原创 如何防范日益严重的ESD危害？

       人与老鼠之间的斗争持续了千百年，人类并未取得最终胜利。ESD之与电脑，犹如鼠之与人类，其破坏作用具有隐蔽性和随机性的特点，稍不留神，电脑就会被它摧毁，真是太恐怖了。

原载：《微型计算机》2005年第3期

　　《微型计算机》杂志2005年第2期对MSI主板发生多起南桥芯片烧毁的事件进行了报道，这一事件对MSI来说无疑是一场灾难，但对这个业界来说，能引起ESD（ElectroStatic Discharge，静电释放）问题的关注，又是一件好事。

      那么ESD是怎样损害硬件的？厂商应采取哪些措施来防范ESD？电脑用户在使用过程中该如何避免ESD的危害呢？让我们先来认识一下静电吧。

一、无处不在的静电

　　物质是由原子组成的，原子中有不带电的中子、带正电的质子和带负电的电子。在正常状况下，一个原子中的质子与电子在数量上相等，正负电荷平衡，所以对外表现出不带电的现象。而当两个物体产生相互摩擦时，产生的热量提升了电子能级，使不活泼的电子变成很容易逃逸的活泼电子，这样的电子能够从一个物体转移到另一个物体中去，使两个本来处于中性的物体变成为带电的物体，这就是我们耳熟能详的“摩擦生电”现象。

图1  雷电是典型的静电释放现象

　　摩擦生电过程中，电子转移的数量和转移速度不仅与材料的性能差异有关，也与现场温度和湿度有关。秋冬季节，由于空气湿度低，分子间的黏滞力小，运动速度加快，很容易产生静电。不仅流动的空气会产生静电，我们在地板上走动、旋转转椅、开关抽屉、拿取纸笔、移动鼠标等动作也会产生静电，使这些物体和人体带上静电荷。

　　除了摩擦生电，用电设备中还有“感应生电”和“容性生电”等静电成因。设备、电路、金属与非金属结构之间即便不发生接触，也会通过上述两种方式产生静电。俗话说，隔山不打鸟，但物体间的静电感应现象即便相隔一段距离也会发生：CRT显示器屏幕作为一个感应源，也会在身体上感应出静电，使我们的脸上布满灰尘；两根平行导线之间因为存在寄生电容，也会在彼此间转移电荷。

　　多种静电产生方式使得我们周围环境中处处存在静电，如果说我们生活在一个静电的世界里，一点也不算夸张吧。

二、ESD是电脑的无形杀手

　　在我们的周围环境甚至我们的身上都会带有不同程度的静电，当静电积累到一定程度时就会发生静电释放。ESD 过程是处于不同电势的物体之间的静电电荷转移过程，其强烈程度受电量大小及物体间距的影响。自然界的雷电现象是强对流气候下典型的ESD现象，瞬间所释放的巨大能量，能将雷电流所经过的空气电离，使空气变成阻值很低的导电通道，形成超强的电流和极高的温度，破坏力极大。

　　日常生活中的ESD现象在频繁地发生着，虽然没有雷电那么强烈，也会有火花式放电，不仅伴有“噼叭”声响，还会闪闪发光。研究表明，当电压大于8000 V时可以看到ESD发出的光亮，当电压大于6000 V时可以听到ESD的放电声；当电压大于3000V时可以感觉到有ESD发生；而当静电电压低于3000V时，也会发生ESD过程，只是我们没有感觉到而已。也就是说，很多ESD过程是在悄无声息地进行的。

　　ESD是电脑的无形杀手。笔者的维修生涯中经历过许多电脑故障，根本查不出是什么原因，当时感到莫名其妙，现在想来应该与ESD有关。当静电电压较低时，ESD产生的电气噪声会对逻辑电路形成干扰，引发IC芯片内逻辑电路死锁（Latch Up ），导致数据传输或运算出错，也可能对芯片形成轻微的物理损伤而提前老化或潜在失效；当静电电压超过250V时，ESD就能击穿电脑芯片了。

　　ESD作用于电脑芯片时，由于放电回路的电阻通常都很小，所以电荷释放的瞬间放电电流会很大。例如将带静电的电缆插到电脑的接口上时，放电回路的电阻几乎为零，形成高达几十安培的放电电流，如此大的尖峰电流一旦从芯片的某个引脚流入，足以将芯片的局部熔化，烧断芯片内的晶体管和金属连线，使芯片产生永久性的功能丧失，或者破坏芯片内的钝化层，使芯片性能降低。芯片损坏后，我们从外观上丝毫看不出有什么变化，但利用FESEM 仪器还是可以看清电路熔断的情形（图2）。

图2  芯片内部的损伤 用肉眼往往无法看到

　　如今电脑里的CPU芯片、存储器芯片和主板上的南桥、北桥等超大规模集 成电路芯片广泛采用CMOS（复合金属氧化物半导体）材料，CMOS器件具有集成度高、成本低、速度快、能耗低的优点，因此使用范围很广。然而，CMOS器件的一个致命的弱点是输入阻抗很大，很容易被ESD击穿。随着芯片工艺的进步，工作速度加快了，但芯片也变得脆弱了。集成度的提高使得器件尺寸越来越小，器件之间的连线宽度越来越窄，钝化层越来越薄，这些因素都会时芯片对静电放电的敏感性也越大。一个不太高的电压就能将晶体管击穿，一个微小的ESD电流就能将连线熔断。

　　ESD已成为当今电脑的头号杀手。Intel的研究表明，在引起电脑故障的诸多因素中，ESD是最大的隐患，将近一半的电脑故障都是由EOS／ESD引起的（如图3）。EOS表示过电应力（Electrical Over Stress）。

图3  在导致电脑故障的各项因素中，ESD是罪魁祸首

　　ESD对电脑的破坏作用具有隐蔽性、潜在性、随机性和复杂性的特点，当我们在接触电脑板卡和芯片时，不管是电脑上有静电，还是我们身体上有静电，ESD都有可能发生在接触的瞬间，可谓防不胜防。

　　写到这里，我的大脑中突然闪现出一年前在一个网吧里所亲历的电脑大面积损坏事情。这家网吧中有40台机器，居然在半年不到的时间里损坏了差不多一半。经过检查，我发现网吧中使用的稳压电源并没有质量问题，检查接地线才发现，虽然房间内有接地线，但房屋外面只是用一根不到一米长的钢筋打入地下作为地线，而且连接处锈迹斑斑。网吧老板根据我的建议对地线进行改造后，电脑很少从此很出故障了。

三、设计和制造中的防静电措施

　　芯片制造工艺按摩尔定律不断取得进步，低电压、微功耗、高集成度技术给制造商带来源源不断的利润，而ESD对电脑的危害性也随之增长，可以说ESD对摩尔定律继续有效将会是一个障碍，这是业界不愿看到但又不得不面对的严重问题。

　　最好的技术应该是既能满足使用要求，又能做到成本最低。电脑在保修期内损坏，厂商通常要为用户免费维修或进行更换。如果产品故障率高居不下，不仅会增加维修成本、减少利润，甚至要召回失败产品而影响制造商声誉。面对越来越脆弱的芯片，研究和实施防静电技术以提高制造成品率、降低使用故障率，是所有芯片制造商和整机制造商都必须解决的问题。

● 芯片的防静电设计

　　随着芯片速度的提高，为了缩短引脚长度而减少信号串扰，CPU和SoC (System on Chip)等超大规模IC芯片的封装越来越多地采用倒装芯片（flip chip），倒装芯片通常面积较大，而厚度很薄。由电容计算公式C＝εS／d可知，芯片可能携带大量静电电荷Q（=C x V），换句话说，芯片自身成了一个巨大的电容器。

        如果芯片设计者对此问题没有足够认识，未在芯片内设置电流释放通道，使得净电荷不断积聚。如此一来，芯片在接触到工作台或包装盒的瞬间，就会产生强烈的静电释放，以致于芯片损坏在制造过程之中，成品率降低了，生产成本提高了。

  资料来源：Stephen A. Halperin,  "Guidelines for Static control Managerment",  Eurostat, 1990.

　　此外，CPU、GPU及北桥芯片上的金属盖以及散热片，也是惹是生非的一个祸根。诺大的金属体无异于一个静电接收天线，极易吸附芯片周围的电场，以及芯片附近导线上的电荷，这个因素也对芯片安全构成威胁。如果芯片设计者和整机设计者没有考虑到这个因素，到了用户手中再发现普遍存在问题而不得不把产品召回时，损失就更大了。

● 整机的屏蔽与接地设计

　　在电脑生产车间，地板是防静电的，制造设备是防静电的，测试仪器是防静电的，芯片周转箱和库房是防静电的，就连操作者也要身穿防静电服、戴上防静电手套，一派全副武装的模样（图4）。但是，电脑在应用过程中，还是会给ESD以可乘之机。为了避免感应静电的危害，需要对整机进行屏蔽和接地。

图4   芯片工厂里身穿防静电服装的工作人员

　　电脑的金属机箱是屏蔽静电的重要措施，良好的接地可使受静电危害的几率大大降低。机箱中的主板、接口卡，软驱、硬盘、光驱等设备，以及包裹在信号线外面的金属屏蔽网，均通过机箱连接成一个整体，然后再通过电源地线接入大地，这样不仅可以消除外来的感应静电，也可以消除旋转设备自身所产生的摩擦静电。为了保证部件之间接触良好，机箱上设置有各种弹性触点或弹性接触片。

图5  机箱上的防静电设计

● 接口电路中植入ESD保护器

　　芯片是最容易被ESD损坏的器件，因此成为电脑中的重点保护对象。而接口电路位于板卡电路的外围，是抵御ESD的一道重要防线。由于电脑板卡上逻辑电路无法承受千伏级电压，所以必须将之排除在电路之外。在电脑的各个接口处接入静电防护器件，使静电高压在此释放，避免了向电路板的纵深区域的侵入。

　　接口电路中最简易的防静电措施是：在线路中串连一个低阻值的电阻，来限制ESD的电流，或者在信号线与地线之间接如一个小电容，来释放ESD电流。不过这些措施会对信号产生衰减和延迟，不利于信号传输。

　　近几年生产的主板中，在键盘、鼠标的PS/2接口以及RS－232C串行口和IEEE 1284A并行口等低速端口中，多采用内嵌防静电功能的数据收发芯片（图5）。接口芯片中内嵌的ESD保护电路，是利用寄生电路实现的。当ESD作用时，寄生电路被触发，泄放ESD电流或箝位ESD电压，达到保护目的。

图6  内嵌防静电功能的收发芯片

　　对于高速的USB和IEEE 1394热插拔接口，因为引脚较少，通常接入TVS和MLV等新型静电保护器件。TVS（Transient Voltage Suppresser，瞬态电压抑制器）能够迅速地将ESD故障电流释放到接地端，而且其漏电流和结电容都很低，响应时间也很短（1ns左右），是高速数据通路中理想的选择，在电脑主板及各种USB设备中获得广泛应用。

　　TVS器件内通常含有若干个TVS二极管、具有多路保护作用的微型贴片元件，常见的封装形式有SOT23和SC-70两种，最新产品有Semtech公司的MicroClamp TVS，Microsemi公司的USB50403C等。

图7   USB接口中的TVS器件

　　ESD保护器往往不被人们所注意，但却是电脑的保护神。它们在电脑中是否起过作用、起过几次作用，我们都无法知道。但是，如果没有它们的暗中保护，电脑就会经常给我们带来麻烦。

● 对产品进行ESD测试

　　大家知道，电子产品必须通过EMC（电磁兼容性）性能测试，贴上EMC标志，才能进入国际市场。目前最为权威的EMC标准当属国际电工委员会制定的IEC 61000-4标准，其中包括IEC 61000-4-2（ESD）、IEC 61000-4-3（抗电磁干扰）、IEC 61000-4-4（电快速瞬变）、IEC 61000-4-5（浪涌敏感度）。对电脑产品所进行的ESD试验也是以IEC 61000-4-2作为标准的。

　　IEC61000-4-2规定的ESD测试有两个项目：接触电压测试和空气放电测试。接触电压测试时，ESD信号发生器产生最高4kV的可调直流电压，当信号发生器的探头尖部接触到被测设备时，发生放电。空气放电测试时，ESD测试仪提供最高8kV的可调脉冲电压，从测试仪的探头发出电火花传向待测设备。

　　千里之堤，溃于蚁穴。在产品设计、元器件筛选和制造过程的每一个环节出了问题，都可能酿成灾难性事故，而ESD测试是发现设计问题、考验元器件质量和查找制造缺陷的有效手段。MSI作为主板行业的一线大厂，居然也会出现南桥芯片大面积损坏的情况，问题究竟出在哪儿还不得而知，MSI可能没有对这一批主板逐个进行ESD测试——这也只是猜测。

四、使用与维护中的防范措施

　　在电子行业中，ESD正在成为一个热门技术，ESD控制已成为一个独立的职业，防静电器件的研发也已成为一个快速发展的领域。静电测试设备、静电防护设备、抗ESD产品与ESD技术服务供应商，分门别类，一个个粉墨登场。即使如此，还无法彻底消除ESD的危害，毕竟静电防护工作贯穿于产品的整个生命周期之中。在电脑的使用和维护、维修过程中也应培养防范意识，并采取适当的防范措施。

　　1、电脑机房最好安装防静电地板，电脑机壳需要可靠接地。对于机箱的屏蔽和接地，应该注意两点：（1）机箱各部分应保持良好的接触，否则，未连接到大地的部分将失去屏蔽作用；（2）如果建筑物没有地线，需要自制简易地线。近年来新建的楼房通常都有符合规范的地线，电路施工时一定要按照配电规范，将火线、零线和地线分别接入插座或插排上的正确位置上。

　　2、北方地区在秋冬季节要使用加湿器，保持室内空气有一定湿度，防止静电在设备、家具和身体上大量积累。

　　3、在运输和储存过程中要将电脑整机或零部件置于静电屏蔽袋或导电搬运箱内进行运输，防止集成电路芯片被静电击穿。

　　4、使用和维护过程中，在触及电脑内任何电路时，记住先碰一下金属机壳以释放身体上的静电。专业人员一般都有这个习惯，不过规范的做法还是戴上防静电腕套。

图8  防静电腕套

　　5、电脑维护、维修人员开展维修时，要配备防静电工作垫、防静电手套，测量仪表、电烙铁等直接触及电路的工具设备都要保持接地，防止感应静电或漏电损坏电脑芯片。

五、大禹治水的启示

　　我国古代神话中有个大禹治水的故事，后人总结大禹治水的成功秘诀，在于其深知疏与堵相结合的道理。我们在解决静电问题时也应采取大禹治水之道，做到屏蔽和释放两种措施并举。对易受ESD危害的重点部位，在其外围进行屏蔽和隔离；对容易积累和储存静电的物体，采取有效措施，主动地把它释放掉。

　　在某种意义上说，人类历史是与大大小小的灾难进行斗争的历史，人类不仅没有被灾难所征服，而且从灾难中学到新知，然后变得更加聪明。只要我们对静电有了足够的了解、掌握了ESD防护手段，就能把ESD的危害降到最低程度。如同人类与老鼠之间的关系，虽然我们没有能力把老鼠从地球上彻底消灭，但只要能避免鼠疫发生，让人类相安无事也就罢了。