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日志

 
 

ESD是电脑的无形杀手  

2009-01-07 15:56:06|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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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,能将雷电所经过的空气电离,使空气变成阻值很低的导电通道,形成极强的电流和高温,其破坏力不可小觊。

    日常生活中的ESD现象频繁地发生着,ESD对电脑的损害,其严重程度与静电电压高低和能量大小有关。如果能量较小,则只能将元件击穿,电压消失后,器件性能仍能恢复到原始状态。如果能量较大,在击穿后接着形成大电流对元件形成永久性损害,如晶体管元件结电阻降低、漏电流增大,薄膜电阻器局部介质击穿而发生阻值漂移等。ESD的危害有一定偶然性,不见得每一次都造成元件彻底报废,多数情况下仅表现为稳定性降低。

ESD损害的严重程度还与元件对静电的敏感度有关。

   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进步,低电压、微功耗、高集成度技术给我们带来更新的产品,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。在电子行业中,防静电技术已经成为一个热门技术,防静电产品的研发和制造已经发展为一个独立的产业。

ESD防护是一个系统工程,在设计和制造阶段,可从三个方面着手:一是要防止电脑本身因产生强静电感应而自我损伤,如增加屏蔽和隔离措施、通过增大PCB接地面积改善电荷泄漏通路等;二是要选择ESD特性好的芯片,不同厂家的同一种芯片性能也会有所不同,在芯片说明中一般都会提及;三是增设ESD保护电路,抵御外来静电。

1.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,这样芯片自身成了一个巨大的电容器,使得芯片可能携带大量静电电荷Q(=C×V)。

其次,CPU、GPU及北桥芯片上的金属盖以及散热片,是个惹是生非的祸根。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,对芯片安全构成威胁。

    综合上述两种不利因素,芯片的防静电设计主要从下面两个途径实现,一是采用紧密型设计技术,尽可能缩小IC核心和I/O的尺寸,以降低寄生电容;二是采用分割器件设计的后端镇流(BEB)、整合的镇流电路(MBC)版图设计以及多触点电路设计(MFT)等,各放电通道形成相互并联的网络,使得芯片总体等效电阻值很小,放电能力很强。

2.整机的屏蔽与接地设计

    在电脑生产车间,地板、制造设备、测试仪器、芯片周转箱、库房等均为防静电设计,就连操作者也要身穿防静电服、戴上防静电手 套。但是,电脑在应用过程中,ESD还是有许多的可乘之机。为了避免感应静电的危害,需要对整机进行屏蔽和接地。

    电脑的金属机箱是屏蔽静电的重要措施,良好的接地措施可使电脑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,也可以消除设备自身所产生的摩擦静电。

当然,前提是各部件之间应该接触良好。所以,为保证部件充分接触,机箱上设置有各种弹 性触点或弹性接触片。

3.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的一道防线。在电脑 的各个接口处接入ESD防护器件,使静电在防护器件上释放掉,可避免静电向电路板的纵深区域侵入。

    接口电路中最简易的防静电措施是:在线路中串联一个低阻值的电阻,以限制ESD的电流,或在信号线与地线之间接入一个小电容,给 ESD电流提供通路。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串口和IEEE 1284A并口等低速端口中,多采用内嵌防静电功能的数据收发芯片。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。

    使用与维护中的防范措施

    静电是电脑的无形杀手,即便有了完善的技术措施,ESD还是有可乘之机。那么,用户在电脑的使用和维护、维护过程中又应该注意哪 些问题呢?其实,最重要的是培养防范意识,采取正确的防范措施。

1、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:

    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;

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的正确位置。如果建筑物有地线,就需要自制简易地线,用一根金属导线将机箱外壳与室内的自来水管连接起来即可。需要说明的是,那种将导线一端连接机箱金属外壳,而另一端随便扔在地上的方法是不可取的,因为完全没有达到接地的目的。

2、北方地区在秋冬季节应使用加湿器,保持室内空气的一定湿度,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。其实在购买电 脑配件时,大多数PCB裸露在外的硬件都是装在防静电袋中的,而这些防静电袋最好妥善保管起来,以便日后再次使用。

4、使用或维护过程中触及电脑内任何电路时,规范的做法是戴上防静电腕套。不过,对于广大的普通用户而言,可以先碰一下电脑机箱金属机壳以释放身体上的静电(前提是电路确实已经接地,否则达不到释放静电的作用)。如果无法确认电路是否接地,那么也可以采用碰触自来水管的方法释放静电。

    另外,我们平时插拔USB或IEEE 1394设备时,也应该按照第4点提出的方法预先释放身体上的静电,减少因静电而损坏设备和配件的几 率。

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