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。
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。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(SystemonChip)等超大规模IC芯片的封装越来越多地采用倒装芯片(flipchip),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(=CxV),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。
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。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。
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。
●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。
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