如何解決電子可靠性靜電放電防護的問題

靜電是物體表面的靜態電荷。物體接觸.摩擦.分離.在電解過程中，當電子或離子轉移時，正負電荷在局部范圍內失去平衡，形成靜電。當物體表面的靜電場梯度達到一定程度，正負電荷中和時，就會出現靜電放電（ESD）。靜電放電可以出現在兩個物體之間，也可以通過電荷直接從物體表面放電到空氣中。

1.靜電放電的危害

靜電作為一種常見的物理現象，近十年來隨著集成電路的快速發展和聚合物材料的廣泛應用，靜電的作用力.放電和感應造成的危害非常嚴重。據美國統計，美國電子行業部門每年因靜電危害損失高達100億美元，英國電子產品每年因靜電損失為20億英鎊。日本電子元器件不合格產品的危害不少于45%，因為靜電放電（ESD）造成的。

問題的嚴重性在于很多人對靜電危害認識不足，對防靜電知識無知，往往會造成一些原因（ESD）設備性能下降或故障誤認為是部件早期老化失效。誤解如下。

(1)首先，因為很多人不太了解靜電的產生，因為l~2kV以下靜電放電感覺不到，但會因電擊而損壞裝置。(說明一般MOS電路和場效應管的擊穿電壓約為300V）因此，靜電損傷發生在人們不知不覺中。

(2)設備故障分析困難，因為靜電損壞有時很難與其他瞬變過程中的過電壓分離。

（3）有些設備在靜電損壞后，不是不能使用，而是特性下降，人們不能發現，但造成了潛在的故障風險，在未來的特定條件下，最終會導致設備故障，如設備氧化層孔，設備長期工作后，金屬電遷移導致短路燒毀，導致設備故障。這種靜電損傷將大大縮短組件的使用壽命。

(4)有人誤以為現在的集成電路，比如MOS電路，許多制造商在設計中使用了抗靜電保護電路，認為不一定需要抗靜電保護電路。然而，在生產活動中，員工穿著化纖服裝、各種塑料產品包裝、上述材料的滑動.摩擦.或分離，特別是在空氣干燥的季節，會產生600~15000V如果濕度低于20%，靜電電壓可達30%kV。即使是保護對靜電放電的敏感設備也非常危險。靜電主要損壞半導體設備，其故障模式如表1所列。

有些人認為靜電對MOS類電路損壞，但不是，當靜電電壓達到一定限度時，也會損壞一些半導體器件。

某廠使用高頻三級管3DGI42點發現了一個獨特的現象。當工作人員開始工作并測試第一根管道時，他們經常發現它是壞的。故障模式是發射結擊穿，將來都會好起來。這種現象每天都會重復。研究表明，這種故障是由靜電引起的。當工作人員進入車間或實驗室時，由于地板上的靜電和衣服之間的摩擦，當第一次接觸管道時，靜電會在接觸管道時釋放，從而損壞管道。因此，規定在第一次測試中，首先觸摸地線，釋放靜電，然后取管道，從而解決這個問題。

這個例子還表明，一般認為雙極晶體管不是靜電第三裝置是錯誤的，特別是對于具有潛結構的高頻或超高頻晶體管，必須考慮防靜電問題。

2.定義靜電放電

靜電放電（ESD—ElectroStaTIcDischarge）由不同靜電位置的物體相互接近或直接接觸引起的電荷轉移。也就是說，靜電放電耦合主要有兩種方式：直接傳導和空間耦合，分為電場耦合和磁場耦合。

2.1.靜電放電的特點

靜電放電是高電位.強電場.瞬時大電流的過程。

靜電放電會產生強電磁輻射，形成電磁脈沖（EMP）。

2.2.靜電放電類型

(1)刷形放電刷形放電是一種放電過程，發生在導體和帶電絕緣體之間，放電通道分散。

(2)火花放電火花放電是一個瞬態的過程兩個放電體之間的空氣被擊穿形成“快如閃電”靜電能量瞬時集中釋放的火花通道。

(3)電暈放電是一種高電位.小電流.局部電離放電過程中的空氣。

3.ESD防護設計

耦合到電子設備有三種方式：

(1)直接傳導；

(2)電感耦合(磁場耦合)。

(3)電容耦合(電場耦合)；

電子設備的ESD這些耦合方法應采取保護措施，可總結為以下24字方針：

靜電屏蔽、濾波去耦、絕緣隔離、接地排放、搭接良好、瞬態抑制。

3.1.設備的ESD防護設計原則

設備級ESD防護設計，其重點應放在為靜電放電設置通暢的排放通道上。主要應做好以下幾點。

(1)接觸鍵盤.控制面板.手動控制器.鑰匙鎖等金屬部件應通過機架直接接地。如果不能接地，與電路接線的絕緣距離應至少滿足以下要求：空氣間隙5mm，爬電距離6mm。

(2)機箱金屬之間應實現良好的搭接，搭接處應采用表面接觸，避免點接觸，搭接直流電阻不大于5mΩ，兩個導電點之間的直流電阻不大于25mΩ。金屬之間的化學位差不大于0.5V，為了減少原兩種金屬的接觸腐蝕，可以選擇過量的金屬(或涂層)。

(3)在機架接地或外接地網上匯接，形成良好的靜電排放通道。

(4)為了控制通過底板和外殼的輻射，必須盡量減少結構的電氣不連續性。提高間隙屏蔽效率的結構措施包括增加間隙深度，減少間隙長度，在接頭表面增加導電墊，在接頭處涂導電涂層，縮短螺釘間距。

(5)小型低速(頻率小于10)MHz）設備可采用工作地浮地(或單點工作地金屬外殼).金屬外殼單點接地，使靜電通過外殼排放到地面，對內部電路無影響。

(6)小型高速(頻率大于10)MHz）設備的工作場所應與金屬外殼多點接地，金屬外殼單點接地。

(7)機架設備的接地點與外接地樁之間應保證可靠的電氣連接，連接銅線截面的外周長不小于20mm。

3.2.縫隙影響及措施

(1)確保接縫處金屬接觸，嚴禁接縫處有油漆或氧化層等絕緣物，防止電磁能泄漏和輻射。

(2)螺釘間距一般，螺釘間距一般應小于最高工作頻率l至少波長不大于1/20。

(3)確保禁固方法有足夠的壓力，以便有變形應力.沖擊.振動時保持表面接觸。

(4)底板和外殼的每個接縫和不連續性應盡可能好地搭接。最壞的電搭接對外殼的屏蔽效率起著決定性的作用。

(5)導電襯墊或指形彈簧材料必須用于接縫不平或可移動面板的地方。

(6)選擇導電性高、彈性好的襯墊，選擇襯墊時要考慮接頭處使用的頻率。

(7)用螺釘或鉚接搭接時，應先在縫中間搭接，然后逐漸延伸到兩端，防止金屬表面彎曲。

(8)選用硬質材料制成的襯墊，以免劃傷金屬上的任何表面。

(9)鋁金屬表面使用導電橡膠襯墊時，應注意電化腐蝕。純銀填料的橡膠或線性襯墊會產生最嚴重的電化腐蝕。銀鍍鋁填料的導電膠是鹽霧環境下鋁金屬配合表面最好的襯墊材料。

(10)確保與襯墊配合的金屬表面無非導電保護層。

(11)需要活動接觸時，使用指形壓簧(而不是網墊)，并注意保持彈性指簧的壓力。

4、結語

　　可靠性是一門系統科學、綜合科學和邊沿科學，可靠性作為一門獨立學科已為世人所矚目，隨著科學技術的發展與國民經濟發展的要求，對產品可靠性提出越來越高的要求，本文針對電源及電子設備的靜電放電防護設計總結出一些較為實用的設計原則，能夠幫助解決電子可靠性設計方面的問題。