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。
《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(ElectroStaticDischarge,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。
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8000V时可以看到ESD发出的光亮,当电压大于6000V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(LatchUp),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。
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(ElectricalOver Stress)。
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。东莞佳创净化科技专业提供防静电产品,无尘室用品。
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。
ESD问题是一个系统工程,在设计时可从几个方面着手。一是要保证电脑本身不会因产生强静电感应而自我毁灭,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有提到;三是增设保护电路,抵御外来的静电。
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。
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。
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。
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