ESD 是现代机器上的严重风险吗?

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几十年前,我听说静电是一个严重的问题。但是,现在许多计算机制造商在处理系统时似乎并不关心静电放电 (ESD) 带或其他措施等问题。

现在计算机对 ESD 的敏感性降低了吗?

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在工业中,它被称为静电放电(ESD),现在比以往任何时候都更加严重,尽管最近广泛采用的有助于降低 ESD 损坏产品可能性的政策和程序在一定程度上缓解了这一问题。

无论如何,它对电子行业的影响比许多整个行业都要大。这也是一个巨大的研究课题,非常复杂,所以我只谈几点。如果您有兴趣,有许多专门针对该主题的免费资源、材料和网站。许多人将他们的职业生涯奉献给这个领域。ESD 损坏的产品对所有涉及电子产品的公司都有非常真实和非常大的影响——无论是作为制造商、设计师还是消费者,就像工业中处理的许多事情一样,其成本会转嫁给我们。

根据 ESD 协会:

“电子时代带来了与静电和静电放电相关的新问题。而且,随着电子设备变得更快、更小,它们对 ESD 的敏感性也增加了。今天,ESD 影响当今电子环境几乎所有方面的生产力和产品可靠性。行业专家估计,由于静态导致的平均产品损失范围 [高达] 33%。其他人估计电子行业 ESD 损坏的实际成本每年高达数十亿美元。”

随着设备及其特征尺寸(广义上是指给定技术可生产的最小组件尺寸)不断变小,它们变得更容易被 ESD 损坏——经过深思熟虑,这是有道理的。用于制造电子产品的材料的机械强度通常随着其尺寸的减小而降低,材料抵抗快速温度变化的能力也随之下降,通常称为热质量 - 就像在“宏观”尺度物体中一样。2003 年左右,最小的特征尺寸在 180 纳米范围内——我们现在正在迅速接近 10 纳米。

20 年前本应无害的 ESD 事件可能会破坏现代电子产品。在晶体管上,栅极材料经常是受害者,但其他载流元件可能会汽化或熔化,IC 引脚上的焊料(技术表面贴装等效物,如球栅阵列(BGA) 现在更常见) PCB是可以熔化的,硅本身有一些关键特性(尤其是它的介电值)可以被高温改变;总的来说,它可以将电路从半导体变为常导体,当芯片通电时,通常会以火花和难闻的气味结束。

从大多数指标的角度来看,较小的特征尺寸几乎完全是积极的——比如可以支持的操作/时钟速度、功耗、(和紧密耦合的)发热等,但对损坏的敏感性,否则会被认为是微不足道的随着特征尺寸的减小,能量也会增加。

ESD 保护已内置于当今的许多电子产品中,但如果您在一个集成电路中拥有 5000 亿个晶体管,则要 100% 确定地确定静电放电将采用什么路径就不是一个容易解决的问题。

有时人体模型(人体模型;HBM)具有 100 到 250 皮法的电容;在该模型中,电压可以高达 25 kV(取决于电源)(有些声称仅高达 3 kV)。使用较大的数字,人将具有大约 150 毫焦耳的能量“电荷”。一个完全“充电”的人通常不会意识到它,它会在几分之一秒内通过第一个可用的接地路径(通常是电子设备)放电。请注意,这些数字是假设此人没有穿着能够携带额外费用的衣服,这通常是这种情况。

用于计算 ESD 风险和能量水平的模型多种,并且很快就会变得相当混乱,因为在某些情况下它们似乎相互矛盾。我找不到比另一个更明确的来源,所以我将链接到许多标准和模型的精彩讨论

不管用于计算它的具体方法如何,它不是,当然也不会听起来像多少能量——但它足以摧毁一个现代晶体管。就上下文而言,1 焦耳的能量相当于 - 根据维基百科 - 将一个中等大小的番茄(100 克)从地球表面垂直提升 1 米所需的能量。

这是仅针对人类的 ESD 事件的“最坏”情况,即人类携带电荷并将其放电到易受影响的设备中。当人的接地极差时,会出现相对较低的电荷量导致的高电压。损坏什么和损坏多少的一个关键因素实际上不是电荷或电压,而是电流——在这种情况下,可以认为电子设备接地路径的电阻有多低。

在电子设备周围工作的人通常总是接地,脚上有腕带和/或接地带。这些不是接地“短路” - 电阻的大小可以防止工人成为避雷针(容易触电) - 腕带通常在 1 兆欧范围内,但这仍然允许快速释放任何积累的能量。电容和绝缘物品以及任何其他产生电荷或储存电荷的材料都与工作区域隔离——例如聚苯乙烯、泡沫包装和塑料杯。

有无数其他材料和情况会导致 ESD 损坏(来自正负相对电荷差异)到人体本身不“内部”携带电荷的设备,它只是促进它的移动 - 卡通例如,穿着羊毛毛衣和袜子穿过地毯,然后捡起触摸金属物体 - 这会产生比身体本身可以储存的能量高得多的能量。

关于损坏现代电子产品所需的能量是多么少的最后一点:10 nm 晶体管特征尺寸(目前还不常见,但将在未来几年内)具有小于 6 nm 的栅极厚度 - 这接近于他们称之为“单层”——单层原子。

这是一个非常复杂的领域,由于大量变量,包括放电速度(电荷与地之间的电阻大小)、数量通过设备接地的路径、湿度和环境温度等等。所有这些变量都可以插入到模拟影响的各种方程中,但它们在预测实际损害方面还不是非常准确,但在确定事件“可能”的损害方面做得更好。

在许多情况下——这是非常特定于行业的(想想医疗或航空航天),引发 ESD 事件的灾难性故障比在制造和测试过程中未被注意但会产生非常小的缺陷的 ESD 事件要好得多,或者可能会使预先存在的未检测到的潜在缺陷稍微恶化,在这两种情况下,由于额外的“轻微”ESD 事件或只是经常使用,这两种情况都会随着时间的推移变得更糟,最终导致设备的灾难性和过早故障(也就是婴儿死亡率)在可靠性模型无法预测的人为缩短的时间范围内(这是维护/更换计划的基础)。由于这种危险,而且很容易想到可怕的情况——心脏起搏器微处理器,

现在,对于不从事电子产品制造或对电子产品制造了解不多的消费者来说,这似乎不是问题——当大多数电子产品被打包出售时,有许多安全措施可以防止大多数 ESD 损坏——敏感的组件在物理上无法接近,并且有更“方便”的接地路径,(例如,计算机机箱接地 - 将 ESD 释放到其中几乎肯定不会损坏机箱内的 CPU,而是通过低电阻路径接地电源和墙壁电源)或者没有合理的载流路径是可能的——许多手机的外部是不导电的,并且在充电时只有接地路径。

根据记录,我必须每三个月接受一次 ESD 培训,这样我才能继续前进。但我认为这应该足以回答你的问题。我相信这里的一切都是准确的,但我强烈建议直接阅读它以更好地了解这些现象,如果我没有永远摧毁你的好奇心。

人们发现有悖常理的一件事是,您经常看到存放和运输电子产品的袋子——防静电袋——也是导电的。抗静电意味着该材料不会因与其他材料的相互作用而收集任何有意义的电荷,但在 ESD 世界中同样重要的是,尽可能地,一切都具有相同的“接地”电压参考,因此工作表面(ESD 垫),ESD 袋和其他材料通常都连接到公共接地(或者只是在它们之间没有绝缘材料)或更明确地通过在所有工作台之间将低电阻路径连接到地面,工人手腕的连接器乐队、地板和一些设备。这里有安全问题——如果你在高爆炸药和电子产品周围工作,您的腕带可能直接接地,而不是使用 1 Mohm 电阻器。如果您在非常高的电压下工作,您根本不会将自己接地。

思科对 ESD 成本的另一个引述 - 这甚至可能有点保守,因为思科现场故障造成的附带损害通常不会导致生命损失,这可能会使 100 倍的数量级增加:

当您查看与 ESD 损坏组件相关的成本时,您会感到惊讶。与故障相关的成本取决于发现损坏的时间。估计如果发现损坏:

  • 在组装过程中,成本是组装和人工成本的 1 倍。
  • 在测试期间,成本是组装和人工成本的 10 倍。
  • 在客户现场,成本是组装和人工成本的 100 倍

  • 只是要指出 - 皮法是电容单位,而不是电荷单位。你是说身体可以储存250皮库仑,还是说它的电容是250皮法? (4认同)

Dav*_*vid 11

我不会试图超越@Argonauts 对 ESD 的讨论 :)
我确实想在该答案中添加一些内容。@Argonauts 指出,许多/大多数消费电子产品都有安全措施。我相信您的问题的答案是这些保护措施(在大多数情况下)得到了显着改善。

例如,我 1980 年代早期的 Commodore 64 在电源开关附近有两个操纵杆连接器,它们都位于外壳的侧面。这些是 9 针“公”连接器1,因此除非您向右弯腰观看您在做什么,否则您很有可能在摸索开关时刷掉暴露的连接器针脚……如果您接触正确的针脚组合(并且您的身体/衣服正在充电),您会触发 ESD 进入机器内部。

除此之外,某些软件需要使用特定的操纵杆端口……这意味着在某些时候,您可能会摸索着将操纵杆从端口 1 中拉出并将其插入端口 2(反之亦然) . 同样,您很有可能触摸两个端口之一并可能触发 ESD。

今天,您的操纵杆可能使用 USB (“A”) 连接器。但更重要的是,USB 连接器的针脚位于外壳内部,无法触摸,或几乎无法触摸(至少用手指)。

类似地,我的 Commodore(以及其他类似老式 IIRC 的计算机)的墨盒接口与外露的针脚和外壳齐平。这不仅是 ESD 的机会,也是可能干扰墨盒连接的灰尘积聚的机会。

但是当(任天堂)NES 出现在现场时,它的墨盒插槽有一个装有弹簧的盖子“门”。

如果您在 PC(或控制台或其他任何东西)内部乱搞,ESD 仍然是一个(潜在的)问题。但几十年前,通过 ESD 损坏系统而无需打开系统相对容易。仅仅因为电子产品在设计时就考虑到了 ESD 的可能性,所以这种危险的影响要小得多。


  1. 这个连接器接口已经被 Atari 2600 控制台使用,因此可以使用各种各样的第三方硬件。

  • Atari 早期用于 2600 的墨盒都有弹簧门,控制台本身也是如此。第三方墨盒省略了门,后来的控制台(如 7800 和 2600jr)也是如此。Atari 400 和 Atari 800 的门与电源开关互锁并完全封闭了墨盒,以通过 1970 年代的射频辐射要求。 (2认同)
  • @nocomprende 公平点。但我会说问题的一部分是将耳机插孔放在 USB 插槽旁边。特别是如果两者都在后面(在台式机上)在侧面(在笔记本电脑上)。不幸的是,这就是我的笔记本电脑的布局:( (2认同)
  • @nocomprende 即插即用与热插拔不同。例如,我认为术语 [Amiga 上使用的 Autoconfig](https://en.wikipedia.org/wiki/Autoconfig) 比即插即用更好,因为它实际上描述了发生的情况。SATA 标准是可热插拔的,但[显然一些硬件实现它不是](https://serverfault.com/a/690689/58408)。许多内部总线(PCI、PCIe 等)是即插即用的,但通常不能热插拔(尽管某些主板允许您关闭特定插槽的电源,允许在不关闭系统的情况下安装和移除卡)。 (2认同)