靜電放電抗擾度ESD檢測方法與標準

1. 靜電放電抗擾度測試概述

靜電放電抗擾度試驗(ESD)的國家標準為GB/T17626.2(等同于國際標準IEC61000-4-2) 。

靜電放電（ESD)是一種自然現象，經驗表明，人在合成纖維的地毯上行走時，通過鞋子與地毯的摩擦,只要行走幾步，人體上積累的電荷就可以達到10-6庫侖以上(這取決于鞋子與地毯之間的電阻)，在這樣一個"系統"里(人/地毯/大地)的平均電容約為幾十至上百pF，可能產生的電壓要達到15kV。研究不同的人體產生的靜電放電,會有許多不同的電流脈沖，電流波形的上升時間在100ps至30ns之間。電子工程師們發現,靜電放電多發生于人體接觸半導體器件的時候，有可能導致數層半導體材料的擊穿，產生不可挽回的損壞。靜電放電以及緊跟其后的電磁場變化，可能危害電子設備的正常工作。   

2. 靜電放電抗擾度測試方法

GB/T17626.2國內靜電放電標準描述的是在低濕度環境下，通過摩擦使人體帶電，帶了電的人體，在與設備接觸過程中就可能對設備放電。靜電放電抗擾度試驗模擬了兩種情況：⑴設備操作人員直接觸摸設備時對設備的放電，和放電對設備工作的影響：⑵設備操作人員在觸摸鄰近設備時，對所關心這臺設備的影響。

其中前一種情況稱為直接放電(直接對設備放電)：后一種情況稱為間接放電(通過對鄰近物體的放電，間接構成對設備工作的影響)。靜電放電可能造成的后果是:

⑴通過直接放電,引起設備中半導體器件的損壞，從而造成設備的永久性失效。

⑵由放電(可能是直接放電，也可能是間接放電)而引起的近場電磁場變化,造成設備的誤動作。

3.靜電放電抗擾度標準

GB17626.2

YY0505

GB/T 18268

EN55024

EN61547等

4. 靜電放電抗擾度的模擬

高壓真空繼電器是目前唯一能產生重復和高速放電波形的器件.線路中的150pF電容代表人體的儲能電容,330Ω電阻代表人體在手握鑰匙和其他金屬工具時的人體電阻.標準認為用這種人體放電模型(包括電容量和電阻值)來描述靜電放電是足夠嚴酷的.從放電電流波形(標準規定是放電電極對作為電流傳感器的2Ω電阻接觸放電時的電流波形)可以預見它含有極其豐富的諧波成分,因此它加大了試驗的嚴酷程度.      

作為對靜電放電發生器的校核(這是確保采用不同品牌放電發生器試驗結果可比性與重復性的關鍵),標準要求在4個不同電壓下進行測量,測量中要用帶寬至少為1GHz的示波器.

5. 靜電放電測試中的放電方式

靜電放電試驗有直接和間接兩種，標準規定直接放電以接觸放電為首選方式，只有在不能用接觸放電的地方才改用氣隙放電。

對間接放電，標準中是用金屬板來模擬被試設備附近的放電物體。由于是金屬板，對間接放電無一例外是采用接觸放電為首選的放電方式。

標準之所以用接觸放電為首選的放電方式，是因為經歷了IEC61000-4-2標準的前身IEC801-2標準執行過程中暴露出來的不足。IEC801-2標準以氣隙放電為其唯一的放電方式，標準執行中發現這種放電方式的測試結果重復性和可比性都比較差。

造成這種情況的主要原因是氣隙放電的放電電流波形受制于下列因素：

①放電電極接近被試設備的速度；

②被測設備表面的形狀對電極場強分布的影響；

③環境(如溫度,濕度和氣壓)對放電的影響；

④放電電壓對放電電流波形頻譜的影響(例如,8kV的放電電流上升時間典型值為1ns～5ns;高于8kV的電流上升時間可能達到5～30ns). 。   

 此外,在IEC801-2:1984標準中采用氣隙放電為唯一放電方式,還和當時找不到合適的測量儀器有關(示波器的帶寬還不足以觀察到上升速率為1ns的波形)。

氣隙放電對測試結果帶來的種種弊病，在1991年出版的IEC801-2標準草案中得到改正，草案決定用接觸放電為首選放電方式。仍保留氣隙放電作為對非導電性表面的設備(如塑料機箱,或表面復有絕緣物的金屬外殼)的試驗方式。這種情況一直延續到IEC61000-4-2標準的頒布。

6. 靜電放電實驗室的型式測試

靜電放電分實驗室的型式測試和現場測試兩種,標準規定,實驗室的型式試驗是設備鑒定和認證唯一采用的試驗方式.現場試驗則受制于現場環境,主要用于現場情況摸底,而不能作為鑒定試驗.現場試驗要征得用戶和制造商雙方一致同意后才能進行.

Ⅰ. 靜電放電測試配置

由于靜電放電的電流波形十分陡峭,前沿己經達到0.7～1ns,其包含的諧波成分至少要達到500MHz以上,因此試驗室里試驗配置的規范性是保證試驗結果重復性和可比性的一個關鍵.配置可以由用戶自行制作,標準對此作出了規定,歸結起來有以下幾點:

(1)參考接地板采用0.25mm以上銅板或鋁板(鋁板易氧化,慎用).如用其他金屬,厚度至少是0.65mm以上.參考接地板實際尺寸不限,要求四周均超出被試設備(指地面設備)或試驗桌臺面水平耦合板(用于臺式設備)的每邊0.5m以上.參考接地板要和試驗室的保護接地線相連.

(2)水平耦合板(僅臺式設備有)和垂直耦合板(后者有絕緣支架)的材料與參考接地板相同.兩塊耦合板各有一根兩端接有470kΩ電阻的電纜線與參考接地板相連,以便泄放試驗中靜電電荷.要求所用電阻有承受放電的能力;整個電纜有絕緣保護,避免與接地板短路.

(3)對臺式設備,在水平耦合板上覆一塊0.5mm的絕緣薄板,要求試驗中此板不明顯積聚電荷.在臺式設備試驗中,水平耦合板至少比試品的每一邊大出0.1m.如試品太大,要么選用更大的試驗臺;要么選用兩張同樣的試驗臺來擺放試品,桌面上的水平耦合板不必焊在一起,而可以在兩張桌子的并合處覆一塊同樣材質的金屬,只要各壓住每個桌面0.3m以上即可.但要求兩張桌子的水平耦合板用電阻線分別與參考接地板相連.

(4)對地面設備,在參考接地板上要有一個0.1m高的絕緣支座,試品和試品電纜放在絕緣支座上.

(5)所有連接線(包括參考接地板的接地電纜;耦合板上的帶電阻的連接電纜;以及放電槍接到參考接地板上的接地回線等)都必須保持低阻抗的連接.

(6)其他應注意的地方

A.在距試品1m以內應無墻壁和其他金屬物品(包括儀器).

B.試驗中的試品要盡可能按實際情況布局(包括電源線,信號線和安裝腳等等).接地線要按生產廠的規定接地(沒有接地線的就不接),不允許有額外的接地線.

C.放電時,放電槍的接地回線與試品表面至少保持0.2m的間距,避免相互間有附加感應,影響試驗結果.

Ⅱ. 靜電放電測試方法

標準規定,凡被試設備正常工作時,人手可以觸摸到的部位,都是需要進行靜電放電試驗的部位(這樣的部位,除機殼以外,其他如控制鍵盤,顯示屏,指示燈,旋鈕,鑰匙孔,電源線等都在考核范圍內).

試驗時,被試設備處在正常工作狀態.

試驗正式開始前,試驗人員對試品表面以20次/秒的放電速率快速掃視一遍,以便尋找試品的敏感部位(凡掃視中有引起試品數顯跳動,動作異常跡象的部位,都作為正式試驗時的重點考查部位,應記錄在案,并在正式試驗時應在其周圍多增加幾個考查點).

正式試驗時,放電以1次/秒的速率進行(也有規定為1次/5秒的產品),以便讓試品來得及作出響應.通常對每一個選定點上放電20次(其中10次是正的,還有10次是負的).

原則上,凡可以用接觸放電的地方一律用接觸放電.對有鍍漆的機殼,如制造廠未說明是作絕緣的,試驗時便用放電槍的尖端刺破漆膜對試品進行放電.如廠家說明是做絕緣使用時,則改用氣隙放電.對氣隙放電應采用半圓頭形的電極,在每次放電前,應先將放電槍從試品表面移開,然后再將放電槍慢慢靠近試品,直到放電發生為止.為改善試驗結果的重復性和可比性,放電電極要垂直試品表面

間接放電:

①對水平耦合板,放電槍垂直地在離開試品0.1m處用接觸放電方式進行放電.

②對垂直耦合板,耦合板應放在離試品0.1m處,放電槍要垂直于耦合板一條垂直邊的中心位置上進行放電.對試品垂直方向的四個面都要用垂直耦合板做間接放電試驗.

7. 靜電放電現場測試

現場測試是設備在安裝條件下進行的試驗.通常是設備在現場受挫后,作為摸底,由制造商和用戶協商后進行的試驗.

現場測試的布置，為了便于靜電放電槍的接地回線電纜的連接,應將參考接地板鋪設在地面上,并保持與試品及其系統0.1m的距離.參考接地板的材料和厚度都與實驗室配置的要求相同.在條件允許的情況下,接地板的尺寸為0.3m×2m.參考接地板與現場的安全地相連,或連接在試品及其系統的接地端子上.發生器的接地回線接在靠近試品及其系統放電點的參考接地平面上.

當試品及其系統安裝在金屬桌子上時,而金屬桌子又未與現場的安全地連接時,則應將金屬桌子通過一根兩端帶有470kΩ的電阻線接到參考接地平面上,以防止靜電積累.

8. 靜電放電等級

標準將試驗等級分成四級:對接觸放電分別設為2kV,4kV,6kV和8kV;對氣隙放電分別設為2kV,4kV,8kV和15kV。

試驗等級的選擇與環境因素有關(環境越干燥,試驗電壓等級也越高).但對一臺具體的產品來說,往往已在相應的產品族標準或產品標準試中給出(連同試品的合格評定準則也一并給出)。

9. 靜電放電標準點評

①標準之所以用接觸放電作為放電的首選方式,是因為接觸放電的不確定因素較少。

②接觸放電有著極其陡峭的上升時間,因此放電電流波形中包含了極其豐富的諧波成分,即使選擇比較低的試驗電壓,也能取得比同樣等級中電壓較高的氣隙放電有更加嚴格的測試結果。