ESD 对现代机器来说是否存在严重风险？

Question 1

在工业上它被称为静电放电（ESD）现在比以前任何时候都更加成问题，尽管最近广泛采用的政策和程序有助于降低 ESD 损坏产品的可能性，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。这也是一个庞大的研究课题，非常复杂，所以我只谈几点。如果你感兴趣，有很多免费的资源、材料和网站专门讨论这个主题。许多人将自己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巨大的影响——无论是制造商、设计师还是消费者，而且就像行业中处理的许多事情一样，它的成本会转嫁给我们。

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，随着电子设备变得越来越快、越来越小，它们对 ESD 的敏感度也越来越高。如今，ESD 几乎影响了当今电子环境各个方面的生产力和产品可靠性。行业专家估计，静电导致的平均产品损失高达 33%。另一些人估计，ESD 给电子行业造成的实际损失每年高达数十亿美元。”

随着设备及其特征尺寸（大致指给定技术可生产的最小组件尺寸）不断变小，它们变得更容易受到 ESD 损坏 - 经过一番思考后，这是有道理的。一般来说，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下降，材料抵抗快速温度变化的能力也会下降，通常称为热质量 - 就像“宏观”尺度物体一样。2003 年左右，最小的特征尺寸在 180 纳米范围内 - 现在我们正在迅速接近 10 纳米。

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，但其他载流元件可能会蒸发或熔化，IC 引脚上的焊料（技术上相当于表面贴装的球栅阵列（BGA）现在更为常见）可能会熔化，并且硅本身的一些关键特性（特别是其介电值）可能会因高温而改变；总之，它可以将电路从半导体变为常导体，这通常会导致芯片通电时产生火花和难闻的气味。

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 - 例如可以支持的操作/时钟速度、功耗、（紧密耦合的）热量产生等，但随着特征尺寸的减小，对原本被认为是微不足道的能量造成的损坏的敏感度也会大大增加。

如今，许多电子产品都内置了 ESD 保护功能，但如果集成电路中有 5000 亿个晶体管，那么 100% 确定静电放电将采取什么路径就不是容易解决的问题。

有时人体会被建模（人体模型; HBM) 具有 100 到 250 皮法拉的电容；在该模型中，电压可以高达（取决于电源）25 kV（有些人声称仅高达 3 kV）。使用较大的数字，人体将拥有大约 150 毫焦耳的能量“电荷”。完全“充电”的人通常不会意识到这一点，它会在几分之一秒内通过第一个可用的接地路径放电 - 通常是电子设备。请注意，这些数字假设该人没有穿着能够携带额外电荷的衣服，而通常情况如此。

有不同的模型计算 ESD 风险和能量水平的方法有很多，但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，所以我只链接到这个精彩的讨论许多标准和模型。

无论使用何种具体方法计算，它都不是、当然听起来也不是很多能量 - 但足以摧毁一个现代晶体管。根据维基百科，1 焦耳能量相当于将一个中等大小的西红柿（100 克）从地球表面垂直举起 1 米所需的能量。

这是人类 ESD 事件的“最坏”情况，即人类携带电荷并将其释放到易受影响的设备中。当人体接地极差时，就会产生相对较少电荷产生的高电压。造成损坏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，可以认为是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都会接地，脚上会佩戴腕带和/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）——腕带的电阻通常在 1 兆欧姆范围内，但仍能快速释放任何累积的能量。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都与工作区域隔离——例如聚苯乙烯、气泡膜和塑料杯。

实际上，有无数其他材料和情况会导致设备发生 ESD 损坏（来自正负相对电荷差异），而人体本身并不“内部”携带电荷，它只是促进电荷的移动 - 一个卡通级别的例子是穿着羊毛衫和袜子走过地毯然后触摸金属物体 - 这产生的能量远远高于人体本身可以储存的能量。

关于损坏现代电子产品所需能量有多小，最后一点是：10 纳米晶体管特征尺寸（目前还不常见，但在未来几年会很常见）的栅极厚度小于 6 纳米 - 这接近他们所谓的“单层” - 单层原子。

这是一个非常复杂的领域，由于变量数量巨大，包括放电速度（电荷和地之间的电阻大小）、通过设备接地的路径数量、湿度和环境温度等等，因此很难预测 ESD 事件对设备造成的损害程度。所有这些变量都可以代入各种方程式来模拟影响，但它们在预测实际损害方面还不够准确，但在界定事件可能造成的损害方面则更好。

在许多情况下 - 这是非常特定于行业的（例如医疗或航空航天），引发 ESD 事件的灾难性故障的结果远比在制造和测试过程中未被发现的 ESD 事件要好得多，但会造成非常小的缺陷，或者可能略微恶化预先存在的未被发现的潜在缺陷，在这两种情况下，由于额外的“轻微”ESD 事件或只是常规使用，这种情况可能会随着时间的推移而变得更糟，最终导致设备在可靠性模型（维护/更换计划的基础）无法预测的人为缩短的时间内发生灾难性和过早故障（又称早期死亡率）。由于这种危险，很容易想到可怕的情况 - 心脏起搏器微处理器或飞行控制仪器 - 想出测试和模拟潜在 ESD 诱导缺陷的方法目前是一个主要的研究领域。

现在，对于不从事电子制造业或对电子制造业了解不多的消费者来说，这似乎不是什么问题 - 在大多数电子产品包装出售时，已采取了多种保护措施来防止大多数 ESD 损坏 - 敏感组件在物理上无法访问，并且有更多“方便”的接地路径可用，（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，而是通过电源和墙上电源采用低电阻接地路径）或者没有合理的载流路径 - 许多手机具有非导电外壳，并且只有在充电时才有接地路径。

顺便说一句，我必须每三个月接受一次 ESD 培训，所以我可以继续学习。但我认为这足以回答你的问题。我相信这里的一切都是准确的，但如果我没有彻底摧毁你的好奇心，我强烈建议你直接阅读它以更好地了解这种现象。

人们发现有一件违反直觉的事情是，你经常看到的用于存放和运输电子产品的袋子 - 防静电袋 - 也是导电的。防静电意味着材料不会因与其他材料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，尽可能让所有东西都具有相同的“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（要么简单地在它们之间不使用绝缘材料），或者更明确地通过在所有工作台、工人腕带的连接器、地板和一些设备之间布线低电阻路径接地。这里存在安全问题 - 如果你在高爆炸药和电子设备周围工作，你的腕带可能会直接接地，而不是使用 1 Mohm 电阻。如果你在非常高的电压下工作，你根本不会接地。

思科对 ESD 成本的另一个报价——这可能甚至有点保守，因为对于思科来说，现场故障造成的附带损害通常不会导致生命损失，这可以将上述 100 倍的成本提高几个数量级：

当您查看与 ESD 损坏组件相关的成本时，您会感到十分惊讶。与故障相关的成本取决于损坏的发现时间。据估计，如果发现损坏：

组装期间的成本是组装和人工成本的 1 倍。

在测试期间，其成本是组装和人工成本的 10 倍。

在客户现场，成本是装配和人工成本的 100 倍

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