最好的技術(shù)應(yīng)該是既能滿(mǎn)足使用要求,又能做到成本最低。電腦在 保修期內(nèi)損壞,廠(chǎng)商通常要為用戶(hù)免費(fèi)維修或進(jìn)行更換。如果產(chǎn)品故障率高居不下,不僅會(huì)增加維修成本、減少利潤(rùn),甚至要召回失敗產(chǎn)品而影響制造商聲譽(yù)。面對(duì) 越來(lái)越脆弱的芯片,研究和實(shí)施防靜電技術(shù)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(jī)制造商都必須解決的問(wèn)題。
●芯片的防靜電設(shè)計(jì)
隨 著芯片速度的提高,為了縮短引腳長(zhǎng)度而減少信號(hào)串?dāng)_,CPU和SoC(SystemonChip)等超大規(guī)模IC芯片的封裝越來(lái)越多地采用倒裝芯片 (flipchip),倒裝芯片通常面積較大,而厚度很薄。由電容計(jì)算公式C=εS/d可知,芯片可能攜帶大量靜電電荷Q(=CxV),換句話(huà)說(shuō),芯片自 身成了一個(gè)巨大的電容器。
如果芯片設(shè)計(jì)者對(duì)此問(wèn)題沒(méi)有足夠認(rèn)識(shí),未在芯片內(nèi)設(shè)置電流釋放通道,使得凈電荷不斷積聚。如此一來(lái),芯片在接觸到工作臺(tái)或包裝盒的瞬間,就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電釋放,以致于芯片損壞在制造過(guò)程之中,成品率降低了,生產(chǎn)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(gè)禍根。諾大的金屬體無(wú)異于一個(gè)靜電接收天線(xiàn),極易吸附芯片周?chē)碾妶?chǎng),以及芯片附 近導(dǎo)線(xiàn)上的電荷,這個(gè)因素也對(duì)芯片安全構(gòu)成威脅。如果芯片設(shè)計(jì)者和整機(jī)設(shè)計(jì)者沒(méi)有考慮到這個(gè)因素,到了用戶(hù)手中再發(fā)現(xiàn)普遍存在問(wèn)題而不得不把產(chǎn)品召回時(shí), 損失就更大了。
●整機(jī)的屏蔽與接地設(shè)計(jì)
在電腦生產(chǎn)車(chē)間,地板是防靜電的,制造設(shè)備是防靜電的,測(cè)試儀器是防靜電的, 芯片周轉(zhuǎn)箱和庫(kù)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(yīng)用過(guò)程中,還是會(huì)給ESD以可乘之機(jī)。為 了避免感應(yīng)靜電的危害,需要對(duì)整機(jī)進(jìn)行屏蔽和接地。
電腦的金屬機(jī)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(jī) 箱中的主板、接口卡,軟驅(qū)、硬盤(pán)、光驅(qū)等設(shè)備,以及包裹在信號(hào)線(xiàn)外面的金屬屏蔽網(wǎng),均通過(guò)機(jī)箱連接成一個(gè)整體,然后再通過(guò)電源地線(xiàn)接入大地,這樣不僅可以 消除外來(lái)的感應(yīng)靜電,也可以消除旋轉(zhuǎn)設(shè)備自身所產(chǎn)生的摩擦靜電。為了保證部件之間接觸良好,機(jī)箱上設(shè)置有各種彈性觸點(diǎn)或彈性接觸片。
●接口電路中植入ESD保護(hù)器
芯 片是最容易被ESD損壞的器件,因此成為電腦中的重點(diǎn)保護(hù)對(duì)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(xiàn)。由于電腦板卡上邏輯電路無(wú)法 承受千伏級(jí)電壓,所以必須將之排除在電路之外。在電腦的各個(gè)接口處接入靜電防護(hù)器件,使靜電高壓在此釋放,避免了向電路板的縱深區(qū)域的侵入。
接口電路中最簡(jiǎn)易的防靜電措施是:在線(xiàn)路中串連一個(gè)低阻值的電阻,來(lái)限制ESD的電流,或者在信號(hào)線(xiàn)與地線(xiàn)之間接如一個(gè)小電容,來(lái)釋放ESD電流。不過(guò)這些措施會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生衰減和延遲,不利于信號(hào)傳輸。
近 幾年生產(chǎn)的主板中,在鍵盤(pán)、鼠標(biāo)的PS/2接口以及RS-232C串行口和IEEE1284A并行口等低速端口中,多采用內(nèi)嵌防靜電功能的數(shù)據(jù)收發(fā)芯片 (圖5)。接口芯片中內(nèi)嵌的ESD保護(hù)電路,是利用寄生電路實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)ESD作用時(shí),寄生電路被觸發(fā),泄放ESD電流或箝位ESD電壓,達(dá)到保護(hù)目的。
對(duì) 于高速的USB和IEEE1394熱插拔接口,因?yàn)橐_較少,通常接入TVS和MLV等新型靜電保護(hù)器件。 TVS(TransientVoltageSuppresser,瞬態(tài)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(jié)電容都很 低,響應(yīng)時(shí)間也很短(1ns左右),是高速數(shù)據(jù)通路中理想的選擇,在電腦主板及各種USB設(shè)備中獲得廣泛應(yīng)用。
TVS器件內(nèi)通常含有若干個(gè)TVS二極管、具有多路保護(hù)作用的微型貼片元件,常見(jiàn)的封裝形式有SOT23和SC-70兩種,最新產(chǎn)品有Semtech公司的MicroClampTVS,Microsemi公司的USB50403C等。
ESD保護(hù)器往往不被人們所注意,但卻是電腦的保護(hù)神。它們?cè)陔娔X中是否起過(guò)作用、起過(guò)幾次作用,我們都無(wú)法知道。但是,如果沒(méi)有它們的暗中保護(hù),電腦就會(huì)經(jīng)常給我們帶來(lái)麻煩。
●對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行ESD測(cè)試
大 家知道,電子產(chǎn)品必須通過(guò)EMC(電磁兼容性)性能測(cè)試,貼上EMC標(biāo)志,才能進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。目前最為權(quán)威的EMC標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)屬?lài)?guó)際電工委員會(huì)制定的 IEC61000-4標(biāo)準(zhǔn),其中包括IEC61000-4-2(ESD)、IEC61000-4-3(抗電磁干擾)、IEC61000-4-4(電快速瞬 變)、IEC61000-4-5(浪涌敏感度)。對(duì)電腦產(chǎn)品所進(jìn)行的ESD試驗(yàn)也是以IEC61000-4-2作為標(biāo)準(zhǔn)的。
IEC61000-4-2 規(guī)定的ESD測(cè)試有兩個(gè)項(xiàng)目:接觸電壓測(cè)試和空氣放電測(cè)試。接觸電壓測(cè)試時(shí),ESD信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生最高4kV的可調(diào)直流電壓,當(dāng)信號(hào)發(fā)生器的探頭尖部接觸 到被測(cè)設(shè)備時(shí),發(fā)生放電。空氣放電測(cè)試時(shí),ESD測(cè)試儀提供最高8kV的可調(diào)脈沖電壓,從測(cè)試儀的探頭發(fā)出電火花傳向待測(cè)設(shè)備。
千 里之堤,潰于蟻穴。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、元器件篩選和制造過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)出了問(wèn)題,都可能釀成災(zāi)難性事故,而ESD測(cè)試是發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題、考驗(yàn)元器件質(zhì)量和查找制 造缺陷的有效手段。MSI作為主板行業(yè)的一線(xiàn)大廠(chǎng),居然也會(huì)出現(xiàn)南橋芯片大面積損壞的情況,問(wèn)題究竟出在哪兒還不得而知,MSI可能沒(méi)有對(duì)這一批主板逐個(gè) 進(jìn)行ESD測(cè)試——這也只是猜測(cè)。