ESD是否对现代机器构成严重风险?


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我听说静电是几十年前的一个严重问题。但是,现在,许多计算机制造商在系统上工作时似乎都不会为静电放电(ESD)带或其他措施而烦恼。

现在计算机是否更不容易受到ESD的影响?


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已经发明和实施了更新/更好的保护材料。此外,更多的行业标准可防止廉价滑板制造商在错误的地方偷工减料。
cybernard '16

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这仍然是一个大问题。是什么让您认为这没什么大不了的?人们一直在因ESD损坏其组件
Ramhound

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@Ramhound:多年来,人们在弄清楚如何有效地保护组装好的设备免受外部ESD以及如何安全处理未受保护的设备方面取得了进步,因此ESD不再像以前那样成为问题。
超级猫

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自1985年左右以来发生了很大变化的一件事是,今天,典型用户要么永远不想打开计算机或电子设备,并且/或者他们将无法打开自己拥有的任何ESD敏感设备。30年前,打开计算机以更改设置或组件的做法更为普遍并且更可行。请注意,今天,一些高端用户(游戏玩家就是一个很好的例子)以及IT员工出于各种原因仍在打开计算机,并且必须注意ESD危险。
Todd Wilcox

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你真幸运……
Ramhound

Answers:


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在工业中,它被称为静电放电(ESD),现在它比以往任何时候都更加棘手,尽管最近被广泛采用的有助于降低ESD损坏产品可能性的政策和程序有所缓解。

无论如何,它对电子行业的影响要大于许多整个行业。这也是一个巨大的研究主题,而且非常复杂,因此我只谈几点。如果您有兴趣,有很多免费的资源,材料和网站专用于该主题。许多人将自己的职业致力于这一领域。受到ESD破坏的产品对涉及电子产品的所有公司都产生了非常巨大的影响-无论是作为制造商,设计师还是消费者,并且像工业中处理的许多事情一样,其成本也转移给了我们。

根据ESD协会:

电子产品的时代带来了与静电和静电放电相关的新问题。而且,随着电子设备变得越来越快和越来越小,它们对ESD的敏感性也越来越高。如今,ESD几乎影响了当今电子环境中各个方面的生产率和产品可靠性。业内专家估计,由于静电造成的平均产品损失范围高达33%。其他人估计,ESD损害电子行业的实际成本每年达到数十亿美元。”

随着设备及其功能尺寸的不断变小(松散地表示通过给定技术可生产的最小组件尺寸),它们变得更容易受到ESD的破坏-经过一番思考,这才有意义。通常,用于制造电子产品的材料的机械强度会随着尺寸的减小而降低,材料抵抗快速温度变化(通常称为热质量)的能力也会降低-就像在“宏观”规模的物体中一样。在2003年左右,最小的特征尺寸在180 nm范围内-我们现在正迅速接近10 nm。

20年前无害的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,但是其他载流元件可能会蒸发或熔化,IC引脚上的焊料(如今在技术上等效于球栅阵列(BGA)的表面贴装技术在如今已经越来越普遍)上。 PCB可以熔化,并且硅本身具有一些关键特性(尤其是其介电值),这些特性可以通过高温来改变;总而言之,它可以将电路从半导体变为常导,通常在打开芯片电源时会产生火花和难闻的气味。

从大多数度量角度来看,较小的功能几乎完全是正面的-可以支持的工作/时钟速度,功耗,(和紧密耦合的)发热等问题,但是对于损坏的敏感性(否则将被认为是微不足道的)随着特征尺寸的减小,能量的消耗也会增加。

如今,许多电子产品都内置了ESD保护,但是如果集成电路中有5000亿个晶体管,那么确定静电放电将以100%的确定性走哪条路并不是一个棘手的问题。

有时将人体建模为(人体模型; HBM)具有100至250皮法拉的电容;在该模型中,电压可以高达25 kV(取决于来源),有些人声称只有3 kV。使用更大的数字,该人将获得大约150毫焦耳的能量“电荷”。充满电的人通常不会意识到这一点,并且会通过第一条可用的接地路径(通常是电子设备)在几分之一秒内放电。请注意,这些数字是假设该人没有穿着能够承担额外费用的衣服,通常是这种情况。

多种计算ESD风险和能源水平的模型,由于在某些情况下它们似乎相互矛盾,因此非常迅速地使人困惑。我找不到比其他来源更具权威性的资料,因此,我将链接到对许多标准和模型的精彩讨论

不管用于计算它的具体方法是什么,它听起来都不会,当然也不会听起来那么多-但这足以摧毁现代晶体管。就上下文而言,每维基百科相当于1焦耳的能量相当于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。

这是纯人类的ESD事件的“最坏”情况,人类正在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,就会产生相对较低的充电量而产生的高电压。损坏程度和损坏程度的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的电阻有多低。

通常,在电子设备周围工作的人总是要接地,脚上戴有腕带和/或接地带。这些不是接地的“短路”-电阻的大小可以防止工人被避雷针(容易被电击)-腕带通常在1 Mohm范围内,但是仍然可以快速释放任何积聚的能量。电容性和绝缘性物品以及任何其他产生或存储电荷的材料与工作区域隔离,例如聚苯乙烯,气泡包装纸和塑料杯。

从字面上看,还有无数其他材料和情况可能会导致ESD损坏(由正负相对电荷差异引起),而人体本身并不“内部”携带电荷,这只是促进其移动而产生的设备-卡通一个典型的例子是穿着羊毛毛衣和袜子,同时在地毯上行走,然后触摸金属物体-产生的能量大大高于身体自身的能量。

关于损坏现代电子设备所需的能量的最后一点:10 nm晶体管的特征尺寸(目前尚不常见,但将在未来几年内使用)的栅极厚度小于6 nm-接近于他们称之为“单层”-原子的单层。

这是一个非常复杂的区域,由于存在大量变量,包括放电速度(电荷与地之间的电阻大小),数量等因素,因此很难预测ESD事件可能对设备造成的损害程度。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对影响进行建模的各种方程式中,但是它们在预测实际损害方面还不是十分准确,但是在确定事件的“可能”损害方面更好。

在很多情况下-这是非常特定于行业的(例如医学或航空航天),导致灾难性故障的ESD事件比通过制造和测试未注意到的ESD事件要好得多,但是会造成非常小的缺陷,或者可能会稍微加重先前未发现的潜在缺陷,在这两种情况下,由于额外的“较小” ESD事件或仅是经常使用,随着时间的流逝,这种缺陷可能会变得更糟,最终导致设备的灾难性和过早失效(又称婴儿死亡率)在人为缩短的时间范围内,而可靠性模型无法预测(这是维护/更换计划的基础)。由于存在这种危险,很容易想到可怕的情况-起搏器微处理器,

现在,对于没有从事电子制造工作或对电子制造了解不多的消费者,这似乎不是问题-到大多数电子产品打包出售时,已经有许多保护措施可以防止大多数ESD损坏-组件在物理上是不可触及的,并且可以使用更“方便”的接地路径(例如,将计算机机箱接地)-将ESD释放到其中几乎可以肯定不会损坏机箱内部的CPU,而是通过低电阻路径通过接地电源和壁式电源),或者没有合理的载流路径-许多手机的外部不导电,充电时只有接地路径。

作为记录,我必须每三个月参加一次ESD培训,因此我可以继续前进。但是我认为这足以回答您的问题。我相信其中的所有内容都是准确的,但我强烈建议您直接阅读该书,以使我更好地了解这种现象,前提是我没有永远消除您的好奇心。

人们发现违反直觉的一件事是,您经常看到的存储和运输电子产品的袋子-防静电袋子-也具有导电性。防静电意味着该材料不会与其他材料相互作用而收集任何有意义的电荷,但是在ESD世界中,同样重要的是,尽可能使所有物体具有相同的“接地”参考电压,因此工作表面(ESD垫),通常将ESD袋和其他材料都固定在一个公共接地上(或者只是在它们之间没有绝缘材料),或者通过在所有工作台之间(工作人员腕部的连接器之间)将低电阻路径接地连接来更明确地乐队,地板和一些设备。这里有安全问题-如果您要处理高爆炸物和电子设备,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,则根本不会接地。

思科关于ESD成本的另一种说法-甚至可能有点保守,因为思科因现场故障而造成的附带损害通常不会导致生命损失,这可能使数量级提高100倍:

当您查看与ESD损坏的组件相关的成本时,这真是令人惊讶。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:

  • 在组装期间,成本是组装和人工成本的1倍。
  • 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

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只需指出-皮法拉是电容的单位,而不是电荷。您是说人体可以存储250皮库仑,还是其电容为250皮法拉?
Gremlin

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您是对的-我混合了单位。在同一部分中,我犯了一些其他错误,因此我尝试进行澄清。感谢您的注意。根据所选择的型号,人体的电容为100到250 pF。在某些型号中具有1k Ohm串联电阻;在其他型号中,电感量很小。我认为问题在于,它依赖于如此多的不同变量,大多数情况下它们都是错误的,并且在某些“完美”情况下,模型是正确的-但我认为模型的目的不是100 %准确,但可以表征。再次感谢。
Argonauts

旧的空心状态装置没有任何魔术烟雾可以散发出去。它们可以在附近的闪电或EMP事件中幸存下来。但是,然后,用它们制成的手机就相当于一个城市的大小了……在为汽车加油时,我总是要小心,通过在松开瓶盖之前同时触摸汽车和喷口来释放静电。当火花点燃燃油箱时,这可防止损坏汽车和泵。人们真的应该更加了解ESD!不知道为什么他们在加油时会说不使用手机。我想你可能会分心并变得一成不变。

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@Argonauts-这是一个很好的答案。在现实世界中,维修PCB的人员会自行接地,如果不接地,则很可能由质量控制人员自行编写。
Ramhound

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我不会尝试超越@Argonauts对ESD的讨论:)
我确实想在此答案中添加一些内容。@Argonauts指出,许多/大多数消费类电子产品都有相应的安全措施。我相信您的问题的答案是,这些保障措施(在大多数情况下)已大大改善。

例如,我1980年代初期的Commodore 64在电源开关附近有两个操纵杆连接器,均位于机壳侧面。这些是9针“公”连接器1,因此,除非您向右弯曲以观察您的工作,否则您很有可能在感觉开关时刷掉裸露的连接器针...如果您如果触摸针的正确组合(并且您的身体/衣服都在充电),您将在机器内部触发ESD。

除此之外,某些软件还要求使用特定的操纵杆端口……这意味着您可能会在某个时候或某些时候将操纵杆从端口1中拉出并插入端口2中(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连接器的针脚凹进了外壳的内部,无法触摸,或者几乎不能触摸(至少用手指)。

同样,我的Commodore(和其他类似IIRC的其他计算机)的墨盒接口裸露在外,与外壳齐平。这不仅是ESD的机会,也是灰尘堆积的机会,这些灰尘可能会干扰盒式磁带的连接。

但是,当(任天堂)NES出现在场景中时,它的墨盒插槽上有一个弹簧盖“门”。

如果您在PC(或控制台)等内部乱搞,ESD仍然是一个(潜在的)问题。但是几十年前,通过ESD破坏系统而不打开它相对容易。仅仅因为电子产品在设计时就考虑了ESD的可能性,所以这种危险就不再那么重要了。


  1. Atari 2600控制台已经使用了此连接器接口,因此可以使用多种第三方硬件。

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Atari早期用于2600的弹药盒以及控制台本身都装有弹簧门。第三方墨盒省略了门,后来的7800和2600jr控制台也是如此。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RF发射要求。
超级猫

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@nocomprende公平的观点。但是我会说部分问题是将耳机插孔放在USB插槽旁边。特别是当两者都在侧面(在笔记本电脑上)在背面(在台式机上)时。不幸的是,我的笔记本电脑是这样布置的:(
David

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@supercat我记得2600上的墨盒舱门……但是我不记得拥有任何带门的墨盒。我从未拥有过Atari,但我似乎还记得其他具有开放式墨盒插槽的现代机器。同样,Commodores上的IIRC墨盒端口是打印机端口的两倍,这会使您描述的互锁类型不切实际。
大卫,

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@David:我不知道有使用墨盒端口的打印机。Commodore打印机使用与磁盘驱动器相同的串行总线。
弗雷德·拉森

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@nocomprende即插即用与可热插拔不同。我认为例如Amiga上使用的术语Autoconfig比即插即用更好,因为它实际上描述了会发生什么。SATA标准是可热插拔的,但显然某些硬件无法实现。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,从而可以在不关闭系统的情况下安装和卸下卡)。
CVn
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