电子产品静电放电的危害、测试及其对策

电子产品静电放电的危害、测试及其对策

摘要：随着电子产品自动化、智能化程度越来越高，静电放电对其危害也越来越严重，本文根据笔者实际工作经验及相关资料就静电放电形成机理、对电子产品的危害及静电放电敏感度测试、电路设计对策等提出一些观点和看法，供大家在实际使用中参考。

关键词：电子产品 静电放电 测试 设计

静电是人们日常生活中一种司空见惯的现象，静电的许多功能已经应用到军工或民用产品中，如静电除尘、静电喷涂、静电分离、静电复印等。然而，静电放电（ESD）却又成为电子产品和设备的一种危害，造成电子产品和设备的功能紊乱甚至部件损坏。一个操作员在正常的设备操作中也可能因衣服或皮肤带有危害的电荷而使机器运行紊乱，甚至损坏硬件设备。现代半导体器件的规模越来越大，工作电压越来越低，导致了半导体器件对外界电磁骚扰敏感程度也大大提高。ESD对于电路引起的干扰、对元器件、CMOS电路及接口电路造成的破坏等问题越来越引起人们的重视。电子设备的ESD也开始作为电磁兼容性测试的一项重要内容写入国家标准和国际标准。本文就ESD的形成机理、对电子产品的危害及ESD敏感度测试、电路设计对策等问题与大家共同探讨。

一、 静电放电形成的机理及其对电子产品的危害

静电是两种介电系数不同的物质磨擦时，正负极性的电荷分别积累在两个物体上而形成：当两个物体接触时，其中一个趋于从另一个吸引电子，因而二者会形成不同的充电电位。摩擦起电是一个机械过程，依靠相对表面移动传送电量。传送的电量取决于接触的次数、表面粗糙度、湿度、接触压力、摩擦物质的摩擦特性以及相对运动速度。两个带上电荷的物体也就成了静电源。就人体而言，衣服与皮肤之间的磨擦发生的静电是人体带电的主要原因之一。

静电源跟其它物体接触时，依据电荷中和的原则，存在着电荷流动，传送足够的电量以抵消电压。这个高速电量的传送过程中，将产生潜在的破坏电压、电流以及电磁场，严重时将其中物体击毁。这就是静电放电。国家标准是这样定义的：“静电放电：具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移（GB/T4365-1995）”，一般用ESD表示。ESD会导致电子设备严重地损坏或操作失常。半导体专家以及设备的用户都在想办法抑制ESD。

在电子产品的生产和使用过程中，操作者是最活跃的静电源，当人体穿着绝缘材料的织物，并且其鞋也是对地绝缘的时候，人在地面上运动时，就可能积累一定数量的电荷，当人体接触与地相连的元件、装臵的时候就会产生静电放电。现以人体为例，计算人体的带电情况。

当人们穿着化纤织物时，人体运动的充电电流约 107～106A，总的充电电荷约（0.1～5）X10仑，人体对地的电容约150～250pF，若以电荷3X10－6库仑计，则充电电压可达5～25kV。 －－－6库

人体的静电放电模型可用电阻和电容的串联来模拟，设人体电阻R=500Ω，人体电容C=300pF，人体带静电电压U=10kV，则静电所含能量为：W=1/2（CU2）＝15（mJ）

尽管静电电压高达10kV，能量仅15mJ，对人体没伤害，但当人手去触摸设备的金属部分时会产生火花放电，瞬间的脉冲峰值很高，很可能对电子电路产生干扰或破坏。本例中放电电流的峰值为：IP≈U／R=20（A）；放电时间很短，可近似为：Td≈RC＝150（ns），这对于MOS电路来说，则将受到致命打击。

大多数半导体器件都很容易受静电放电而损坏，特别是大规模集成电路器件更为脆弱。通常以半导体器件中管结与绝缘层被静电放电击穿的静电电压值来表示半导体器件的易损性。常见的半导体器件对静电放电的易损值为100~3000V。表1列出了常见器件的易损参考值。

静电对器件造成的损坏有显性的和隐性的两种。隐性损坏在当时看不出来，但器件变得更脆弱，在过压、高温等条件下极易损坏。

表1：常见半导体器件的ESD易损值

ESD两种主要的破坏机制是：由于ESD电流产生热量导致设备的热失效；由于ESD感应出高的电压导致绝缘击穿。两

种破坏可能在一个设备中同时发生，例如，绝缘击穿可能激发大的电流，这又进一步导致热失效。 除容易造成电路损害外，静电放电也极易对电子电路造成干扰。静电放电对电子电路的干扰有二种方式。

一种是传导方式，若电路的某个部分构成了放电路径，即静电放电电流直接侵入设备内的电路，例如人手去触摸印制板上的轨线、管脚、设备的I/O接口端子、同轴插座的芯线等等。静电放电电流流过集成片的输入端，造成干扰。

ESD干扰的另一种方式是辐射干扰。即静电放电时伴随火花产生了尖峰电流，这种电流中包含有丰富的高频成分。从而将辐射磁场和电场，磁场能够在附近电路的各个信号环路中感应出干扰电动势。由于在很短时间内发生较大的电流变化（上例中150ns内电流变化20A），所以在信号环路中产生的干扰电动势很可能超过逻辑电路的阀值电平，引起误触发。辐射干扰的大小还取决于电路与静电放电点的距离。静电放电产生的磁场随距离的平方衰减。静电放电产生的电场可以被印制板上的轨线，设备的I/O线接收，从而产生干扰。电场的瞬时峰值很高可达几百至几千千伏／米，但随距离立方衰减。当距离较近时，无论是电场还是磁场都是很强的。因此在静电放电位臵附近的电路一般会受到影响。

ESD在近场，辐射耦合的基本方式可以是电容或电感方式，取决于ESD源和接受器的阻抗。在高阻电路中，电流信号很小，信号用电压电平表示，此时电容耦合将占主导地位，ESD感应电压为主要问题。在低阻电路中，信号主要电流形式，因而电感耦合占主导地位，ESD感应电流将导致大多数电路出现的问题。在远场，则存在电磁场耦合。

与ESD相关的电磁干扰（EMI）能量上限频率可以超过1GHz，取决于电平、相对湿度、靠近速度和放电物体的形状。在这个频率上，典型的设备电缆甚至印制板上的走线会变成非常有效的接收天线。因而，对于典型的模拟或数字电子设备，ESD会感应出高电平的噪声。

使设备产生损坏比导致它失常所必需的电压和电流要大一至两个数量级，损坏更有可能在传导耦合时产生。这就是说，造成损坏，ESD电火花必须直接触电路线，而辐射耦合通常只导致失常。

在ESD作用下，电路中的器件在通电条件下比不通电条件下更易损坏。

二、 电子产品的静电放电测试及相关要求

从第一节的叙述中我们了解ESD对电子产品的危害，随着电子产品的复杂程度和自动化程度越来越高，电子产品的ESD敏感度也越高，电子产品抵御ESD干扰的能力已经成为电子产品质量好坏的一个重要因素。那么如何来衡量电子产品抗ESD干扰的能力？通过ESD抗扰度试验可以检测这种能力。为此越来越多的产品标准将ESD抗扰度试验作为推荐或强制性内容纳入其中。电子设备的ESD抗扰度试验也作为电子设备电磁兼容性测试一项重要内容列入国家标准和国际标准。

对不同使用环境、不同用途、不同ESD敏感度的电子产品标准对ESD抗扰度试验的要求是不同的，但这些标准关于ESD抗扰度试验大多都直接或间接引用GB/T17626.2-1998 （idt IEC 61000-4-2:1995）：《电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验》这一国家电磁兼容基础标准，并按其中的试验方法进行试验。下面就简要介绍一下该标准的内容、试验方法及相关要求。

1.试验对象：

该标准所涉及的是处于静电放电环境中和安装条件下的装臵、系统、子系统和外部设备。

2.试验内容：

ESD的起因有多种，但该标准主要描述在低湿度情况下，通过摩擦等 …… 此处隐藏：11689字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……