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靜電放電（ESD）的體驗(yàn)，除靜電滾輪即使只是從地毯上走過然后觸摸某些金屬部件也會在瞬間釋放積累起來的靜電。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滿足工業(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。
對某些工程師來說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ESD事件后不發(fā)生用戶可覺察的故障。
先來看看，靜電產(chǎn)生的原理
摩擦、碰撞、剝離、流動帶電、噴出帶電、攪拌帶電如滾輪移動、除靜電滾輪人員走動、油罐車泄油時、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物體上而形成：當(dāng)兩個物體接觸時，其中一個趨于從另一個吸引電子，因而二者會形成不同的充電電位。
摩擦起電是一個機(jī)械過程，依靠相對表面移動傳送電量。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運(yùn)動速度。兩個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，依據(jù)電荷中和的原則，存在著電荷流動，傳送足夠的電量以抵消電壓。這個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，嚴(yán)重時將其中物體擊毀。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，而不會出現(xiàn)在整個表面。因而絕緣體接地后不會失去這些電荷。與絕緣體相反，充電導(dǎo)體接地后便會失去自身電荷。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？ 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，從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體或者是受外界磁場的影響而產(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、儀器的場合下導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)故障、信號丟失、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，信號線，控制線等的總線上。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，很多靜電問題都是由于人們沒有ESD意識而造成的，即使現(xiàn)在也有很多人懷疑ESD會對電子產(chǎn)品造成破壞。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)ESD損害發(fā)生在人的感覺以下，因?yàn)槿梭w對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就會損壞，通常電子器件被ESD損壞后沒有明顯的界限，把元件安裝在PCB上以后再檢測，結(jié)果出現(xiàn)很多問題，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限以后，電子產(chǎn)品的可靠性明顯下降。
ESD對產(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)生的電磁場幅度很大（達(dá)幾百伏/米）頻譜極寬（從幾十兆到幾千兆），對電子產(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，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有明顯的下降，但多次積累放電會給器件造成內(nèi)傷而形成隱患。因此靜電對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遭受靜電破壞呢？可以這么說，從一個元件產(chǎn)生以后，一直到它損壞以前，所有的過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，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
直接通過能量交換引起半導(dǎo)體器件的損壞。放電所引起的電場與磁場變化，造成設(shè)備的誤動作。對不同試驗(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：
A：技術(shù)要求范圍內(nèi)的性能正常；
B：功能暫時降低或喪失，但可自行恢復(fù)性能；
C：功能暫時降低或喪失，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)品在整個試驗(yàn)過程中功能正常，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)品使用說明書或者試驗(yàn)大綱的規(guī)定，當(dāng)認(rèn)為某些影響不重要時，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)報告中應(yīng)寫明B類或C類評判依據(jù)。符合B類應(yīng)記錄其喪失功能的時間。
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
基本方法
1、接地：接地就是將靜電通過一條線的連接放入大地，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： 靜電敏感元件在儲存或運(yùn)輸過程中會暴露于有靜電的區(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，除靜電滾輪對絕緣體靜電的消除，用接地方法是無效的，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，由于這個地同時也是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)是兩線制設(shè)備（無地線）系統(tǒng)外殼也是非金屬材質(zhì)，此地線設(shè)計(jì)也必須將IC的參考地和防護(hù)器件的地分開，不能共用在一起，但是由于此系統(tǒng)屬于無地線系統(tǒng)，可以采用這兩個部分分別鋪設(shè)不同的接地區(qū)域，然后使用Y電容將兩個區(qū)域的地線連接在一起。另外一種是系統(tǒng)有設(shè)計(jì)地線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Y電容連接到外殼地，但是一定要和IC的參考地分開。
上面提到的PCB走線的設(shè)計(jì)導(dǎo)致防護(hù)電路失效的問題，通過圖就可以看到端口設(shè)計(jì)了TVS管防護(hù)ESD，但是如果布線按照第一幅圖這樣走線，極易導(dǎo)致IC損壞，但是TVS管還沒有動作的，主要是由于現(xiàn)有的ESD或者EFT都是高頻干擾，走線阻抗大，所以對于端口的防護(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。