计算机机房的静电防护技术

计算机机房的静电防护技术

摘  要：本文从静电的产生入手，对静电的防护进行了系统的论述和具体的介绍。并就计算机机房的静电防护进行了从时间到空间的立体分析。介绍了现在静电防护领域的最前端技术和新型防静电材料。

关键词：计算机机房、静电防护、接地、 防静电材料

一、引言

计算机房的防静电技术，是属于机房安全与防护范畴的一部分。由于种种原因而产生的静电，是发生最频繁，最难消除的危害之一。静电不仅会对计算机运行出现随机故障，而且还会导致某些元器件，如CMOS、MOS电路，双极性电路等的击穿和毁坏。此外，还会影响操作人员和维护人员的正常的工作和身心健康。计算机在国民经济各个领域，诸如气象预测预报、航空管理、铁路运输、邮电业务、微波通信、证券营运、财政金融、人造卫星、导弹发射等方面的应用日益普及和深入，这些领域都是与国民经济息息相关的，一旦计算机系统在运行中发生故障，特别是重大的故障会给国民经济带来巨大的损失，造成的政治影响更加不容忽视。

静电引起的问题不仅硬件人员很难查出，有时还会使软件人员误认为是软件故障，从而造成工作混乱。此外，静电通过人体对计算机或其他设备放电时(即所谓的打火)当能量达到一定程度，也会给人以触电的感觉，造成操作系统维护人员的精神负担，影响工作效率。如何防止静电的危害，不仅涉及计算机的设计，而且与计算机机房的结构和环境条件有很大的关系。在建设和管理计算机机房时，分析静电对计算机的影响，研究其故障特性，找出产生静电的根源，制定减少以至消除静电的措施，始终是一个重要课题。

二、静电对计算机的影响

静电对计算机的影响，主要体现在静电对半导体器件的影响上。可以说半导体器件对静电的敏感 ，也就是计算机对静电的敏感。随着计算机工业的发展,组成电子计算机的主要元件——半导体器件也得到了迅速的发展。由于半导体器件的高密度、高增益，又促进了电子计算机的高速度、高密度、大容量和小型化。与此同时，也导致了半导体器件本身对静电的反应越来越敏感。

静电对计算机设备的影响主要表现在以下两方面：

1、在静电对半导体器件的影响

静电会造成元器件损坏。这种损坏不仅限于小型半导体元器件、电子器件，而且只要极间距离特别小的，暴露在静电场，或在放置的场所发生静电放电，或在元器件本身的端子之间、电极之间，如果发生静电，往往就被击穿。当一根引线被静电电荷充电，而其它处于浮动接地状态时也会发生损坏。不是浮动接地，而是直接用导线接到外壳接地上，那损坏更厉害。由静电造成的损坏有以下几种：

（1）软件损坏。

① 动作中的信息出现空白。

② 发生错误信号。

③ 装置的功能暂发生故障。

（2）硬件损坏。

①瞬间击穿。

②在一定时间内击穿。

当元件、器件暴露在静电放电的环境中，最初只是极小的损伤，而后来缓慢地装到系统上或装上后经过一段时间就会击穿损坏。

2、电子元器件的静电损坏

如元器件接触带静电的人所形成的损坏，大部分是由于静电传导，经过器件迅速放电所造成的。

放电通过元器件的小电阻区形成大电流冲击，使半导体材料过热以至熔化掉。这种破坏机理主要发生在双极性半导体元器件与薄膜电阻体，造成元器件继续受损。用塑料绝缘材料包器件，就可以避免静电经元器件放电构成回路而导致器件损坏。即使万一带上静电，塑料是不良导体，还是不能使静电能量经器件进行放电。但是，带静电的绝缘体产生静电场，如果只绝缘而不屏蔽，也会损坏元器件。这种元器件称为具有电场灵敏性的元器件。目前，所使用的最新微电子产品与集成电路，几乎都具有电场灵敏性。70年代以来，MOS集成电路继续在发展，人们逐渐了解到具有MOS构造的器件对静电损坏是非常敏感的，甚至对人们注意不到的总是也是非常敏感。这种器件具有大于10⁹Ω的高输入阻抗，所以，应该能够避免相当大的过渡电流。但是，最近研究发现故障的机理是金属化栅下的氧化物绝缘层的绝缘被破坏。如果把硅栅换成金属栅，可以使MOS器件的静电敏感性增高1 ~4倍。

静电触及到计算机后，对计算机放电，轻则造成误动作和误运算，严重可使计算机程序紊乱，使穿孔机穿孔不好，打印机走纸不顺。对带阴级射线管的显示设备，当受到静电干扰时，会引进图像紊乱，模糊不清。静电还将造成Modem、网卡、Fax等工作失常，打印机的走线不顺等故障。

为了防止静电故障的发生，首先便要了解静电故障的特点，从而根本的解决问题。

三 、计算机静电故障的特点

1、 计算机因静电引起的故障特点

（1） 静电故障出现的季节，主要是冬春干燥期，就是说静电随湿度而改变。

（2）静电引起的故障偶发性多，重复性不强，一般是随机性的故障，因此，难于找出其诱发的原因。

（3）静电与计算机房采用的地板、使用的家具和工作人员的工作服有关。

（4）静电致电子计算机出现错误动作时，往往是当人体或其它绝缘体与计算机设备相接触时发生。

 2、静电放电引起计算机故障的原因

（1）由于电流瞬时流经机壳，对信号线，电源线产生的感应噪声。

（2）由于静电产生的高压，引起机壳地，安全地电位变动，从而引起逻辑地产生的电位变动。

（3）由于静电放电时产生的电磁波给于信号的辐射噪声。

四、静电防护的具体方法

减少静电对计算机系统的影响主要从两个方面着手，一方面要在计算机及外设所使用的元器件，电路设计和组装设计等过程中考虑防静电问题，采取防静电措施。另一方面要在机房的设备上减少静电来源，可采取如下措施。

1、防止静电的产生

方法主要有以下三种：

（1）液相法：使用药剂，将药剂喷散在空气中，让药剂与空气充分接触，形成游离态的离子散布在空气中。利用空气中的这些离子，使静电中和掉，这就是液相法。液相法包括表面活性剂法和硅氧烷接合剂法。表面活性剂法有：阴离子系、阳离子系和非离子系三种。

使用静电消除剂是一种液相法的重要手段。静电消除剂是一种导电溶剂。在静电发生较高的地方喷洒该类溶剂可消除静电，并能保持一定时期，但需定期喷洒。

（2）气相法：由离子发生器（可根据具体情况离子发生器与中央空调结合，或单独装配）将发生的离子送入空气，这叫气相法。气相法包括空调法（调节温湿度）和离子吹入法。

静电产生的主要原因或说条件是湿度低。为了确保计算机安全可靠地运行，要把湿度控制在规定的范围之内。一般地讲，当相对湿度低于40％时，空气被认为是干燥的；而当相对湿度高于80％时，则认为空气是潮湿的；当相对湿度为100％时，空气处在饱和状态。在相同的条件下，相对湿度越低，也就是说越干燥，静电电压越高，影响电子计算机设备的正常工作越明显。实验表明，当计算机机房的相对湿度为30％时，静电电压为5000v，当相对湿度为20％时，静电电压就到了 10000V，而相对湿度降到 5％时，则静电电压可高达20000V。根据国标《电子计算机场地通用规范》GB/T2887-2000中的规定机房在开机时的相对湿度要在45~65%，停机时的相对湿度要在40~70%。因此，控制机房内湿度是避免产生静电的重要手段。机房内所安装的空调设备应具有恒温、恒湿性能，在机房内湿度偏低时，应能自动启动加湿器，使相对湿度保持在规定的范围之内。在必要的条件下，机房内可安装加湿机。由此看来，使机房内相对湿度保持在最佳值，也是气相法消除静电的一种方法。

（3）固相法：静电的发生不仅与材料的表面有关，而且与厚度也有关系，即体积效应。机房内在静电发生的阶段来考虑防止措施是不可能的。因此，在机房内对地板、工作台、椅子套、工作服等，用导电率低的材料，使发生的电荷迅速扩散掉，这就是固相法。固相法包括使用导电性塑料和金属、石墨包括金属板、金属电刷、石墨纤维电刷等方法。

2、静电防护措施

（1）接地与屏蔽。接地是最基本的静电防护措施，而屏蔽可以切断静电噪声的侵入。

关于机房在静电防护方面国标GB50174-93《电子计算机机房设计规范》中规定：基本工作间不用活动地板时。可铺设导静电地面，导静电地面可采用导电胶与建筑地面粘牢，导静电地面的体积电阻率均应为1.0×10⁷ ~1.0×10 ¹⁰Ω·cm。主机房内采用的活动地板可由钢、铝或其它阻燃性材料制作。活动地板表面应是导静电的，严禁暴露金属部分。单元活动地板的系统电阻应符合现行国家标准《计算机机房内的活动地板技术条件》的规定：在温度为15~30℃、相对湿度为30%~70%时活动地板系统电阻值为1.0×10⁷ ~1.0×10 ¹⁰Ω。

作为最基础的防静电措施，在机房内应架设防静电地坪。计算机机房的地板是静电产生的主要来源，因而不论是木质地板，还是其它类型的活动地板，都需保证从地板表面到接地系统的电阻在10⁵~10⁸Ω之间。阻值的下限是为了人身安全，上限则是为了防止静电。

在计算机、通信机房和电子及各种高技术厂房广泛应用的防静电地板和防静电活动地板是防静电器材和装备中的主导产品。我国的防静电地坪装备技术和产业是在跟随国外技术的基础上发展起来的。从结构类别划分，防静电地坪可分为防静电活动地板（包括智能网络活动地板）、PVC或三聚氰胺防静电貼面地板、防静电环氧树脂自流平材料为代表的化学类地板和现浇水磨石防静电地坪等四大类别。

防静电地坪的主要机理是将在地面行走的人或物流运动所产生和积聚的静电荷向大地泄放。它必需同时具备两个条件：地坪的表面电阻率在10⁶～10⁹Ω，与大地应有合适的连接通道。为此，防静电地坪材料的电阻率应有特殊要求，通常是通过材料复合或改性的方法实现。以金属纤维或有机导电粉末复合改性的热固性三聚氰胺或热塑性PVC，是防静电活动地板贴面材料和防静电貼面地坪的主流产品，而防静电化学地坪主要是以导电材料攺性的环氧聚氨酯自流平材料，防静电水磨石地坪则是在浇注施工时混入导电材料而成。二十世纪九十年代初，我国的科学技术工作者通过在陶瓷坯料中加入特别配方的无机材料，经过1360℃左右高温烧结成型，从而获得稳定可靠的防静电性能，成为一种具有普通建筑裝修使用的耐磨砖完全相同的物理性能，具有良好的施工特性和丰富的质感，同时又具有耐久和稳定的防静电功能的新型特种陶瓷地砖。

瓷质防静电地砖除了在物理性能和观感指标实现高档化外，还可以通过对配方和工艺的调整或引人纳米技术，稳定地获得不同的表面电阻率和体积电阻率，除了可满足通常耗散静电型的技术需要外（表面电阻率在10⁶～10⁹Ω），还可以满足导静电型的技术需求（表面电阻率在小于10⁶Ω）。纳米复合陶瓷地砖还具有更高的耐磨性和光洁性。此外，与导电涂料和导电粘合材料及相应工艺相配合，可广泛应用于各种要求的电磁屏蔽工程。

国内外不同类别的防静电地坪材料技术、经济性能简要对比详见附表一。

实践证明，当电阻值低于10⁹Ω以下，机房的工作人员最好穿着接地电阻在10³~10⁵Ω的抗静电鞋。这样人体所带静电可以通过抗静电鞋和地板漏泄至地，从而减少人体所带的静电，有效地防止人体触及计算机机壳时放电。计算机接地是以接地电流易于流动为目标，要求接地电阻越小越好。计算中心的接地应尽量减少噪音引起的电位变动，同时应注意信号电路与电源电路、高电平电路与低电平电路不能使用同一共地回路。对传输带宽要求较高的网络布线，电路之间应采用相互隔离的绝缘屏蔽并接地，以防止静电感应产生干扰。

（2）同时设备的外壳接地是也最基本的防静电措施，要求计算机本身具备一套合理的接地和屏蔽系统，这样当静电带电体触及计算机机壳放电时，静电就能通过接地导线漏泄入地而不至于引起系统运行故障，通常静电瞬间电势过高很容易引起接地电位的波动。其次，要尽量切断静电噪声侵入音频通道，在跳接音频和数字线时应尽量采用屏蔽线，屏蔽线的外绝缘皮应进行多点接地方式，可以在设备的机壳内侧与数字电路、低频模拟电路、电源等进行等电位连接，从而泄漏掉聚集在周围的电荷。

在计算机局域网机房系统中采用直流地接大地的做法对防止静电也起到一定的保护作用。在直流地的接法上可以分为三种类型：串联接地、并联接地和网状接地。

① 串联接地 （图一）

机房中设备直流地线以串联的方式采用S型接在直流地的铜皮上，此种接法虽然个别处电位有差异，但由于电阻非常小，所以在简单的接地系统中应用较多。其缺点是在要求较高配置时，从防止噪声的角度来看，因串联接地，各串联的电阻使得各点电位产生偏差，容易产生噪声。

② 并联接地 （图二）

此方法中各电路的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，各点间的电位差较平衡，可获得较好的低频接地，因此应用得较多。由于计算机的直流电压较低，各机架之间的地电流不容易形成耦合，但这种连接方式需要很多根地线，布线较繁杂。

③ 网状地  （图三）

在大型机房中，对地要求相对严格，目前广泛使用网状地线作为直流地，称为网状地。

直流网状地是用一定截面积的铜带在活动地板下面交叉排列成600ｍｍ×600ｍｍ的方格，其交叉点与活动地板支撑点的位置交错排列，脚点处用锡焊焊接或压接在一起。为了使直流网状地和大地绝缘，在铜带下面应垫2～3ｍｍ厚的绝缘胶皮或聚氯乙烯板等绝缘材料，要求对地电阻在10ＭΩ以上。直流网状地系统不仅有助于更好地保证逻辑电路电位参考点的一致，而且大大提高了机器内部和外部抗干扰能力。但是网状地系统比较庞大，施工复杂，且费用较高，因而只适用在大型计算机机房中应用。

（3）在直流地接大地系统中，由于各计算机系统的要求不同，因此其直流地与其他诸地的关系有很大的不同，大体上有以下几种接法。

① 直流地、安全地、交流地和避雷地分别接入不同的地桩。此种接法看来似乎各地相互之间没有关系，不产生任何影响，而且单个地桩的造价便宜，但实际上这种方法不但复杂、造价昂贵，而且诸地之间难以达到相对隔离的要求，因此易对直流系统产生冲击，影响设备的可靠性。

② 机房的直流地、交流地、安全地均各成系统，各用一根接地母线接入配电柜的中线，这种方法施工方便，可以与避雷地保持要求的距离，这是很多计算机系统中采用的接地方法。

③ 如所有地均接入避雷地，为了防止雷电压的反击，要求防雷接地装置与所有电器设备之间保持足够的距离。但是要保证满足这一条件是困难的，特别是利用钢筋混凝土建筑的结构以钢筋作为防雷网时，此距离实际上是无法保证的，在这种情况下应将诸地连在一起，采用共同接地方式。为了防止雷电冲击时接地电位的升高，共同接地的电阻最好能限制在1Ω以下。

在考虑接地系统的同时，还应该考虑机房的等电位连接问题。如，机房的吊顶与架设的地板之间应该做等电位连接处理。以防止在上下楼板间产生电位差，形成电场。造成机房内的粉尘颗粒由于楼板间的电场作用，在机房内长期处于悬浮状态，影响计算机的正常工作。

（4）工作台面的防护。对于采用MOS电路作存贮器的电子计算机系统，为了有效地保护MOS电路，可在硬件维修室或机房内设置专用MOS电路维修台。维修台应有接地的金属板作台面，维护人员带上特制的接地手套。接地电阻要求不高，在1000Ω以内都能取得良好的漏泄静电的作用。

（5）使用专用静电防护设备进行防护。作为防止静电的措施，采用离子中和法是最彻底的，这在一切情况下都是空调法或离子吹入法消除静电，是比较实惠和有效的，最起码机房内的空调系统是现成的。在机房中可以安置静电防护设备，如在主机房内安装离子风静电消除器。

静电消除器依据除电时离子的形成方式分成三类：加压式除电器、自行放电式除电器、放射线式除电器。

（6）人体静电的预防措施。人在活动过程中，衣物与外界介质或衣物之间的接触分离，以及其它原因会使衣服、鞋底带有一定量的静电荷。人的身体对静电是良好的导体，衣物局部产生的电荷通过静电感应使人体带一定的电位，形成人体周身带电。以后随着衣物局部电荷逐渐流散到全身表面，达到静电平稳状态。如：人在橡胶板或地毯等绝缘地面上走路时，因鞋底与地面不断的接触、分离而发生接触起电，可使人体带上2～3kV电位；穿尼龙、羊毛、混纺衣服从人造革面椅上起立时，人体可产生近万伏高压静电；冬天，将尼龙纤维的衣服从毛衣外面脱下时，人体可带10kV以上的高压静电。

在重点保护区域的入口处应设立手握金属接地体；工作人员严禁穿着泡沫塑料及塑料底鞋，在进入主机房时换穿工作服，并对自身除静电，必须穿着防静电鞋、防静电服或棉制工作服，必须使用符合安全规定的防静电劳保用品和工具。工作人员严禁在机房中梳头、换衣服或互相打闹。在一些特殊的机房，如国家安全部门，高级别要求保护机房中，工作人员应穿着专用静电防护服工作。穿着防静电服时，内衣严禁有两件以上涤纶、腈纶、尼龙等材料制成的服装。

五、小结

1、在微电子设备生产场地和使用场地的新建和改建项目，不仅要完善土建设计，而且要按国标规定对静电防护进行设计。

2、要加强防静电工程材料和配套产品的研究和开发，应用到工程中的产品必须有国家级检测部门认可才能使用。产品标准要和国外同类产品逐步接轨，按国标进行生产。

3、要建立一套施工管理程序。加强施工管理，确保工程质量，工程完工后要进行防静电测定，峻工验收后每年最少要进行监测。

4、新建生产厂房和使用场地应考虑到新技术发展，要留有余地，以满足更高的防静电要求。

参考文献：

1、防雷技术标准规范汇编    2001年版

2、信息工程中的静电防护    李惠成

六、论文的目的及其意义

    静电防护问题是一个在防护体系中经常被忽视的重要问题，它关系到整个微电子系统的正常运行。现在静电防护问题已经得到了重视，有关的技术和新型材料也已经被研发出来并应用到了实际当中。本文中提到的内容都是近年来的新兴科技，在这里进行一次系统的归纳总结，以便今后静电防护方面能够形成一个有规范有规模的系统学科。文中还提到了一些静电防护方面的产品，有些已经开始应用到实际当中了，还有一些处于研究阶段，相信对静电防护技术的进步会起到一定的推进作用。

表一：不同类别的防静电地坪材料技术、经济性能对比

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