電子產(chǎn)品的靜電放電測(cè)試及其對(duì)策(已修改)
2025-04-07 02:53 本頁(yè)面
【正文】 電子產(chǎn)品靜電放電的危害、測(cè)試及其對(duì)策中國(guó)賽寶總部實(shí)驗(yàn)室電磁兼容研究與測(cè)試中心：朱文立摘要：隨著電子產(chǎn)品自動(dòng)化、智能化程度越來越高，靜電放電對(duì)其危害也越來越嚴(yán)重，本文根據(jù)筆者實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)資料就靜電放電形成機(jī)理、對(duì)電子產(chǎn)品的危害及靜電放電敏感度測(cè)試、電路設(shè)計(jì)對(duì)策等提出一些觀點(diǎn)和看法，供大家在實(shí)際使用中參考。關(guān)鍵詞：電子產(chǎn)品 靜電放電 測(cè)試 設(shè)計(jì)靜電是人們?nèi)粘Ｉ钪幸环N司空見慣的現(xiàn)象，靜電的許多功能已經(jīng)應(yīng)用到軍工或民用產(chǎn)品中，如靜電除塵、靜電噴涂、靜電分離、靜電復(fù)印等。然而，靜電放電（ESD）卻又成為電子產(chǎn)品和設(shè)備的一種危害，造成電子產(chǎn)品和設(shè)備的功能紊亂甚至部件損壞。一個(gè)操作員在正常的設(shè)備操作中也可能因衣服或皮膚帶有危害的電荷而使機(jī)器運(yùn)行紊亂，甚至損壞硬件設(shè)備?，F(xiàn)代半導(dǎo)體器件的規(guī)模越來越大，工作電壓越來越低，導(dǎo)致了半導(dǎo)體器件對(duì)外界電磁騷擾敏感程度也大大提高。ESD對(duì)于電路引起的干擾、對(duì)元器件、CMOS電路及接口電路造成的破壞等問題越來越引起人們的重視。電子設(shè)備的ESD也開始作為電磁兼容性測(cè)試的一項(xiàng)重要內(nèi)容寫入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。本文就ESD的形成機(jī)理、對(duì)電子產(chǎn)品的危害及ESD敏感度測(cè)試、電路設(shè)計(jì)對(duì)策等問題與大家共同探討。一、 靜電放電形成的機(jī)理及其對(duì)電子產(chǎn)品的危害靜電是兩種介電系數(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。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是這樣定義的：“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/T43651995）”，一般用ESD表示。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)體專家以及設(shè)備的用戶都在想辦法抑制ESD。在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用過程中，操作者是最活躍的靜電源，當(dāng)人體穿著絕緣材料的織物，并且其鞋也是對(duì)地絕緣的時(shí)候，人在地面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，就可能積累一定數(shù)量的電荷，當(dāng)人體接觸與地相連的元件、裝置的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生靜電放電?，F(xiàn)以人體為例，計(jì)算人體的帶電情況。當(dāng)人們穿著化纖織物時(shí)，人體運(yùn)動(dòng)的充電電流約 10－7～10－6A，總的充電電荷約（～5）X10－6庫(kù)侖，人體對(duì)地的電容約150～250pF，若以電荷3X10－6庫(kù)侖計(jì)，則充電電壓可達(dá)5～25kV。人體的靜電放電模型可用電阻和電容的串聯(lián)來模擬，設(shè)人體電阻R=500Ω，人體電容C=300pF，人體帶靜電電壓U=10kV，則靜電所含能量為：W=1/2（CU2）＝15（mJ）盡管靜電電壓高達(dá)10kV，能量?jī)H15mJ，對(duì)人體沒傷害，但當(dāng)人手去觸摸設(shè)備的金屬部分時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花放電，瞬間的脈沖峰值很高，很可能對(duì)電子電路產(chǎn)生干擾或破壞。本例中放電電流的峰值為：IP≈U／R=20（A）；放電時(shí)間很短，可近似為：Td≈RC＝150（ns），這對(duì)于MOS電路來說，則將受到致命打擊。大多數(shù)半導(dǎo)體器件都很容易受靜電放電而損壞，特別是大規(guī)模集成電路器件更為脆弱。通常以半導(dǎo)體器件中管結(jié)與絕緣層被靜電放電擊穿的靜電電壓值來表示半導(dǎo)體器件的易損性。常見的半導(dǎo)體器件對(duì)靜電放電的易損值為100~3000V。表1列出了常見器件的易損參考值。靜電對(duì)器件造成的損壞有顯性的和隱性的兩種。隱性損壞在當(dāng)時(shí)看不出來，但器件變得更脆弱，在過壓、高溫等條件下極易損壞。表1：常見半導(dǎo)體器件的ESD易損值器件類型對(duì)ESD的易損值（V）肖特基二極管肖特基TTL雙極晶體管ECL可控硅JFETCMOSFETCMOSGaAsFETEPROM300～25001000～2500380～7000500～1500680～1000140～7000100～200250～3000100～300100ESD兩種主要的破壞機(jī)制是：由于ESD電流產(chǎn)生熱量導(dǎo)致設(shè)備的熱失效；由于ESD感應(yīng)出高的電壓導(dǎo)致絕緣擊穿。兩種破壞可能在一個(gè)設(shè)備中同時(shí)發(fā)生，例如，絕緣擊穿可能激發(fā)大的電流，這又進(jìn)一步導(dǎo)致熱失效。除容易造成電路損害外，靜電放電也極易對(duì)電子電路造成干擾。靜電放電對(duì)電子電路的干擾有二種方式。一種是傳導(dǎo)方式，若電路的某個(gè)部分構(gòu)成了放電路徑，即靜電放電電流直接侵入設(shè)備內(nèi)的電路，例如人手去觸摸印制板上的軌線、管腳、設(shè)備的I/O接口端子、同軸插座的芯線等等。靜電放電電流流過集成片的輸入端，造成干擾。ESD干擾的另一種方式是輻射干擾。即靜電放電時(shí)伴隨火花產(chǎn)生了尖峰電流，這種電流中包含有豐富的高頻成分。從而將輻射磁場(chǎng)和電場(chǎng)，磁場(chǎng)能夠在附近電路的各個(gè)信號(hào)環(huán)路中感應(yīng)出干擾電動(dòng)勢(shì)。由于在很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的電流變化（上例中150ns內(nèi)電流變化20A），所以在信號(hào)環(huán)路中產(chǎn)生的干擾電動(dòng)勢(shì)很可能超過邏輯電路的閥值電平，引起誤觸發(fā)。輻射干擾的大小還取決于電路與靜電放電點(diǎn)的距離。靜電放電產(chǎn)生的磁場(chǎng)隨距離的平方衰減。靜電放電產(chǎn)生的電場(chǎng)可以被印制板上的軌線，設(shè)備的I/O線接收，從而產(chǎn)生干擾。電場(chǎng)的瞬時(shí)峰值很高可達(dá)幾百至幾千千伏／米，但隨距離立方衰減。當(dāng)距離較近時(shí)，無論是電場(chǎng)還是磁場(chǎng)都是很強(qiáng)的。因此在靜電放電位置附近的電路一般會(huì)受到影響。ESD在近場(chǎng)，輻射耦合的基本方式可以是電容或電感方式，取決于ESD源和接受器的阻抗。在高阻電路中，電流信號(hào)很小，信號(hào)用電壓電平表示，此時(shí)電容耦合將占主導(dǎo)地位，ESD感應(yīng)電壓為主要問題。在低阻電路中，信號(hào)主要電流形式，因而電感耦合占主導(dǎo)地位，ESD感應(yīng)電流將導(dǎo)致大多數(shù)電路出現(xiàn)的問題。在遠(yuǎn)場(chǎng)，則存在電磁場(chǎng)耦合
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