicht aus seiner Schutzverpackung nimmt, bis es an der Zeit ist, es in den Stromkreis einzufügen. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit einer ESD-Exposition verringert, und obwohl die Schaltung weiterhin anfällig ist, bietet die Komponente einen geringen Schutz vor den übrigen Komponenten, da die anderen Komponenten unterschiedliche Entladungspfade für ESD bieten.

Lagerung und Transport von ESD-empfindlichen Komponenten und Platinen

Es nützt nichts, den ESD-Schutz auf der Werkbank zu befolgen, wenn die Teile beim Lagern oder Tragen beschädigt werden. Die gebräuchlichste Methode ist die Verwendung einer Variante eines Faradayschen Käfigs, einer ESD-Tasche. Ein ESD-Beutel umgibt das Bauteil mit einer leitfähigen Abschirmung und hat im Inneren normalerweise eine antistatische Isolierschicht. In permanenten Faraday-Käfigen ist dieser Schirm geerdet, wie im Fall von RFI-Räumen, aber bei tragbaren Behältern ist dies nicht praktikabel. Durch das Auflegen eines ESD-Beutels auf eine geerdete Oberfläche wird dasselbe erreicht. Faradaysche Käfige funktionieren, indem sie die elektrische Ladung um den Inhalt herum leiten und ihn sofort erden. Ein vom Blitz getroffenes Auto ist ein extremes Beispiel für einen Faradayschen Käfig.

Statische Beutel sind bei weitem die gebräuchlichste Methode zum Aufbewahren von Komponenten und Platinen. Sie werden aus extrem dünnen Metallschichten hergestellt, die so dünn sind, dass sie fast transparent sind. Eine Tasche mit einem Loch, auch wenn sie klein ist, oder eine Tasche, die nicht oben gefaltet ist, um den Inhalt gegen Ladungen von außen abzudichten, ist unwirksam.

Eine andere Methode zum Schutz von Lagerteilen sind Behälter oder Rohre. In diesen Fällen werden die Teile in leitfähige Schachteln mit einem Deckel aus dem gleichen Material gelegt. Dies bildet effektiv einen Faradayschen Käfig. Eine Röhre ist für ICs und andere Geräte mit vielen Pins gedacht und speichert die Teile in einer geformten leitfähigen Kunststoffröhre, die die Teile sowohl mechanisch als auch elektrisch sicher hält.

Schlussfolgerung

ESD kann ein geringfügiges, nicht spürbares Ereignis mit wenigen Volt sein, oder ein massives Ereignis, das echte Gefahren für das Bedienpersonal darstellt. Jeder ESD-Schutz kann durch die Umstände überfordert werden, aber dies kann umgangen werden, indem man sich dessen bewusst ist, was er ist und wie man ihn verhindert. Viele Projekte wurden ohne ESD-Schutz gebaut und funktionierten gut. Da der Schutz dieser Projekte eine kleine Unannehmlichkeit ist, ist es besser, sich die Mühe zu machen.

Die Industrie nimmt das Problem sehr ernst, sowohl als potenziell lebensbedrohliches Problem als auch als Qualitätsproblem. Wer teure Elektronik oder Hightech-Hardware kauft, wird nicht glücklich sein, wenn er ihn in 6 Monaten zurückgeben muss. Wenn ein Ruf auf dem Spiel steht, ist es einfacher, das Richtige zu tun.