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Was ist elektrostatische Entladung? ESD-Grundlagen

Was ist elektrostatische Entladung? ESD-Grundlagen

Elektrostatische Entladung oder ESD gehört zum Alltag und ist heutzutage in der Elektronikindustrie von besonderer Bedeutung.

Vor Jahren, als thermionische Ventile / Vakuumröhren verwendet wurden, war dies kein Problem, und selbst mit der Einführung von Transistoren betrachteten es nur wenige als Problem. Als jedoch MOSFETs eingeführt wurden, stiegen ihre Ausfallraten, das Problem wurde untersucht und es wurde festgestellt, dass der statische Aufbau ausreichend war, um das Versagen der Oxidschicht in der Vorrichtung zu verursachen.

Seitdem ist das Bewusstsein für BNE erheblich gestiegen, da gezeigt wurde, dass es sich auf viele Geräte auswirkt. Tatsächlich betrachten viele Hersteller heutzutage alle Komponenten als statisch empfindlich, nicht nur MOS-Geräte, die am anfälligsten für Beschädigungen sind.

Aufgrund der Bedeutung, die ESD-Herstellern von Elektronikgeräten beimessen, geben sie viele tausend Pfund aus, um sicherzustellen, dass ihre Arbeitsplätze vor den Auswirkungen von statischer Aufladung geschützt sind. Sie stellen sicher, dass die von ihnen hergestellten Produkte während des Herstellungstests keine hohen Ausfallraten aufweisen und über einen langen Zeitraum eine hohe Zuverlässigkeit nachweisen können.

Was ist ESD?

Statisch ist einfach der Ladungsaufbau zwischen zwei Oberflächen. Es entsteht, wenn Oberflächen aneinander reiben und dies zu einem Überschuss an Elektronen auf einer Oberfläche und einem Mangel auf der anderen führt.

Die Oberflächen, auf denen sich die Ladung aufbaut, können als Kondensator betrachtet werden. Die Ladung bleibt an Ort und Stelle, es sei denn, sie hat einen Weg, durch den sie fließen kann. Da es oft keinen realen Weg gibt, über den die Ladung fließen kann, kann die resultierende Spannung einige Zeit an Ort und Stelle bleiben, und dies führt zu dem Begriff "statische Elektrizität".

Wenn jedoch ein Leitungspfad vorhanden ist, fließt ein Strom und die Ladung wird reduziert. Mit der Entladung ist eine Zeitkonstante verbunden. Ein hoher Widerstand bedeutet, dass ein kleinerer Strom für eine längere Zeit fließt. Ein niedriger Widerstand führt zu einer viel schnelleren Entladung.

Offensichtlich hängen die erzeugten Spannungs- und Strompegel von einer Vielzahl von Faktoren ab. Die Größe der Person, das Aktivitätsniveau, das Objekt, gegen das die Entladung erfolgt, und natürlich die Luftfeuchtigkeit. Diese haben alle einen ausgeprägten Effekt, so dass es fast unmöglich ist, die genaue Größe der auftretenden Entladungen vorherzusagen.

Einer der Hauptfaktoren, der die erzeugten Spannungen beeinflusst, sind jedoch die Arten von Material, die aneinander gerieben werden. Es zeigt sich, dass unterschiedliche Materialien unterschiedliche Spannungen ergeben. Die erzeugte Spannung hängt von der Position der beiden Materialien in einer Reihe ab, die als triboelektrische Reihe bekannt ist.

Triboelektrische Serie

Je weiter sie voneinander entfernt sind, desto größer ist die Spannung. Derjenige, der höher in der Serie ist, erhält eine positive Ladung und derjenige, der niedriger ist, eine negative Ladung. Ein Blick auf die Liste der triboelektrischen Serien unten zeigt, dass das Kämmen der Haare mit einem Plastikkamm zu einer positiven Ladung des Haares führt und der Kamm negativ geladen wird.

Die triboelektrische Serie

Positive Ladung
Haut
Haar
Wolle
Seide
Papier
Baumwolle
Holz
Gummi
Rayon
Polyester
Polyethylen
Pvc
Teflon
Negative Ladung

Es gibt viele Möglichkeiten, wie Gebühren aufgebaut werden können. Selbst das Überqueren eines Teppichs kann zu sehr hohen Spannungen führen. Typischerweise kann dies zu Potentialen von 10 kV führen. In schlimmen Fällen kann es sogar zu Potentialen kommen, die das Dreifache dieses Wertes betragen. Selbst das Überqueren eines Vinylbodens kann dazu führen, dass Potentiale von etwa 5 kV erzeugt werden. Tatsächlich führt jede Form von Bewegung, bei der Oberflächen aneinander reiben, zur Erzeugung statischer Elektrizität. Jemand, der mit elektronischen Bauteilen an einer Bank arbeitet, kann leicht statische Potentiale von 500 V oder mehr erzeugen.


Praktische Beispiele für BNE

Eines der am häufigsten sichtbaren Beispiele für die Erzeugung von Ladung ist das Gehen durch einen Raum. Selbst dieses alltägliche Ereignis kann überraschend hohe Spannungen erzeugen. Die tatsächlichen Spannungen variieren erheblich in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Faktoren, es können jedoch Schätzungen vorgenommen werden, um das Ausmaß des Problems zu veranschaulichen.

Um das Ausmaß des Problems zu veranschaulichen, sind in der folgenden Tabelle verschiedene Beispiele aufgeführt:


Wahrscheinlich ESD-Spannungen, die durch alltägliche Aktionen verursacht werden
Ursache der LadungserzeugungWahrscheinlich erzeugte Spannung (kV) *
Über einen Teppich gehen30
Eine Plastiktüte aufheben20
Gehen auf einer Vinyl gefliesten Oberfläche15
An einer Bank arbeiten5

* Dies sind ungefähre Zahlen und gehen von einer relativen Luftfeuchtigkeit von bis zu 25% aus. Wenn die Luftfeuchtigkeit steigt, sinken auch diese Werte: Bei einer Luftfeuchtigkeit von etwa 75% können die statischen Werte um den Faktor 1 sinken sehr ungefähr 25 oder mehr. Alle diese Zahlen sind sehr ungefähr, da sie sehr stark von den jeweiligen Bedingungen abhängen, aber sie geben eine Größenordnung als Leitfaden für die zu erwartenden ESD-Werte.

Obwohl die Ergebnisse der ESD sehr hoch erscheinen, bleiben sie normalerweise unbemerkt. Die kleinste fühlbare elektrostatische Entladung liegt bei etwa 5 kV, und selbst dann ist diese Entladungsgröße möglicherweise nur gelegentlich zu spüren. Der Grund dafür ist, dass die resultierenden Spitzenströme zwar sehr hoch sein können, aber nur sehr kurze Zeit andauern und der Körper sie nicht erkennt, da die Ladung hinter ihnen relativ gering ist. Spannungen dieser Größenordnung von elektronischen oder elektrischen Geräten, bei denen mehr Strom erzeugt werden kann und die viel länger dauern, wirken sich viel stärker aus und können sehr gefährlich sein.


Statische Übertragung

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie statische Ladungen auf Halbleiterbauelemente übertragen werden können, was zu Schäden durch ESD führt. Am offensichtlichsten ist es, wenn sie von einem Gegenstand berührt werden, der aufgeladen und leitfähig ist. Das offensichtlichste Beispiel hierfür ist möglicherweise, wenn sich ein Halbleiter auf einer Werkbank befindet und jemand über den Boden geht, um eine Ladung aufzubauen und diese dann aufzunehmen.

Der geladene Finger überträgt dann die statische Ladung sehr schnell auf den Halbleiter mit der Möglichkeit einer Beschädigung. Werkzeuge können möglicherweise noch schädlicher sein. Metallschraubendreher sind noch leitfähiger und übertragen die Ladung noch schneller. Dies führt zu höheren Spitzenströmen.

Es ist jedoch nicht erforderlich, Komponenten zu berühren, um sie zu beschädigen. Gegenstände wie Plastikbecher tragen eine sehr hohe Ladung, und das Platzieren eines dieser Becher in der Nähe eines IC kann eine entgegengesetzte Ladung in den IC "induzieren". Auch dies kann das Halbleiterbauelement beschädigen. Kabelbinder aus Chemiefasern stellen ebenfalls eine ESD-Gefahr dar, da sie sich aufladen und leicht in der Nähe empfindlicher elektronischer Geräte hängen können.

ESD-Ausfallmechanismen

Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, wie ESD Halbleiterkomponenten beschädigen kann. Das offensichtlichste Ergebnis ist die sehr hohe statische Spannung, die zu hohen Spitzenströmen führt, die ein lokales Ausbrennen verursachen können. Obwohl der Strom für einen sehr kurzen Zeitraum fließt, bedeutet die winzige Strukturgröße in der integrierten Schaltung, dass Schäden sehr leicht verursacht werden. Die Verbindungsdrahtverbindungen oder Bereiche im Chip selbst können durch den hohen Spitzenstrom verschmolzen werden.

Eine andere Möglichkeit, wie Schäden durch ESD auftreten können, besteht darin, dass aufgrund der hohen Spannung ein Ausfall einer Komponente im Gerät selbst auftritt. Es kann eine Oxidschicht im Gerät zersetzen, wodurch das Gerät funktionsunfähig wird. Bei Abmessungen in einigen ICs von viel weniger als einem Mikrometer ist es nicht verwunderlich, dass selbst relativ niedrige Spannungen einen Durchschlag verursachen können.

Während Schäden durch ESD Geräte sofort zerstören können, können sie auch sogenannte latente Fehler verursachen. Dies liegt daran, dass ESD das Gerät nicht vollständig zerstört, der verursachte Schaden es jedoch nur schwächt und das Risiko besteht, dass es später in seinem Leben ausfällt. Diese latenten Defekte können normalerweise nicht erkannt werden. Das Ergebnis ist, dass das allgemeine Zuverlässigkeitsniveau erheblich verringert wird oder (mehr im Fall von analogen Geräten) die Leistung beeinträchtigt werden kann. Latente Fehler, die durch ESD verursacht werden, können sehr kostspielig sein, da die Reparatur während der Wartung eines Artikels weitaus teurer ist als die Reparatur eines Artikels, der im Werk ausgefallen ist. Der Grund dafür ist, dass ein Reparaturtechniker den Artikel normalerweise vor Ort reparieren oder an eine Reparaturwerkstatt liefern muss.

Latente Fehler können verursacht werden, wenn eine Verbindung teilweise durch ESD abgesichert ist. Oft wurde ein Teil des Leiters durch die statische Entladung zerstört, wodurch er später anfällig wurde. Eine andere Art und Weise, wie Chips beschädigt werden, besteht darin, dass Material, das aus einer Beschädigung resultiert, über die Oberfläche des Halbleiters verteilt wird, und dies kann zu alternativen Leitungswegen führen.

Aufgrund der Tatsache, dass Komponenten durch ESD leicht beschädigt werden können, behandeln die meisten Hersteller alle Halbleiter als statisch empfindliche Geräte, und viele behandeln auch alle Geräte, einschließlich passiver Komponenten wie Kondensatoren und Widerstände, als statisch empfindlich. Wenn man dies betrachtet, muss man bedenken, dass die meisten massenproduzierten Geräte heutzutage oberflächenmontierte Komponenten verwenden, deren Abmessungen viel kleiner sind als die herkömmlichen Komponenten, und dies macht sie weitaus anfälliger für Schäden durch elektrostatische Entladung.

Schau das Video: ESD Schutz von Bauteilen! (Oktober 2020).