ESD必知！产品设计和制造中的防静电措施

　　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。


　　接口电路中最简易的防静电措施是：在线路中串连一个低阻值的电阻，来限制ESD的电流，或者在信号线与地线之间接如一个小电容，来释放ESD电流。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串行口和IEEE1284A并行口等低速端口中，多采用内嵌防静电功能的数据收发芯片 （图5）。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。


　　对 于高速的USB和IEEE1394热插拔接口，因为引脚较少，通常接入TVS和MLV等新型静电保护器件。 TVS（TransientVoltageSuppresser，瞬态电压抑制器）能够迅速地将ESD故障电流释放到接地端，而且其漏电流和结电容都很 低，响应时间也很短（1ns左右），是高速数据通路中理想的选择，在电脑主板及各种USB设备中获得广泛应用。


　　器件内通常含有若干个TVS二极管、具有多路保护作用的微型贴片元件，常见的封装形式有SOT23和SC-70两种，最新产品有Semtech公司的MicroClampTVS，Microsemi公司的USB50403C等。


　　保护器往往不被人们所注意，但却是电脑的保护神。它们在电脑中是否起过作用、起过几次作用，我们都无法知道。但是，如果没有它们的暗中保护，电脑就会经常给我们带来麻烦。


　　●对产品进行ESD测试大 家知道，电子产品必须通过EMC（电磁兼容性）性能测试，贴上EMC标志，才能进入国际市场。目前最为权威的EMC标准当属国际电工委员会制定的 IEC61000-4标准，其中包括IEC61000-4-2（ESD）、IEC61000-4-3（抗电磁干扰）、IEC61000-4-4（电快速瞬 变）、IEC61000-4-5（浪涌敏感度）。对电脑产品所进行的ESD试验也是以IEC61000-4-2作为标准的。


　　规定的ESD测试有两个项目：接触电压测试和空气放电测试。接触电压测试时，ESD信号发生器产生最高4kV的可调直流电压，当信号发生器的探头尖部接触 到被测设备时，发生放电。空气放电测试时，ESD测试仪提供最高8kV的可调脉冲电压，从测试仪的探头发出电火花传向待测设备。


　　千 里之堤，溃于蚁穴。在产品设计、元器件筛选和制造过程的每一个环节出了问题，都可能酿成灾难性事故，而ESD测试是发现设计问题、考验元器件质量和查找制 造缺陷的有效手段。MSI作为主板行业的一线大厂，居然也会出现南桥芯片大面积损坏的情况，问题究竟出在哪儿还不得而知，MSI可能没有对这一批主板逐个 进行ESD测试——这也只是猜测。