讀者朋友們對中學物理課上用一支筆在頭發上摩擦后就能吸附細小紙屑的實驗一定記憶猶新，這個簡單實驗讓我們看到了靜電的存在。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，一點也不夸張。而且，靜電對于電腦配件具有破壞性，稍不留神，電腦配件就會因此而損壞。這絕非危言聳聽！
一、無處不在的靜電
物質由原子組成的，原子中有不帶電的中子、帶正電的質子和帶負電的電子。正常狀況下，一個原子的質子數與電子數量相同，正負 平衡，所以對外表現出不帶電的特征。但是，當兩個物體相互摩擦時，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，這樣的電子很快就會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的速度，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 度降低，分子間的黏滯力減小，運動速度加快，就很容易產生靜電。我們在地板上走動、旋轉轉椅、開關抽屜、拿取紙筆、移動鼠標等動作都 會產生靜電，使我們身體和衣服上充滿靜電。
上面談到的都是摩擦生電，除此之外，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 即使不發生接觸，也會通過上述兩種方式產生靜電。
物體間的靜電感應現象即便未直接接觸也會發生：CRT顯示器屏幕作為一個感應源，也會在靠近它的人體上感應出靜電，讓使用者面部 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。
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，當它積累到一定程度時就會發生放電。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。自然界的雷電是強對流氣候下典型的ESD現象(圖1)，瞬間所釋放的巨大能 量，能將雷電所經過的空氣電離，使空氣變成阻值很低的導電通道，形成極強的電流和高溫，其破壞力不可小覬。
圖1
日常生活中的ESD現象頻繁地發生著，雖然沒有大自然中的雷電那么強烈，但也會有火花式放電，不僅伴有“噼叭”聲響，還會閃閃發光。寒冷干燥的冬夜里，關掉燈脫毛衣時就能真切地感受到這一現象。研究表明，當電壓大于8000V時可以看到ESD發出的光亮，當電壓大于6000V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，只是我們感覺不到。也就是說，很多ESD過程是在我們未察覺的情況下，悄無聲息地進行著。
ESD對電腦的損害，其嚴重程度與靜電電壓高低和能量大小有關。如果能量較小，則只能將元件擊穿，電壓消失后，器件性能仍能恢復到原始狀態。如果能量較大，在擊穿后接著形成大電流對元件形成永久性損害，如晶體管元件結電阻降低、漏電流增大，薄膜電阻器局部介質擊穿而發生阻值漂移等。ESD的危害有一定偶然性，不見得每一次都造成元件徹底報廢，多數情況下僅表現為穩定性降低。對于靜電給電子元器件造成的種種“內傷”，人們往往認為是元器件老化，而沒有想到是ESD的危害。筆者經歷過許多電腦故障，根本查不出損壞原因，現在想來估計與ESD有關。
ESD損害的嚴重程度還與元件對靜電的敏感度有關。如今電腦里的CPU、存儲器芯片和主板上的南橋、北橋等超大規模集成電路廣泛采用 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 命的弱點是靜電敏感度高，很容易被ESD擊穿。
ESD是電腦故障的罪魁禍首
隨著芯片工藝的進步，芯片的速度和功能都得以提升，但芯片卻變得更加脆弱。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，這些因素都會使芯片對ESD的敏感性增加。一個不太高的ESD電壓就能將晶體管擊穿，一個不太大的ESD電流就 能將連線熔斷。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儀器卻可以看清電路熔斷的情形(圖2)。
圖2
這種芯片內部的損傷，用肉眼是無法看到的。 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。來自Intel的資料表明，在引 起電腦故障的諸多因素中，EOS/ESD是最大的隱患，將近一半的電腦故障都是由EOS/ESD引起的(圖3)。EOS是Electrical Over Stress(電氣過應力)的縮寫，是過電壓或過電流的總稱，ESD屬于EOS中的一種。
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進步，低電壓、微功耗、高集成度技術給我們帶來更新的產品，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。在電子行業中，防靜電技術已經成為一個熱門技術 ，防靜電產品的研發和制造已經發展為一個獨立的產業。
ESD防護是一個系統工程，在設計和制造階段，可從三個方面著手：一是要防止電腦本身因產生強靜電感應而自我損傷，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 中一般都會提及；三是增設ESD保護電路，抵御外來靜電。
1.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，這樣芯片自身成了一個巨大的電容器，使得芯片可能攜帶大量靜電電荷Q(=C×V)。
其次，CPU、GPU及北橋芯片上的金屬蓋以及散熱片，是個惹是生非的禍根。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，對芯片安全構成威脅。
綜合上述兩種不利因素，芯片的防靜電設計主要從下面兩個途徑實現，一是采用緊密型設計技術，盡可能縮小IC核心和I/O的尺寸，以 降低寄生電容；二是采用分割器件設計的后端鎮流(BEB)、整合的鎮流電路(MBC)版圖設計以及多觸點電路設計(MFT)等，各放電通道形成相互并 聯的網絡，使得芯片總體等效電阻值很小，放電能力很強。
2.整機的屏蔽與接地設計
在電腦生產車間，地板、制造設備、測試儀器、芯片周轉箱、庫房等均為防靜電設計，就連操作者也要身穿防靜電服、戴上防靜電手 套。但是，電腦在應用過程中，ESD還是有許多的可乘之機。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，良好的接地措施可使電腦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，也可以消除設備自身所產生的摩擦靜電。
當然，前提是各部件之間應該接觸良好。所以，為保證部件充分接觸，機箱上設置有各種彈 性觸點或彈性接觸片(圖4)。
圖4 機箱上的金屬觸點
3.接口電路中植入ESD保護器
芯片是最容易被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的一道防線。在電腦 的各個接口處接入ESD防護器件，使靜電在防護器件上釋放掉，可避免靜電向電路板的縱深區域侵入。
接口電路中最簡易的防靜電措施是：在線路中串聯一個低阻值的電阻，以限制ESD的電流，或在信號線與地線之間接入一個小電容，給 ESD電流提供通路。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 口和IEEE 1284A并口等低速端口中，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。
圖5 內嵌防靜電功能的收發芯片
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(Transient Voltage Suppresser，瞬態電壓抑制器)(圖6)和 MLV(Multi-Layer Varistor，多層變阻器)等新型ESD保護器。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，最新產品有Semtech公司的MicroClamp TVS，Microsemi公司的USB50403C等。TVS能夠迅速地將ESD故障電流放電到接地端，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。
圖6 USB接口中的TVS保護電路
ESD保護器雖然有多種類型，但每一種都具有“自恢復”特性，都應經得住多次放電的考驗。俗話說，千里之堤，潰于蟻穴。在電腦設 計和制造過程中，從EMC設計到元器件篩選，從流片焊接到整機裝配，不管哪個環節出了問題，都會帶來防靜電性能的缺陷。因此，樣機設計階 段要利用好ESD測試這個查漏手段，及時發現設計漏洞，電腦整機進入包裝箱前，也應按照相關標準嚴格測試，防止把問題產品銷售出去。本文 開頭提到的i865主板連續燒毀南橋芯片的質量事故，如果主板制造商進行過ESD測試，這種糟糕的事情大概就可以避免了。
四、使用與維護中的防范措施
靜電是電腦的無形殺手，即便有了完善的技術措施，ESD還是有可乘之機。那么，用戶在電腦的使用和維護、維護過程中又應該注意哪 些問題呢？其實，最重要的是培養防范意識，采取正確的防范措施。
1、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：
●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；
●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的正確位置。如果 建筑物有地線，就需要自制簡易地線，用一根金屬導線將機箱外殼與室內的自來水管連接起來即可。需要說明的是，那種將導線一端連接機箱 金屬外殼，而另一端隨便扔在地上的方法是不可取的，因為完全沒有達到接地的目的。
2、北方地區在秋冬季節應使用加濕器，保持室內空氣的一定濕度，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。其實在購買電 腦配件時，大多數PCB裸露在外的硬件都是裝在防靜電袋中的，而這些防靜電袋最好妥善保管起來，以便日后再次使用。
4、使用或維護過程中觸及電腦內任何電路時，規范的做法是戴上防靜電腕套(圖7)。不過，對于廣大的普通用戶而言，可以先碰一下電 腦機箱金屬機殼以釋放身體上的靜電(前提是電路確實已經接地，否則達不到釋放靜電的作用)。如果無法確認電路是否接地，那么也可以采用 碰觸自來水管的方法釋放靜電。
圖7 防靜電腕套
另外，我們平時插拔USB或IEEE 1394設備時，也應該按照第4點提出的方法預先釋放身體上的靜電，減少因靜電而損壞設備和配件的幾 率。
五、后記：來自“大禹治水”的啟示
大禹治水的成功秘訣在于疏導為主，疏堵結合，疏中用堵，堵為疏用。前文提及，靜電在我們生活中無處不在，因此我們在解決靜電 問題時也應效仿大禹治水的做法，做到屏蔽和釋放兩種措施并舉。對易受ESD危害的重點部位，應在其外圍進行屏蔽和隔離；對容易積累和儲存 靜電的物體進行可靠接地，使靜電得以及時釋放。同時，還應多了解一些靜電的知識，采取切實有效的防治措施，將ESD的潛在危害性降到最低 。
