如何防范嚴(yán)重的靜電？
人與老鼠之間的斗爭持續(xù)了千百年，人類并未取得勝利。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，稍不留神，電腦就會被它摧毀，真是太恐怖了。

《微型計算機(jī)》雜志2005年弟2期對MSI主板發(fā)生多起南橋芯片燒毀的事件進(jìn)行了報道，這一事件對MSI來說無疑是一場災(zāi)難，但對這個業(yè)界來說，能引起ESD（ElectroStatic Discharge，靜電釋放）問題的關(guān)注，又是一件好事。

      那么ESD是怎樣損害硬件的？廠商應(yīng)采取哪些措施來防范ESD？電腦用戶在使用過程中該如何避免ESD的危害呢？讓我們先來認(rèn)識一下靜電吧。

一、無處不在的靜電

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，所以對外表現(xiàn)出不帶電的現(xiàn)象。而當(dāng)兩個物體產(chǎn)生相互摩擦?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，這樣的電子能夠從一個物體轉(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)摹澳Σ辽姟爆F(xiàn)象。

摩擦生電過程中，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，運動速度加快，很容易產(chǎn)生靜電。不僅流動的空氣會產(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)等動作也會產(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，也會通過上述兩種方式產(chǎn)生靜電。俗話說，隔山不打鳥，但物體間的靜電感應(yīng)現(xiàn)象即便相隔一段距離也會發(fā)生：CRT顯示器屏幕作為一個感應(yīng)源，也會在身體上感應(yīng)出靜電，使我們的臉上布滿灰塵；兩根平行導(dǎo)線之間因為存在寄生電容，也會在彼此間轉(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，如果說我們生活在一個靜電的世界里，一點也不算夸張吧。

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)靜電積累到一定程度時就會發(fā)生靜電釋放。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(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，雖然沒有雷電那么強(qiáng)烈，也會有火花式放電，不僅伴有“噼叭”聲響，還會閃閃發(fā)光。研究表明，當(dāng)電壓大于8000 V時可以看到ESD發(fā)出的光亮，當(dāng)電壓大于6000 V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，只是我們沒有感覺到而已。也就是說，很多ESD過程是在悄無聲息地進(jìn)行的。

ESD是電腦的無形殺手。筆者的維修生涯中經(jīng)歷過許多電腦故障，根本查不出是什么原因，當(dāng)時感到莫名其妙，現(xiàn)在想來應(yīng)該與ESD有關(guān)。當(dāng)靜電電壓較低時，ESD產(chǎn)生的電氣噪聲會對邏輯電路形成干擾，引發(fā)IC芯片內(nèi)邏輯電路死鎖（Latch Up ），導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸或運算出錯，也可能對芯片形成輕微的物理損傷而提前老化或潛在失效；當(dāng)靜電電壓超過250V時，ESD就能擊穿電腦芯片了。

ESD作用于電腦芯片時，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很大。例如將帶靜電的電纜插到電腦的接口上時，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，因此使用范圍很廣。然而，CMOS器件的一個致命的弱點是輸入阻抗很大，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，這些因素都會時芯片對靜電放電的敏感性也越大。一個不太高的電壓就能將晶體管擊穿，一個微小的ESD電流就能將連線熔斷。

ESD已成為當(dāng)今電腦的頭號殺手。Intel的研究表明，在引起電腦故障的諸多因素中，ESD是較大的隱患，將近一半的電腦故障都是由EOS／ESD引起的（如圖3）。EOS表示過電應(yīng)力（Electrical Over Stress）。

ESD對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，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。

寫到這里，我的大腦中突然閃現(xiàn)出一年前在一個網(wǎng)吧里所親歷的電腦大面積損壞事情。這家網(wǎng)吧中有40臺機(jī)器，居然在半年不到的時間里損壞了差不多一半。經(jīng)過檢查，我發(fā)現(xiàn)網(wǎng)吧中使用的穩(wěn)壓電源并沒有質(zhì)量問題，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)我的建議對地線進(jìn)行改造后，電腦很少從此很出故障了。

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取得進(jìn)步，低電壓、微功耗、高集成度技術(shù)給制造商帶來源源不斷的利潤，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。

ESD問題是一個系統(tǒng)工程，在設(shè)計時可從幾個方面著手。一是要保證電腦本身不會因產(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有提到；三是增設(shè)保護(hù)電路，抵御外來的靜電。

 較好的技術(shù)應(yīng)該是既能滿足使用要求，又能做到成本較低。電腦在保修期內(nèi)損壞，廠商通常要為用戶免費維修或進(jìn)行更換。如果產(chǎn)品故障率高居不下，不僅會增加維修成本、減少利潤，甚至要召回失敗產(chǎn)品而影響制造商聲譽(yù)。面對越來越脆弱的芯片，研究和實施防靜電技術(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題。

● 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和SoC (System on Chip)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。由電容計算公式C＝εS／d可知，芯片可能攜帶大量靜電電荷Q（=C x V），換句話說，芯片自身成了一個巨大的電容器。

        如果芯片設(shè)計者對此問題沒有足夠認(rèn)識，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，芯片在接觸到工作臺或包裝盒的瞬間，就會產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電釋放，以致于芯片損壞在制造過程之中，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，這個因素也對芯片可靠構(gòu)成威脅。如果芯片設(shè)計者和整機(jī)設(shè)計者沒有考慮到這個因素，到了用戶手中再發(fā)現(xiàn)普遍存在問題而不得不把產(chǎn)品召回時，損失就更大了。

● 整機(jī)的屏蔽與接地設(shè)計

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，測試儀器是防靜電的，芯片周轉(zhuǎn)箱和庫房是防靜電的，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)用過程中，還是會給ESD以可乘之機(jī)。為了避免感應(yīng)靜電的危害，需要對整機(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，以及包裹在信號線外面的金屬屏蔽網(wǎng)，均通過機(jī)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)置有各種彈性觸點或彈性接觸片。

● 接口電路中植入ESD保護(hù)器

芯片是較容易被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的一道重要防線。由于電腦板卡上邏輯電路無法承受千伏級電壓，所以必須將之排除在電路之外。在電腦的各個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。

接口電路中較簡易的防靜電措施是：在線路中串連一個低阻值的電阻，來限制ESD的電流，或者在信號線與地線之間接如一個小電容，來釋放ESD電流。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串行口和IEEE 1284A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。

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和MLV等新型靜電保護(hù)器件。TVS（Transient Voltage Suppresser，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，較新產(chǎn)品有Semtech公司的MicroClamp TVS，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。它們在電腦中是否起過作用、起過幾次作用，我們都無法知道。但是，如果沒有它們的暗中保護(hù)，電腦就會經(jīng)常給我們帶來麻煩。

● 對產(chǎn)品進(jìn)行ESD測試

大家知道，電子產(chǎn)品必須通過EMC（電磁兼容性）性能測試，貼上EMC標(biāo)志，才能進(jìn)入國際市場。目前較為權(quán)威的EMC標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)屬國際電工委員會制定的IEC 61000-4標(biāo)準(zhǔn)，其中包括IEC 61000-4-2（ESD）、IEC 61000-4-3（抗電磁干擾）、IEC 61000-4-4（電快速瞬變）、IEC 61000-4-5（浪涌敏感度）。對電腦產(chǎn)品所進(jìn)行的ESD試驗也是以IEC 61000-4-2作為標(biāo)準(zhǔn)的。

IEC61000-4-2規(guī)定的ESD測試有兩個項目：接觸電壓測試和空氣放電測試。接觸電壓測試時，ESD信號發(fā)生器產(chǎn)生較高4kV的可調(diào)直流電壓，當(dāng)信號發(fā)生器的探頭尖部接觸到被測設(shè)備時，發(fā)生放電?？諝夥烹姕y試時，ESD測試儀提供較高8kV的可調(diào)脈沖電壓，從測試儀的探頭發(fā)出電火花傳向待測設(shè)備。

千里之堤，潰于蟻穴。在產(chǎn)品設(shè)計、元器件篩選和制造過程的每一個環(huán)節(jié)出了問題，都可能釀成災(zāi)難性事故，而ESD測試是發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題、考驗元器件質(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，居然也會出現(xiàn)南橋芯片大面積損壞的情況，問題究竟出在哪兒還不得而知，MSI可能沒有對這一批主板逐個進(jìn)行ESD測試——這也只是猜測。

四、使用與維護(hù)中的防范措施

在電子行業(yè)中，ESD正在成為一個熱門技術(shù)，ESD控制已成為一個獨立的職業(yè)，防靜電器件的研發(fā)也已成為一個快速發(fā)展的領(lǐng)域。靜電測試設(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，一個個粉墨登場。即使如此，還無法徹底消除ESD的危害，畢竟靜電防護(hù)工作貫穿于產(chǎn)品的整個生命周期之中。在電腦的使用和維護(hù)、維修過程中也應(yīng)培養(yǎng)防范意識，并采取適當(dāng)?shù)姆婪洞胧?/span>

1、電腦機(jī)房較好安裝防靜電地板，電腦機(jī)殼需要可靠接地。對于機(jī)箱的屏蔽和接地，應(yīng)該注意兩點：（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）如果建筑物沒有地線，需要自制簡易地線。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、在運輸和儲存過程中要將電腦整機(jī)或零部件置于靜電屏蔽袋或?qū)щ姲徇\箱內(nèi)進(jìn)行運輸，防止集成電路芯片被靜電擊穿。

4、使用和維護(hù)過程中，在觸及電腦內(nèi)任何電路時，記住先碰一下金屬機(jī)殼以釋放身體上的靜電。專業(yè)人員一般都有這個習(xí)慣，不過規(guī)范的做法還是戴上防靜電腕套。

5、電腦維護(hù)、維修人員開展維修時，要配備防靜電工作墊、防靜電手套，測量儀表、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

我國古代神話中有個大禹治水的故事，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。我們在解決靜電問題時也應(yīng)采取大禹治水之道，做到屏蔽和釋放兩種措施并舉。對易受ESD危害的重點部位，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，采取有效措施，主動地把它釋放掉。

在某種意義上說，人類歷史是與大大小小的災(zāi)難進(jìn)行斗爭的歷史，人類不僅沒有被災(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的危害降到較低程度。如同人類與老鼠之間的關(guān)系，雖然我們沒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，讓人類相安無事也就罷了。