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如何防范嚴(yán)重的靜電

日期：2024-12-23 03:37
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摘要：
如何防范嚴(yán)重的靜電
 
 
人與老鼠之間的斗爭(zhēng)持續(xù)了千百年，人類并未取得*終勝利。ESD之與電腦，猶如鼠之與人類，其破壞作用具有隱蔽性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，稍不留神，電腦就會(huì)被它摧毀，真是太恐怖了。
　　《微型計(jì)算機(jī)》雜志2005年第2期對(duì)MSI主板發(fā)生多起南橋芯片燒毀的事件進(jìn)行了報(bào)道，這一事件對(duì)MSI來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一場(chǎng)災(zāi)難，但對(duì)這個(gè)業(yè)界來(lái)說(shuō)，能引起ESD（ElectroStaticDischarge，靜電釋放）問(wèn)題的關(guān)注，又是一件好事。
      那么ESD是怎樣損害硬件的？廠商應(yīng)采取哪些措施來(lái)防范ESD？電腦用戶在使用過(guò)程中該如何避免ESD的危害呢？讓我們先來(lái)認(rèn)識(shí)一下靜電吧。
一、無(wú)處不在的靜電
　　物質(zhì)是由原子組成的，原子中有不帶電的中子、帶正電的質(zhì)子和帶負(fù)電的電子。在正常狀況下，一個(gè)原子中的質(zhì)子與電子在數(shù)量上相等，正負(fù)電荷平衡，所以對(duì)外表現(xiàn)出不帶電的現(xiàn)象。而當(dāng)兩個(gè)物體產(chǎn)生相互摩擦?xí)r，產(chǎn)生的熱量提升了電子能級(jí)，使不活潑的電子變成很容易逃逸的活潑電子，這樣的電子能夠從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體中去，使兩個(gè)本來(lái)處于中性的物體變成為帶電的物體，這就是我們耳熟能詳?shù)摹澳Σ辽姟爆F(xiàn)象。
摩擦生電過(guò)程中，電子轉(zhuǎn)移的數(shù)量和轉(zhuǎn)移速度不僅與材料的性能差異有關(guān)，也與現(xiàn)場(chǎng)溫度和濕度有關(guān)。秋冬季節(jié)，由于空氣濕度低，分子間的黏滯力小，運(yùn)動(dòng)速度加快，很容易產(chǎn)生靜電。不僅流動(dòng)的空氣會(huì)產(chǎn)生靜電，我們?cè)诘匕迳献邉?dòng)、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)椅、開(kāi)關(guān)抽屜、拿取紙筆、移動(dòng)鼠標(biāo)等動(dòng)作也會(huì)產(chǎn)生靜電，使這些物體和人體帶上靜電荷。
　　除了摩擦生電，用電設(shè)備中還有“感應(yīng)生電”和“容性生電”等靜電成因。設(shè)備、電路、金屬與非金屬結(jié)構(gòu)之間即便不發(fā)生接觸，也會(huì)通過(guò)上述兩種方式產(chǎn)生靜電。俗話說(shuō)，隔山不打鳥(niǎo)，但物體間的靜電感應(yīng)現(xiàn)象即便相隔一段距離也會(huì)發(fā)生：CRT顯示器屏幕作為一個(gè)感應(yīng)源，也會(huì)在身體上感應(yīng)出靜電，使我們的臉上布滿灰塵；兩根平行導(dǎo)線之間因?yàn)榇嬖诩纳娙?，也?huì)在彼此間轉(zhuǎn)移電荷。
　　多種靜電產(chǎn)生方式使得我們周圍環(huán)境中處處存在靜電，如果說(shuō)我們生活在一個(gè)靜電的世界里，一點(diǎn)也不算夸張吧。
二、ESD是電腦的無(wú)形殺手
　　在我們的周圍環(huán)境甚至我們的身上都會(huì)帶有不同程度的靜電，當(dāng)靜電積累到一定程度時(shí)就會(huì)發(fā)生靜電釋放。ESD過(guò)程是處于不同電勢(shì)的物體之間的靜電電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程，其強(qiáng)烈程度受電量大小及物體間距的影響。自然界的雷電現(xiàn)象是強(qiáng)對(duì)流氣候下典型的ESD現(xiàn)象，瞬間所釋放的巨大能量，能將雷電流所經(jīng)過(guò)的空氣電離，使空氣變成阻值很低的導(dǎo)電通道，形成超強(qiáng)的電流和極高的溫度，破壞力極大。
　　日常生活中的ESD現(xiàn)象在頻繁地發(fā)生著，雖然沒(méi)有雷電那么強(qiáng)烈，也會(huì)有火花式放電，不僅伴有“噼叭”聲響，還會(huì)閃閃發(fā)光。研究表明，當(dāng)電壓大于8000V時(shí)可以看到ESD發(fā)出的光亮，當(dāng)電壓大于6000V時(shí)可以聽(tīng)到ESD的放電聲；當(dāng)電壓大于3000V時(shí)可以感覺(jué)到有ESD發(fā)生；而當(dāng)靜電電壓低于3000V時(shí)，也會(huì)發(fā)生ESD過(guò)程，只是我們沒(méi)有感覺(jué)到而已。也就是說(shuō)，很多ESD過(guò)程是在悄無(wú)聲息地進(jìn)行的。
　　ESD是電腦的無(wú)形殺手。筆者的維修生涯中經(jīng)歷過(guò)許多電腦故障，根本查不出是什么原因，當(dāng)時(shí)感到莫名其妙，現(xiàn)在想來(lái)應(yīng)該與ESD有關(guān)。當(dāng)靜電電壓較低時(shí)，ESD產(chǎn)生的電氣噪聲會(huì)對(duì)邏輯電路形成干擾，引發(fā)IC芯片內(nèi)邏輯電路死鎖（LatchUp），導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸或運(yùn)算出錯(cuò)，也可能對(duì)芯片形成輕微的物理?yè)p傷而提前老化或潛在失效；當(dāng)靜電電壓超過(guò)250V時(shí)，ESD就能擊穿電腦芯片了。
　　ESD作用于電腦芯片時(shí)，由于放電回路的電阻通常都很小，所以電荷釋放的瞬間放電電流會(huì)很大。例如將帶靜電的電纜插到電腦的接口上時(shí)，放電回路的電阻幾乎為零，形成高達(dá)幾十安培的放電電流，如此大的尖峰電流一旦從芯片的某個(gè)引腳流入，足以將芯片的局部熔化，燒斷芯片內(nèi)的晶體管和金屬連線，使芯片產(chǎn)生長(zhǎng)久性的功能喪失，或者破壞芯片內(nèi)的鈍化層，使芯片性能降低。芯片損壞后，我們從外觀上絲毫看不出有什么變化，但利用FESEM儀器還是可以看清電路熔斷的情形。
如今電腦里的CPU芯片、存儲(chǔ)器芯片和主板上的南橋、北橋等超大規(guī)模集成電路芯片廣泛采用CMOS（復(fù)合金屬氧化物半導(dǎo)體）材料，CMOS器件具有集成度高、成本低、速度快、能耗低的優(yōu)點(diǎn)，因此使用范圍很廣。然而，CMOS器件的一個(gè)致命的弱點(diǎn)是輸入阻抗很大，很容易被ESD擊穿。隨著芯片工藝的進(jìn)步，工作速度加快了，但芯片也變得脆弱了。集成度的提高使得器件尺寸越來(lái)越小，器件之間的連線寬度越來(lái)越窄，鈍化層越來(lái)越薄，這些因素都會(huì)時(shí)芯片對(duì)靜電放電的敏感性也越大。一個(gè)不太高的電壓就能將晶體管擊穿，一個(gè)微小的ESD電流就能將連線熔斷。
　　ESD已成為當(dāng)今電腦的頭號(hào)殺手。Intel的研究表明，在引起電腦故障的諸多因素中，ESD是*大的隱患，將近一半的電腦故障都是由EOS／ESD引起的（如圖3）。EOS表示過(guò)電應(yīng)力（ElectricalOver Stress）。
ESD對(duì)電腦的破壞作用具有隱蔽性、潛在性、隨機(jī)性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，當(dāng)我們?cè)诮佑|電腦板卡和芯片時(shí)，不管是電腦上有靜電，還是我們身體上有靜電，ESD都有可能發(fā)生在接觸的瞬間，可謂防不勝防。東莞佳創(chuàng)凈化科技專業(yè)提供防靜電產(chǎn)品，無(wú)塵室用品。
　　寫到這里，我的大腦中突然閃現(xiàn)出一年前在一個(gè)網(wǎng)吧里所親歷的電腦大面積損壞事情。這家網(wǎng)吧中有40臺(tái)機(jī)器，居然在半年不到的時(shí)間里損壞了差不多一半。經(jīng)過(guò)檢查，我發(fā)現(xiàn)網(wǎng)吧中使用的穩(wěn)壓電源并沒(méi)有質(zhì)量問(wèn)題，檢查接地線才發(fā)現(xiàn)，雖然房間內(nèi)有接地線，但房屋外面只是用一根不到一米長(zhǎng)的鋼筋打入地下作為地線，而且連接處銹跡斑斑。網(wǎng)吧老板根據(jù)我的建議對(duì)地線進(jìn)行改造后，電腦很少?gòu)拇撕艹龉收狭恕?/span>
三、設(shè)計(jì)和制造中的防靜電措施
　　芯片制造工藝按摩爾定律不斷取得進(jìn)步，低電壓、微功耗、高集成度技術(shù)給制造商帶來(lái)源源不斷的利潤(rùn)，而ESD對(duì)電腦的危害性也隨之增長(zhǎng)，可以說(shuō)ESD對(duì)摩爾定律繼續(xù)有效將會(huì)是一個(gè)障礙，這是業(yè)界不愿看到但又不得不面對(duì)的嚴(yán)重問(wèn)題。
ESD問(wèn)題是一個(gè)系統(tǒng)工程，在設(shè)計(jì)時(shí)可從幾個(gè)方面著手。一是要保證電腦本身不會(huì)因產(chǎn)生強(qiáng)靜電感應(yīng)而自我毀滅，如增加屏蔽和隔離措施、通過(guò)增大PCB接地面積改善電荷泄漏通路等；二是要選擇ESD特性好的芯片，不同廠家的同一種芯片性能也會(huì)有所不同，在芯片說(shuō)明中一般都有提到；三是增設(shè)保護(hù)電路，抵御外來(lái)的靜電。
　　*好的技術(shù)應(yīng)該是既能滿足使用要求，又能做到成本*低。電腦在保修期內(nèi)損壞，廠商通常要為用戶免費(fèi)維修或進(jìn)行更換。如果產(chǎn)品故障率高居不下，不僅會(huì)增加維修成本、減少利潤(rùn)，甚至要召回失敗產(chǎn)品而影響制造商聲譽(yù)。面對(duì)越來(lái)越脆弱的芯片，研究和實(shí)施防靜電技術(shù)以提高制造成品率、降低使用故障率，是所有芯片制造商和整機(jī)制造商都必須解決的問(wèn)題。
● 芯片的防靜電設(shè)計(jì)
　　隨著芯片速度的提高，為了縮短引腳長(zhǎng)度而減少信號(hào)串?dāng)_，CPU和SoC (System onChip)等超大規(guī)模IC芯片的封裝越來(lái)越多地采用倒裝芯片（flipchip），倒裝芯片通常面積較大，而厚度很薄。由電容計(jì)算公式C＝εS／d可知，芯片可能攜帶大量靜電電荷Q（=C xV），換句話說(shuō)，芯片自身成了一個(gè)巨大的電容器。
       如果芯片設(shè)計(jì)者對(duì)此問(wèn)題沒(méi)有足夠認(rèn)識(shí)，未在芯片內(nèi)設(shè)置電流釋放通道，使得凈電荷不斷積聚。如此一來(lái)，芯片在接觸到工作臺(tái)或包裝盒的瞬間，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電釋放，以致于芯片損壞在制造過(guò)程之中，成品率降低了，生產(chǎn)成本提高了。
此外，CPU、GPU及北橋芯片上的金屬蓋以及散熱片，也是惹是生非的一個(gè)禍根。諾大的金屬體無(wú)異于一個(gè)靜電接收天線，極易吸附芯片周圍的電場(chǎng)，以及芯片附近導(dǎo)線上的電荷，這個(gè)因素也對(duì)芯片**構(gòu)成威脅。如果芯片設(shè)計(jì)者和整機(jī)設(shè)計(jì)者沒(méi)有考慮到這個(gè)因素，到了用戶手中再發(fā)現(xiàn)普遍存在問(wèn)題而不得不把產(chǎn)品召回時(shí)，損失就更大了。
● 整機(jī)的屏蔽與接地設(shè)計(jì)
　　在電腦生產(chǎn)車間，地板是防靜電的，制造設(shè)備是防靜電的，測(cè)試儀器是防靜電的，芯片周轉(zhuǎn)箱和庫(kù)房是防靜電的，就連操作者也要身穿防靜電服、戴上防靜電手套，一派全副武裝的模樣。但是，電腦在應(yīng)用過(guò)程中，還是會(huì)給ESD以可乘之機(jī)。為了避免感應(yīng)靜電的危害，需要對(duì)整機(jī)進(jìn)行屏蔽和接地。
電腦的金屬機(jī)箱是屏蔽靜電的重要措施，良好的接地可使受靜電危害的幾率大大降低。機(jī)箱中的主板、接口卡，軟驅(qū)、硬盤、光驅(qū)等設(shè)備，以及包裹在信號(hào)線外面的金屬屏蔽網(wǎng)，均通過(guò)機(jī)箱連接成一個(gè)整體，然后再通過(guò)電源地線接入大地，這樣不僅可以消除外來(lái)的感應(yīng)靜電，也可以消除旋轉(zhuǎn)設(shè)備自身所產(chǎn)生的摩擦靜電。為了保證部件之間接觸良好，機(jī)箱上設(shè)置有各種彈性觸點(diǎn)或彈性接觸片。
● 接口電路中植入ESD保護(hù)器
　　芯片是*容易被ESD損壞的器件，因此成為電腦中的重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象。而接口電路位于板卡電路的外圍，是抵御ESD的一道重要防線。由于電腦板卡上邏輯電路無(wú)法承受千伏級(jí)電壓，所以必須將之排除在電路之外。在電腦的各個(gè)接口處接入靜電防護(hù)器件，使靜電高壓在此釋放，避免了向電路板的縱深區(qū)域的侵入。
　　接口電路中*簡(jiǎn)易的防靜電措施是：在線路中串連一個(gè)低阻值的電阻，來(lái)限制ESD的電流，或者在信號(hào)線與地線之間接如一個(gè)小電容，來(lái)釋放ESD電流。不過(guò)這些措施會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生衰減和延遲，不利于信號(hào)傳輸。
　　近幾年生產(chǎn)的主板中，在鍵盤、鼠標(biāo)的PS/2接口以及RS－232C串行口和IEEE1284A并行口等低速端口中，多采用內(nèi)嵌防靜電功能的數(shù)據(jù)收發(fā)芯片（圖5）。接口芯片中內(nèi)嵌的ESD保護(hù)電路，是利用寄生電路實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)ESD作用時(shí)，寄生電路被觸發(fā)，泄放ESD電流或箝位ESD電壓，達(dá)到保護(hù)目的。
　對(duì)于高速的USB和IEEE1394熱插拔接口，因?yàn)橐_較少，通常接入TVS和MLV等新型靜電保護(hù)器件。TVS（Transient VoltageSuppresser，瞬態(tài)電壓抑制器）能夠迅速地將ESD故障電流釋放到接地端，而且其漏電流和結(jié)電容都很低，響應(yīng)時(shí)間也很短（1ns左右），是高速數(shù)據(jù)通路中理想的選擇，在電腦主板及各種USB設(shè)備中獲得廣泛應(yīng)用。
　　TVS器件內(nèi)通常含有若干個(gè)TVS二極管、具有多路保護(hù)作用的微型貼片元件，常見(jiàn)的封裝形式有SOT23和SC-70兩種，*新產(chǎn)品有Semtech公司的MicroClampTVS，Microsemi公司的USB50403C等。
ESD保護(hù)器往往不被人們所注意，但卻是電腦的保護(hù)神。它們?cè)陔娔X中是否起過(guò)作用、起過(guò)幾次作用，我們都無(wú)法知道。但是，如果沒(méi)有它們的暗中保護(hù)，電腦就會(huì)經(jīng)常給我們帶來(lái)麻煩。
● 對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行ESD測(cè)試
　　大家知道，電子產(chǎn)品必須通過(guò)EMC（電磁兼容性）性能測(cè)試，貼上EMC標(biāo)志，才能進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。目前*為權(quán)威的EMC標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)屬國(guó)際電工委員會(huì)制定的IEC61000-4標(biāo)準(zhǔn)，其中包括IEC 61000-4-2（ESD）、IEC 61000-4-3（抗電磁干擾）、IEC61000-4-4（電快速瞬變）、IEC 61000-4-5（浪涌敏感度）。對(duì)電腦產(chǎn)品所進(jìn)行的ESD試驗(yàn)也是以IEC61000-4-2作為標(biāo)準(zhǔn)的。
　　IEC61000-4-2規(guī)定的ESD測(cè)試有兩個(gè)項(xiàng)目：接觸電壓測(cè)試和空氣放電測(cè)試。接觸電壓測(cè)試時(shí)，ESD信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生*高4kV的可調(diào)直流電壓，當(dāng)信號(hào)發(fā)生器的探頭尖部接觸到被測(cè)設(shè)備時(shí)，發(fā)生放電?？諝夥烹姕y(cè)試時(shí)，ESD測(cè)試儀提供*高8kV的可調(diào)脈沖電壓，從測(cè)試儀的探頭發(fā)出電火花傳向待測(cè)設(shè)備。
　　千里之堤，潰于蟻穴。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、元器件篩選和制造過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)出了問(wèn)題，都可能釀成災(zāi)難性事故，而ESD測(cè)試是發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題、考驗(yàn)元器件質(zhì)量和查找制造缺陷的有效手段。MSI作為主板行業(yè)的一線大廠，居然也會(huì)出現(xiàn)南橋芯片大面積損壞的情況，問(wèn)題究竟出在哪兒還不得而知，MSI可能沒(méi)有對(duì)這一批主板逐個(gè)進(jìn)行ESD測(cè)試——這也只是猜測(cè)。
四、使用與維護(hù)中的防范措施
　　在電子行業(yè)中，ESD正在成為一個(gè)熱門技術(shù)，ESD控制已成為一個(gè)獨(dú)立的職業(yè)，防靜電器件的研發(fā)也已成為一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域。靜電測(cè)試設(shè)備、靜電防護(hù)設(shè)備、抗ESD產(chǎn)品與ESD技術(shù)服務(wù)供應(yīng)商，分門別類，一個(gè)個(gè)粉墨登場(chǎng)。即使如此，還無(wú)法徹底消除ESD的危害，畢竟靜電防護(hù)工作貫穿于產(chǎn)品的整個(gè)生命周期之中。在電腦的使用和維護(hù)、維修過(guò)程中也應(yīng)培養(yǎng)防范意識(shí)，并采取適當(dāng)?shù)姆婪洞胧?/span>
　　1、電腦機(jī)房*好安裝防靜電地板，電腦機(jī)殼需要可靠接地。對(duì)于機(jī)箱的屏蔽和接地，應(yīng)該注意兩點(diǎn)：（1）機(jī)箱各部分應(yīng)保持良好的接觸，否則，未連接到大地的部分將失去屏蔽作用；（2）如果建筑物沒(méi)有地線，需要自制簡(jiǎn)易地線。近年來(lái)新建的樓房通常都有符合規(guī)范的地線，電路施工時(shí)一定要按照配電規(guī)范，將火線、零線和地線分別接入插座或插排上的正確位置上。
　　2、北方地區(qū)在秋冬季節(jié)要使用加濕器，保持室內(nèi)空氣有一定濕度，防止靜電在設(shè)備、家具和身體上大量積累。
　　3、在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中要將電腦整機(jī)或零部件置于靜電屏蔽袋或?qū)щ姲徇\(yùn)箱內(nèi)進(jìn)行運(yùn)輸，防止集成電路芯片被靜電擊穿。
　　4、使用和維護(hù)過(guò)程中，在觸及電腦內(nèi)任何電路時(shí)，記住先碰一下金屬機(jī)殼以釋放身體上的靜電。專業(yè)人員一般都有這個(gè)習(xí)慣，不過(guò)規(guī)范的做法還是戴上防靜電腕套。
5、電腦維護(hù)、維修人員開(kāi)展維修時(shí)，要配備防靜電工作墊、防靜電手套，測(cè)量?jī)x表、電烙鐵等直接觸及電路的工具設(shè)備都要保持接地，防止感應(yīng)靜電或漏電損壞電腦芯片。
五、大禹治水的啟示
　　我國(guó)古代神話中有個(gè)大禹治水的故事，后人總結(jié)大禹治水的成功秘訣，在于其深知疏與堵相結(jié)合的道理。我們?cè)诮鉀Q靜電問(wèn)題時(shí)也應(yīng)采取大禹治水之道，做到屏蔽和釋放兩種措施并舉。對(duì)易受ESD危害的重點(diǎn)部位，在其外圍進(jìn)行屏蔽和隔離；對(duì)容易積累和儲(chǔ)存靜電的物體，采取有效措施，主動(dòng)地把它釋放掉。
　　在某種意義上說(shuō)，人類歷史是與大大小小的災(zāi)難進(jìn)行斗爭(zhēng)的歷史，人類不僅沒(méi)有被災(zāi)難所征服，而且從災(zāi)難中學(xué)到新知，然后變得更加聰明。只要我們對(duì)靜電有了足夠的了解、掌握了ESD防護(hù)手段，就能把ESD的危害降到*低程度。如同人類與老鼠之間的關(guān)系，雖然我們沒(méi)有能力把老鼠從地球上徹底消滅，但只要能避免鼠疫發(fā)生，讓人類相安無(wú)事也就罷了。
 
 

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