誰傷害了你的硬件？剖析靜電放電現(xiàn)象

    近期i865主板頻頻發(fā)生南橋芯片燒毀的事件，這一事件吸引了業(yè)界對靜電放電(ElectroStatic Discharge，ESD)問題的關(guān)注。那么ESD是怎樣造成硬件損壞的？廠商會采取哪些措施來防范ESD？電腦用戶在使用過程中該如何避免ESD的危害呢？所有的答案都在本文的深入剖析中……

    讀者朋友們對中學(xué)物理課上用一支筆在頭發(fā)上摩擦后就能吸附細(xì)小紙屑的實驗一定記憶猶新，這個簡單實驗讓我們看到了靜電的存在。我們周圍環(huán)境中處處存在靜電，如果說我們生活在一個靜電的世界里，一點也不夸張。而且，靜電對于電腦配件具有破壞性，稍不留神，電腦配件就會因此而損壞。這絕非危言聳聽！

一、無處不在的靜電

    物質(zhì)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。正常狀況下，一個原子的質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)量相同，正負(fù) 平衡，所以對外表現(xiàn)出不帶電的特征。但是，當(dāng)兩個物體相互摩擦?xí)r，產(chǎn)生的熱量提升了電子能級，使不活潑的電子變成很容易逃逸的活潑電 子，這樣的電子很快就會從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體中去，使兩個本來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)?#8220;摩擦生 電”現(xiàn)象。摩擦生電過程中，電子轉(zhuǎn)移的數(shù)量和轉(zhuǎn)移的速度，不僅與材料的性能差異有關(guān)，也與現(xiàn)場溫度和濕度有關(guān)。秋冬季節(jié)，由于空氣濕 度降低，分子間的黏滯力減小，運動速度加快，就很容易產(chǎn)生靜電。我們在地板上走動、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)椅、開關(guān)抽屜、拿取紙筆、移動鼠標(biāo)等動作都 會產(chǎn)生靜電，使我們身體和衣服上充滿靜電。

    上面談到的都是摩擦生電，除此之外，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 即使不發(fā)生接觸，也會通過上述兩種方式產(chǎn)生靜電。

    物體間的靜電感應(yīng)現(xiàn)象即便未直接接觸也會發(fā)生：CRT顯示器屏幕作為一個感應(yīng)源，也會在靠近它的人體上感應(yīng)出靜電，讓使用者面部 布滿灰塵；兩根平行導(dǎo)線之間因為存在寄生電容，也會在彼此間轉(zhuǎn)移電荷。

二、ESD是電腦的無形殺手

    在我們的周圍環(huán)境甚至我們的身上都會帶有不同程度的靜電，當(dāng)它積累到一定程度時就會發(fā)生放電。ESD過程是處于不同電勢的物體之 間的靜電電荷轉(zhuǎn)移過程，其強烈程度受電量大小及物體間距的影響。自然界的雷電是強對流氣候下典型的ESD現(xiàn)象(圖1)，瞬間所釋放的巨大能 量，能將雷電所經(jīng)過的空氣電離，使空氣變成阻值很低的導(dǎo)電通道，形成極強的電流和高溫，其破壞力不可小覬。

圖1

    日常生活中的ESD現(xiàn)象頻繁地發(fā)生著，雖然沒有大自然中的雷電那么強烈，但也會有火花式放電，不僅伴有“噼叭”聲響，還會閃閃發(fā)光。寒冷干燥的冬夜里，關(guān)掉燈脫毛衣時就能真切地感受到這一現(xiàn)象。研究表明，當(dāng)電壓大于8000V時可以看到ESD發(fā)出的光亮，當(dāng)電壓大于6000V時可以聽到ESD的放電聲；當(dāng)電壓大于3000V時可以感覺到有ESD發(fā)生；而當(dāng)靜電電壓低于3000V時，也會發(fā)生ESD過程，只是我們感覺不到。也就是說，很多ESD過程是在我們未察覺的情況下，悄無聲息地進(jìn)行著。

    ESD對電腦的損害，其嚴(yán)重程度與靜電電壓高低和能量大小有關(guān)。如果能量較小，則只能將元件擊穿，電壓消失后，器件性能仍能恢復(fù)到原始狀態(tài)。如果能量較大，在擊穿后接著形成大電流對元件形成永久性損害，如晶體管元件結(jié)電阻降低、漏電流增大，薄膜電阻器局部介質(zhì)擊穿而發(fā)生阻值漂移等。ESD的危害有一定偶然性，不見得每一次都造成元件徹底報廢，多數(shù)情況下僅表現(xiàn)為穩(wěn)定性降低。對于靜電給電子元器件造成的種種“內(nèi)傷”，人們往往認(rèn)為是元器件老化，而沒有想到是ESD的危害。筆者經(jīng)歷過許多電腦故障，根本查不出損壞原因，現(xiàn)在想來估計與ESD有關(guān)。

    ESD損害的嚴(yán)重程度還與元件對靜電的敏感度有關(guān)。如今電腦里的CPU、存儲器芯片和主板上的南橋、北橋等超大規(guī)模集成電路廣泛采用 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，因此使用范圍很廣。然而，CMOS器件的一個致 命的弱點是靜電敏感度高，很容易被ESD擊穿。

    隨著芯片工藝的進(jìn)步，芯片的速度和功能都得以提升，但芯片卻變得更加脆弱。集成度的提高使得器件尺寸越來越小，器件之間的連線 寬度越來越窄，鈍化層越來越薄，這些因素都會使芯片對ESD的敏感性增加。一個不太高的ESD電壓就能將晶體管擊穿，一個不太大的ESD電流就 能將連線熔斷。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儀器卻可以看清電路熔斷的情形(圖2)。

圖2

    這種芯片內(nèi)部的損傷，用肉眼是無法看到的。 ESD對電腦的破壞作用具有隱蔽性、潛在性、隨機性和復(fù)雜性的特點，當(dāng)我們在接觸電腦 板卡和芯片時，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。來自Intel的資料表明，在引 起電腦故障的諸多因素中，EOS/ESD是最大的隱患，將近一半的電腦故障都是由EOS/ESD引起的(圖3)。EOS是Electrical Over Stress(電氣過應(yīng)力)的縮寫，是過電壓或過電流的總稱，ESD屬于EOS中的一種。

圖3 ESD是電腦故障的罪魁禍?zhǔn)?/P>

三、設(shè)計和制造中的防靜電措施

    芯片制造工藝按摩爾定律不斷進(jìn)步，低電壓、微功耗、高集成度技術(shù)給我們帶來更新的產(chǎn)品，而ESD對電腦的危害性也隨之增長，可以 說ESD對摩爾定律繼續(xù)有效將會是一個障礙，這是業(yè)界不愿看到但又不得不面對的嚴(yán)重問題。在電子行業(yè)中，防靜電技術(shù)已經(jīng)成為一個熱門技術(shù) ，防靜電產(chǎn)品的研發(fā)和制造已經(jīng)發(fā)展為一個獨立的產(chǎn)業(yè)。

    ESD防護(hù)是一個系統(tǒng)工程，在設(shè)計和制造階段，可從三個方面著手：一是要防止電腦本身因產(chǎn)生強靜電感應(yīng)而自我損傷，如增加屏蔽和 隔離措施、通過增大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有所不同，在芯片說明 中一般都會提及；三是增設(shè)ESD保護(hù)電路，抵御外來靜電。

1.芯片的防靜電設(shè)計

    隨著芯片速度的提高，為了縮短引腳長度而減少信號串?dāng)_，CPU等超大規(guī)模IC芯片的封裝越來越多地采用倒裝芯片(flip chip)，倒裝 芯片通常面積較大，而厚度很薄，這樣芯片自身成了一個巨大的電容器，使得芯片可能攜帶大量靜電電荷Q(=C×V)。

    其次，CPU、GPU及北橋芯片上的金屬蓋以及散熱片，是個惹是生非的禍根。諾大的金屬體無異于一個靜電接收天線，極易吸附芯片周圍 的電場，以及芯片附近導(dǎo)線上的電荷，對芯片安全構(gòu)成威脅。

    綜合上述兩種不利因素，芯片的防靜電設(shè)計主要從下面兩個途徑實現(xiàn)，一是采用緊密型設(shè)計技術(shù)，盡可能縮小IC核心和I/O的尺寸，以 降低寄生電容；二是采用分割器件設(shè)計的后端鎮(zhèn)流(BEB)、整合的鎮(zhèn)流電路(MBC)版圖設(shè)計以及多觸點電路設(shè)計(MFT)等，各放電通道形成相互并 聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，使得芯片總體等效電阻值很小，放電能力很強。

2.整機的屏蔽與接地設(shè)計

    在電腦生產(chǎn)車間，地板、制造設(shè)備、測試儀器、芯片周轉(zhuǎn)箱、庫房等均為防靜電設(shè)計，就連操作者也要身穿防靜電服、戴上防靜電手 套。但是，電腦在應(yīng)用過程中，ESD還是有許多的可乘之機。為了避免感應(yīng)靜電的危害，需要對整機進(jìn)行屏蔽和接地。

    電腦的金屬機箱是屏蔽靜電的重要措施，良好的接地措施可使電腦受靜電危害的幾率大大降低。機箱中的主板、接口卡，軟驅(qū)、硬盤、 光驅(qū)等設(shè)備，以及包裹在信號線外面的金屬屏蔽網(wǎng)，均通過機箱連接成一個整體，然后再通過電源地線接入大地，這樣不僅可以消除外來的感 應(yīng)靜電，也可以消除設(shè)備自身所產(chǎn)生的摩擦靜電。

    當(dāng)然，前提是各部件之間應(yīng)該接觸良好。所以，為保證部件充分接觸，機箱上設(shè)置有各種彈 性觸點或彈性接觸片(圖4)。

圖4 機箱上的金屬觸點

3.接口電路中植入ESD保護(hù)器

    芯片是最容易被ESD損壞的器件，因此成為電腦中的重點保護(hù)對象。而接口電路位于板卡電路的外圍，是抵御ESD的一道防線。在電腦 的各個接口處接入ESD防護(hù)器件，使靜電在防護(hù)器件上釋放掉，可避免靜電向電路板的縱深區(qū)域侵入。

    接口電路中最簡易的防靜電措施是：在線路中串聯(lián)一個低阻值的電阻，以限制ESD的電流，或在信號線與地線之間接入一個小電容，給 ESD電流提供通路。不過這些措施會對信號產(chǎn)生衰減和延遲，不利于信號傳輸。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 口和IEEE 1284A并口等低速端口中，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，是利用寄生電路實現(xiàn)的。當(dāng)ESD作用時，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。

圖5 內(nèi)嵌防靜電功能的收發(fā)芯片

    對于高速的USB和IEEE 1394熱插拔接口，因為引腳較少，通常接入TVS(Transient Voltage Suppresser，瞬態(tài)電壓抑制器)(圖6)和 MLV(Multi-Layer Varistor，多層變阻器)等新型ESD保護(hù)器。TVS器件內(nèi)通常含有若干個TVS二極管、具有多路保護(hù)作用的微型貼片元件，常見的封裝形式有 SOT23和SC-70兩種，最新產(chǎn)品有Semtech公司的MicroClamp TVS，Microsemi公司的USB50403C等。TVS能夠迅速地將ESD故障電流放電到接地端，而且其漏電流和結(jié)電容都很低，響應(yīng)時間也很短(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。

圖6 USB接口中的TVS保護(hù)電路

    ESD保護(hù)器雖然有多種類型，但每一種都具有“自恢復(fù)”特性，都應(yīng)經(jīng)得住多次放電的考驗。俗話說，千里之堤，潰于蟻穴。在電腦設(shè) 計和制造過程中，從EMC設(shè)計到元器件篩選，從流片焊接到整機裝配，不管哪個環(huán)節(jié)出了問題，都會帶來防靜電性能的缺陷。因此，樣機設(shè)計階 段要利用好ESD測試這個查漏手段，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計漏洞，電腦整機進(jìn)入包裝箱前，也應(yīng)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格測試，防止把問題產(chǎn)品銷售出去。本文 開頭提到的i865主板連續(xù)燒毀南橋芯片的質(zhì)量事故，如果主板制造商進(jìn)行過ESD測試，這種糟糕的事情大概就可以避免了。 

四、使用與維護(hù)中的防范措施

    靜電是電腦的無形殺手，即便有了完善的技術(shù)措施，ESD還是有可乘之機。那么，用戶在電腦的使用和維護(hù)、維護(hù)過程中又應(yīng)該注意哪 些問題呢？其實，最重要的是培養(yǎng)防范意識，采取正確的防范措施。

    1.電腦機殼需要可靠接地。對于機箱的屏蔽和接地，應(yīng)該注意兩點：

    ●機箱各部分應(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；
    ●近年來新建的樓房通常都有符合規(guī)范的地線，電路施工時一定要按照配電規(guī)范，將火線、零線和地線分別接入插座的正確位置。如果 建筑物有地線，就需要自制簡易地線，用一根金屬導(dǎo)線將機箱外殼與室內(nèi)的自來水管連接起來即可。需要說明的是，那種將導(dǎo)線一端連接機箱 金屬外殼，而另一端隨便扔在地上的方法是不可取的，因為完全沒有達(dá)到接地的目的。

    2.北方地區(qū)在秋冬季節(jié)應(yīng)使用加濕器，保持室內(nèi)空氣的一定濕度，防止靜電在設(shè)備、家具和身體上大量積累。

    3.在運輸和儲存過程中要將電腦整機或零部件置于靜電屏蔽袋或?qū)щ姲徇\箱內(nèi)進(jìn)行運輸，防止集成電路芯片被靜電擊穿。其實在購買電 腦配件時，大多數(shù)PCB裸露在外的硬件都是裝在防靜電袋中的，而這些防靜電袋最好妥善保管起來，以便日后再次使用。

    4.使用或維護(hù)過程中觸及電腦內(nèi)任何電路時，規(guī)范的做法是戴上防靜電腕套(圖7)。不過，對于廣大的普通用戶而言，可以先碰一下電 腦機箱金屬機殼以釋放身體上的靜電(前提是電路確實已經(jīng)接地，否則達(dá)不到釋放靜電的作用)。如果無法確認(rèn)電路是否接地，那么也可以采用 碰觸自來水管的方法釋放靜電。

圖7 防靜電腕套

    另外，我們平時插拔USB或IEEE 1394設(shè)備時，也應(yīng)該按照第4點提出的方法預(yù)先釋放身體上的靜電，減少因靜電而損壞設(shè)備和配件的幾 率。

五、后記：來自“大禹治水”的啟示

    大禹治水的成功秘訣在于疏導(dǎo)為主，疏堵結(jié)合，疏中用堵，堵為疏用。前文提及，靜電在我們生活中無處不在，因此我們在解決靜電 問題時也應(yīng)效仿大禹治水的做法，做到屏蔽和釋放兩種措施并舉。對易受ESD危害的重點部位，應(yīng)在其外圍進(jìn)行屏蔽和隔離；對容易積累和儲存 靜電的物體進(jìn)行可靠接地，使靜電得以及時釋放。同時，還應(yīng)多了解一些靜電的知識，采取切實有效的防治措施，將ESD的潛在危害性降到最低 。<