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設計和制造中的防靜電措施

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2014-09-02

 

   芯片制造工藝按摩爾定律不斷取得進步,低電壓、微功耗、高集成度技術給制造商帶來源源不斷的利潤,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。

 

 ESD問題是一個系統工程,在設計時可從幾個方面著手。一是要保證電腦本身不會因產生強靜電感應而自我毀滅,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有提到;三是增設保護電路,抵御外來的靜電。

 

   最好的技術應該是既能滿足使用要求,又能做到成本最低。電腦在保修期內損壞,廠商通常要為用戶免費維修或進行更換。如果產品故障率高居不下,不僅會增加維修成本、減少利潤,甚至要召回失敗產品而影響制造商聲譽。面對越來越脆弱的芯片,研究和實施防靜電技術以提高制造成品率、降低使用故障率,是所有芯片制造商和整機制造商都必須解決的問題。

 

● 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和SoC (System on Chip)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。由電容計算公式C=εS/d可知,芯片可能攜帶大量靜電電荷Q(=C x V),換句話說,芯片自身成了一個巨大的電容器。

 

         如果芯片設計者對此問題沒有足夠認識,未在芯片內設置電流釋放通道,使得凈電荷不斷積聚。如此一來,芯片在接觸到工作臺或包裝盒的瞬間,就會產生強烈的靜電釋放,以致于芯片損壞在制造過程之中,成品率降低了,生產成本提高了。

 

 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,這個因素也對芯片安全構成威脅。如果芯片設計者和整機設計者沒有考慮到這個因素,到了用戶手中再發現普遍存在問題而不得不把產品召回時,損失就更大了。

 

● 整機的屏蔽與接地設計

 

   在電腦生產車間,地板是防靜電的,制造設備是防靜電的,測試儀器是防靜電的,芯片周轉箱和庫房是防靜電的,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,電腦在應用過程中,還是會給ESD以可乘之機。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,良好的接地可使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,也可以消除旋轉設備自身所產生的摩擦靜電。為了保證部件之間接觸良好,機箱上設置有各種彈性觸點或彈性接觸片。

 

● 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的一道重要防線。由于電腦板卡上邏輯電路無法承受千伏級電壓,所以必須將之排除在電路之外。在電腦的各個接口處接入靜電防護器件,使靜電高壓在此釋放,避免了向電路板的縱深區域的侵入。

 

   接口電路中最簡易的防靜電措施是:在線路中串連一個低阻值的電阻,來限制ESD的電流,或者在信號線與地線之間接如一個小電容,來釋放ESD電流。不過這些措施會對信號產生衰減和延遲,不利于信號傳輸。

 

 

 

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