蘇州欣吉盛機(jī)械科技有限公司
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很多人工程師都曾有過(guò)靜電放電（ESD）的體驗(yàn)，除靜電滾輪即使只是從地毯上走過(guò)然后觸摸某些金屬部件也會(huì)在瞬間釋放積累起來(lái)的靜電。我們都曾抱怨在實(shí)驗(yàn)室中使用導(dǎo)電毯、ESD靜電腕帶和其它要求來(lái)滿(mǎn)足工業(yè)ESD標(biāo)準(zhǔn)，也有不少人曾經(jīng)因?yàn)榇中拇笠馐褂梦词鼙Ｗo(hù)的電路而損毀昂貴的電子元件。
對(duì)某些工程師來(lái)說(shuō)ESD是一種挑戰(zhàn)，因?yàn)樾枰谔幚砗徒M裝未受保護(hù)的電子元件時(shí)不能造成任何損壞。這是一種電路設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)樾枰ＷC系統(tǒng)承受住ESD的沖擊，之后仍能正常工作，更好的情況是經(jīng)過(guò)ESD事件后不發(fā)生用戶(hù)可覺(jué)察的故障。
先來(lái)看看，靜電產(chǎn)生的原理
摩擦、碰撞、剝離、流動(dòng)帶電、噴出帶電、攪拌帶電如滾輪移動(dòng)、除靜電滾輪人員走動(dòng)、油罐車(chē)泄油時(shí)、噴嘴噴出之溶劑、攪拌機(jī)靜電是由于處于不同帶電序列位置的物體之間接觸分離，使物體上正負(fù)電荷失去平衡而發(fā)生的現(xiàn)象。兩種介電系數(shù)不同的物質(zhì)磨擦?xí)r，正負(fù)極性的電荷分別積累在兩個(gè)物體上而形成：當(dāng)兩個(gè)物體接觸時(shí)，其中一個(gè)趨于從另一個(gè)吸引電子，因而二者會(huì)形成不同的充電電位。
摩擦起電是一個(gè)機(jī)械過(guò)程，依靠相對(duì)表面移動(dòng)傳送電量。傳送的電量取決于接觸的次數(shù)、表面粗糙度、濕度、接觸壓力、摩擦物質(zhì)的摩擦特性以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。兩個(gè)帶上電荷的物體也就成了靜電源。就人體而言，衣服與皮膚之間的磨擦發(fā)生的靜電是人體帶電的主要原因之一。靜電源跟其它物體接觸時(shí)，依據(jù)電荷中和的原則，存在著電荷流動(dòng)，傳送足夠的電量以抵消電壓。這個(gè)高速電量的傳送過(guò)程中，將產(chǎn)生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場(chǎng)，嚴(yán)重時(shí)將其中物體擊毀。這就是靜電放電。
靜電感應(yīng)帶電：CRT顯示器電容改變壓電效應(yīng)電磁輻射感應(yīng)靜電只存在于物體表面，而非物體內(nèi)部，絕緣體中的電荷只保持在產(chǎn)生靜電的那些區(qū)域，而不會(huì)出現(xiàn)在整個(gè)表面。因而絕緣體接地后不會(huì)失去這些電荷。與絕緣體相反，充電導(dǎo)體接地后便會(huì)失去自身電荷。如果將導(dǎo)體瞬間接地（例如，該物體被站立在地上的人觸摸），那么遠(yuǎn)離帶電體表面的電荷就會(huì)釋放，則導(dǎo)體將帶正電荷。
ESD（靜電放電）的定義
靜電放電：具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移（GB/T4365-1995）”
ESD會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備嚴(yán)重地?fù)p壞或操作失常。半導(dǎo)體專(zhuān)家以及設(shè)備的用戶(hù)都在想辦法抑制ESD？ 靜電就是靜止的電荷。靜電的產(chǎn)生是由于電子在外力的作用下，從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體或者是受外界磁場(chǎng)的影響而產(chǎn)生的極化現(xiàn)象？ 一種電能，是正電荷和負(fù)電荷在局部范圍內(nèi)失去平衡的結(jié)果。
隨著高科技的發(fā)展，靜電所造成的后果已突破了安全問(wèn)題的界限。靜電放電造成的危害是在電子、通信、航空以及一切應(yīng)用現(xiàn)代電子設(shè)備、儀器的場(chǎng)合下導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)故障、信號(hào)丟失、誤碼的直接原因之一。靜電放電電流有可能被直接耦合到電子設(shè)備的數(shù)據(jù)線(xiàn)，信號(hào)線(xiàn)，控制線(xiàn)等的總線(xiàn)上。在這種情況下，集成電路和特殊用途的集成電路就受到靜電放電的影響。
在1970年以前，很多靜電問(wèn)題都是由于人們沒(méi)有ESD意識(shí)而造成的，即使現(xiàn)在也有很多人懷疑ESD會(huì)對(duì)電子產(chǎn)品造成破壞。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)ESD損害發(fā)生在人的感覺(jué)以下，因?yàn)槿梭w對(duì)靜電放電的感知電壓為3KV，而很多電子元件在幾百伏甚至幾十伏時(shí)就會(huì)損壞，通常電子器件被ESD損壞后沒(méi)有明顯的界限，把元件安裝在PCB上以后再檢測(cè)，結(jié)果出現(xiàn)很多問(wèn)題，分析也相當(dāng)困難。
特別是潛在的損壞，即使使用精密儀器也很難測(cè)量出其性能有明顯的變化，除靜電滾輪所以很多電子工程師和設(shè)計(jì)人員都懷疑ESD，但近年試驗(yàn)證明，這種潛在損壞在一定時(shí)限以后，電子產(chǎn)品的可靠性明顯下降。
ESD對(duì)產(chǎn)品的危害
1、靜電的基本物理特性為：吸引或排斥，與大地有電位差，會(huì)產(chǎn)生放電電流。
2、靜電吸附灰塵，降低元件絕緣電阻（縮短壽命）。
3、靜電放電破壞，使元件受損不能工作（完全破壞）。
4、靜電放電電場(chǎng)或電流產(chǎn)生熱，使元件受傷（潛在損傷）。
5、靜電放電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)幅度很大（達(dá)幾百伏/米）頻譜極寬（從幾十兆到幾千兆），對(duì)電子產(chǎn)品造成干擾甚至損壞（電磁干擾）ESD引起的器件擊穿，是電子工業(yè)最普遍，最嚴(yán)重的靜電危害。
6、靜電對(duì)電子產(chǎn)品損害的特點(diǎn)隱蔽性：人體不能直接感知靜電，除非發(fā)生靜電放電。人體也不一定能有電擊的感覺(jué)，這是因?yàn)槿梭w感知的靜電放電電壓為2~3KV，所以靜電具有隱蔽性。
7、潛在性：有些電子元器件受到靜電損傷后的性能沒(méi)有明顯的下降，但多次積累放電會(huì)給器件造成內(nèi)傷而形成隱患。因此靜電對(duì)器件的損傷具有潛在性。
8、隨機(jī)性：電子元件什么情況下會(huì)遭受靜電破壞呢？可以這么說(shuō)，從一個(gè)元件產(chǎn)生以后，一直到它損壞以前，所有的過(guò)程都受到靜電的威脅，而這些靜電的產(chǎn)生也具有隨機(jī)性，其損壞也具有隨機(jī)性。
9、復(fù)雜性：靜電放電損傷的實(shí)效分析工作，因電子產(chǎn)品的精，細(xì)，微小的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而費(fèi)時(shí)，費(fèi)事，要求較高的技術(shù)并往往需要使用掃描電鏡等高精密儀器。
ESD實(shí)驗(yàn)介紹
直接通過(guò)能量交換引起半導(dǎo)體器件的損壞。放電所引起的電場(chǎng)與磁場(chǎng)變化，造成設(shè)備的誤動(dòng)作。對(duì)不同試驗(yàn)結(jié)果，可以根據(jù)該產(chǎn)品的工作條件和功能規(guī)范按以下內(nèi)容分類(lèi)：
A：技術(shù)要求范圍內(nèi)的性能正常；
B：功能暫時(shí)降低或喪失，但可自行恢復(fù)性能；
C：功能暫時(shí)降低或喪失，要求操作人員干預(yù)或系統(tǒng)復(fù)位；
D：由于設(shè)備（元件）或軟件的損壞或數(shù)據(jù)的喪失，而造成不可恢復(fù)的功能降低或喪失。
符合A的產(chǎn)品，試驗(yàn)結(jié)果判合格。這意味著產(chǎn)品在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中功能正常，性能指標(biāo)符合技術(shù)要求。
符合B的產(chǎn)品，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)視其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)或者試驗(yàn)大綱的規(guī)定，當(dāng)認(rèn)為某些影響不重要時(shí)，可以判為合格。
符合C的產(chǎn)品，試驗(yàn)結(jié)果除了特殊情況并且不會(huì)造成危害以外，多數(shù)判為不合格。
符合D的產(chǎn)品判別為不合格。
符合B和C的產(chǎn)品試驗(yàn)報(bào)告中應(yīng)寫(xiě)明B類(lèi)或C類(lèi)評(píng)判依據(jù)。符合B類(lèi)應(yīng)記錄其喪失功能的時(shí)間。
ESD防護(hù)的主要目的
一、增加生產(chǎn)量
二、節(jié)省成本
三、產(chǎn)品可靠性較佳
四、產(chǎn)品壽命較長(zhǎng)
基本方法
1、接地：接地就是將靜電通過(guò)一條線(xiàn)的連接放入大地，這是防靜電措施中最直接最有效的。
導(dǎo)體常用的接地方法有：帶防靜電手腕及工作表面接地等。
2、靜電屏蔽： 靜電敏感元件在儲(chǔ)存或運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)暴露于有靜電的區(qū)域中，用靜電屏蔽的方法可削弱外界靜電對(duì)電子元件的影響。最通常的方法是用靜電屏蔽袋作為保護(hù)。
3、離子中和：絕緣體往往是易產(chǎn)生靜電的，除靜電滾輪對(duì)絕緣體靜電的消除，用接地方法是無(wú)效的，通常采用的方法是離子中和， 即在工作環(huán)境中使用離子風(fēng)機(jī)，離子氣槍。
4、電路設(shè)計(jì)
I/O口電路的設(shè)計(jì)同樣受到PCB布局及接地設(shè)計(jì)的影響。如圖第一幅圖的端口防護(hù)器件的接地和后端被保護(hù)的IC的地進(jìn)行共地設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)一旦瞬態(tài)脈沖被鉗位卸放到地上面，由于這個(gè)地同時(shí)也是IC的參考地，很容易導(dǎo)致IC地電位抬高而出現(xiàn)異常；
改善方案主要有兩種：如果系統(tǒng)是兩線(xiàn)制設(shè)備（無(wú)地線(xiàn)）系統(tǒng)外殼也是非金屬材質(zhì)，此地線(xiàn)設(shè)計(jì)也必須將IC的參考地和防護(hù)器件的地分開(kāi)，不能共用在一起，但是由于此系統(tǒng)屬于無(wú)地線(xiàn)系統(tǒng)，可以采用這兩個(gè)部分分別鋪設(shè)不同的接地區(qū)域，然后使用Y電容將兩個(gè)區(qū)域的地線(xiàn)連接在一起。另外一種是系統(tǒng)有設(shè)計(jì)地線(xiàn)或者外殼屬于金屬外殼，這種情況就可以將防護(hù)器件的接地直接連到外殼地或者通過(guò)Y電容連接到外殼地，但是一定要和IC的參考地分開(kāi)。
上面提到的PCB走線(xiàn)的設(shè)計(jì)導(dǎo)致防護(hù)電路失效的問(wèn)題，通過(guò)圖就可以看到端口設(shè)計(jì)了TVS管防護(hù)ESD，但是如果布線(xiàn)按照第一幅圖這樣走線(xiàn)，極易導(dǎo)致IC損壞，但是TVS管還沒(méi)有動(dòng)作的，主要是由于現(xiàn)有的ESD或者EFT都是高頻干擾，走線(xiàn)阻抗大，所以對(duì)于端口的防護(hù)電路設(shè)計(jì)一定要遵守靠近端口的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)PCB。