如何防范嚴重的靜電？
人與老鼠之間的斗爭持續了千百年，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》雜志2005年弟2期對MSI主板發生多起南橋芯片燒毀的事件進行了報道，這一事件對MSI來說無疑是一場災難，但對這個業界來說，能引起ESD（ElectroStatic Discharge，靜電釋放）問題的關注，又是一件好事。

      那么ESD是怎樣損害硬件的？廠商應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？讓我們先來認識一下靜電吧。

一、無處不在的靜電

物質是由原子組成的，原子中有不帶電的中子、帶正電的質子和帶負電的電子。在正常狀況下，一個原子中的質子與電子在數量上相等，正負電荷平衡，所以對外表現出不帶電的現象。而當兩個物體產生相互摩擦時，產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的“摩擦生電”現象。

摩擦生電過程中，電子轉移的數量和轉移速度不僅與材料的性能差異有關，也與現場溫度和濕度有關。秋冬季節，由于空氣濕度低，分子間的黏滯力小，運動速度加快，很容易產生靜電。不僅流動的空氣會產生靜電，我們在地板上走動、旋轉轉椅、開關抽屜、拿取紙筆、移動鼠標等動作也會產生靜電，使這些物體和人體帶上靜電荷。

除了摩擦生電，用電設備中還有“感應生電”和“容性生電”等靜電成因。設備、電路、金屬與非金屬結構之間即便不發生接觸，也會通過上述兩種方式產生靜電。俗話說，隔山不打鳥，但物體間的靜電感應現象即便相隔一段距離也會發生：CRT顯示器屏幕作為一個感應源，也會在身體上感應出靜電，使我們的臉上布滿灰塵；兩根平行導線之間因為存在寄生電容，也會在彼此間轉移電荷。

多種靜電產生方式使得我們周圍環境中處處存在靜電，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

在我們的周圍環境甚至我們的身上都會帶有不同程度的靜電，當靜電積累到一定程度時就會發生靜電釋放。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。自然界的雷電現象是強對流氣候下典型的ESD現象，瞬間所釋放的巨大能量，能將雷電流所經過的空氣電離，使空氣變成阻值很低的導電通道，形成超強的電流和極高的溫度，破壞力極大。

日常生活中的ESD現象在頻繁地發生著，雖然沒有雷電那么強烈，也會有火花式放電，不僅伴有“噼叭”聲響，還會閃閃發光。研究表明，當電壓大于8000 V時可以看到ESD發出的光亮，當電壓大于6000 V時可以聽到ESD的放電聲；當電壓大于3000V時可以感覺到有ESD發生；而當靜電電壓低于3000V時，也會發生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行的。

ESD是電腦的無形殺手。筆者的維修生涯中經歷過許多電腦故障，根本查不出是什么原因，當時感到莫名其妙，現在想來應該與ESD有關。當靜電電壓較低時，ESD產生的電氣噪聲會對邏輯電路形成干擾，引發IC芯片內邏輯電路死鎖（Latch Up ），導致數據傳輸或運算出錯，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，燒斷芯片內的晶體管和金屬連線，使芯片產生長久性的功能喪失，或者破壞芯片內的鈍化層，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、北橋等超大規模集 成電路芯片廣泛采用CMOS（復合金屬氧化物半導體）材料，CMOS器件具有集成度高、成本低、速度快、能耗低的優點，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表示過電應力（Electrical Over Stress）。

ESD對電腦的破壞作用具有隱蔽性、潛在性、隨機性和復雜性的特點，當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出一年前在一個網吧里所親歷的電腦大面積損壞事情。這家網吧中有40臺機器，居然在半年不到的時間里損壞了差不多一半。經過檢查，我發現網吧中使用的穩壓電源并沒有質量問題，檢查接地線才發現，雖然房間內有接地線，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。網吧老板根據我的建議對地線進行改造后，電腦很少從此很出故障了。

三、設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步，低電壓、微功耗、高集成度技術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對摩爾定律繼續有效將會是一個障礙，這是業界不愿看到但又不得不面對的嚴重問題。

ESD問題是一個系統工程，在設計時可從幾個方面著手。一是要保證電腦本身不會因產生強靜電感應而自我毀滅，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；三是增設保護電路，抵御外來的靜電。

 較好的技術應該是既能滿足使用要求，又能做到成本較低。電腦在保修期內損壞，廠商通常要為用戶免費維修或進行更換。如果產品故障率高居不下，不僅會增加維修成本、減少利潤，甚至要召回失敗產品而影響制造商聲譽。面對越來越脆弱的芯片，研究和實施防靜電技術以提高制造成品率、降低使用故障率，是所有芯片制造商和整機制造商都必須解決的問題。

● 芯片的防靜電設計

隨著芯片速度的提高，為了縮短引腳長度而減少信號串擾，CPU和SoC (System on Chip)等超大規模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。

        如果芯片設計者對此問題沒有足夠認識，未在芯片內設置電流釋放通道，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，就會產生強烈的靜電釋放，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，以及芯片附近導線上的電荷，這個因素也對芯片可靠構成威脅。如果芯片設計者和整機設計者沒有考慮到這個因素，到了用戶手中再發現普遍存在問題而不得不把產品召回時，損失就更大了。

● 整機的屏蔽與接地設計

在電腦生產車間，地板是防靜電的，制造設備是防靜電的，測試儀器是防靜電的，芯片周轉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，電腦在應用過程中，還是會給ESD以可乘之機。為了避免感應靜電的危害，需要對整機進行屏蔽和接地。

電腦的金屬機箱是屏蔽靜電的重要措施，良好的接地可使受靜電危害的幾率大大降低。機箱中的主板、接口卡，軟驅、硬盤、光驅等設備，以及包裹在信號線外面的金屬屏蔽網，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靜電，也可以消除旋轉設備自身所產生的摩擦靜電。為了保證部件之間接觸良好，機箱上設置有各種彈性觸點或彈性接觸片。

● 接口電路中植入ESD保護器

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器件，使靜電高壓在此釋放，避免了向電路板的縱深區域的侵入。

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生衰減和延遲，不利于信號傳輸。

近幾年生產的主板中，在鍵盤、鼠標的PS/2接口以及RS－232C串行口和IEEE 1284A并行口等低速端口中，多采用內嵌防靜電功能的數據收發芯片（圖5）。接口芯片中內嵌的ESD保護電路，是利用寄生電路實現的。當ESD作用時，寄生電路被觸發，泄放ESD電流或箝位ESD電壓，達到保護目的。

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等新型靜電保護器件。TVS（Transient Voltage Suppresser，瞬態電壓抑制器）能夠迅速地將ESD故障電流釋放到接地端，而且其漏電流和結電容都很低，響應時間也很短（1ns左右），是高速數據通路中理想的選擇，在電腦主板及各種USB設備中獲得廣泛應用。

TVS器件內通常含有若干個TVS二極管、具有多路保護作用的微型貼片元件，常見的封裝形式有SOT23和SC-70兩種，較新產品有Semtech公司的MicroClamp TVS，Microsemi公司的USB50403C等。

ESD保護器往往不被人們所注意，但卻是電腦的保護神。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，電腦就會經常給我們帶來麻煩。

● 對產品進行ESD測試

大家知道，電子產品必須通過EMC（電磁兼容性）性能測試，貼上EMC標志，才能進入國際市場。目前較為權威的EMC標準當屬國際電工委員會制定的IEC 61000-4標準，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）。對電腦產品所進行的ESD試驗也是以IEC 61000-4-2作為標準的。

IEC61000-4-2規定的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信號發生器產生較高4kV的可調直流電壓，當信號發生器的探頭尖部接觸到被測設備時，發生放電。空氣放電測試時，ESD測試儀提供較高8kV的可調脈沖電壓，從測試儀的探頭發出電火花傳向待測設備。

千里之堤，潰于蟻穴。在產品設計、元器件篩選和制造過程的每一個環節出了問題，都可能釀成災難性事故，而ESD測試是發現設計問題、考驗元器件質量和查找制造缺陷的有效手段。MSI作為主板行業的一線大廠，居然也會出現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行ESD測試——這也只是猜測。

四、使用與維護中的防范措施

在電子行業中，ESD正在成為一個熱門技術，ESD控制已成為一個獨立的職業，防靜電器件的研發也已成為一個快速發展的領域。靜電測試設備、靜電防護設備、抗ESD產品與ESD技術服務供應商，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，畢竟靜電防護工作貫穿于產品的整個生命周期之中。在電腦的使用和維護、維修過程中也應培養防范意識，并采取適當的防范措施。

1、電腦機房較好安裝防靜電地板，電腦機殼需要可靠接地。對于機箱的屏蔽和接地，應該注意兩點：（1）機箱各部分應保持良好的接觸，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范的地線，電路施工時一定要按照配電規范，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、北方地區在秋冬季節要使用加濕器，保持室內空氣有一定濕度，防止靜電在設備、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導電搬運箱內進行運輸，防止集成電路芯片被靜電擊穿。

4、使用和維護過程中，在觸及電腦內任何電路時，記住先碰一下金屬機殼以釋放身體上的靜電。專業人員一般都有這個習慣，不過規范的做法還是戴上防靜電腕套。

5、電腦維護、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備都要保持接地，防止感應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，后人總結大禹治水的成功秘訣，在于其深知疏與堵相結合的道理。我們在解決靜電問題時也應采取大禹治水之道，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難進行斗爭的歷史，人類不僅沒有被災難所征服，而且從災難中學到新知，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生，讓人類相安無事也就罷了。