ESD對電子設(shè)備的危害及防護(hù)

　　隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，靜電放電（ESD）對電子設(shè)備的危害日益嚴(yán)重。闡述了ESD產(chǎn)生的途徑及特點(diǎn)，詳細(xì)分析了ESD對電子設(shè)備的危害機(jī)制和途徑，在此基礎(chǔ)上，提出了電子設(shè)備的ESD防護(hù)原則和防護(hù)措施。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展及微電子技術(shù)的迅猛進(jìn)步，電子儀器儀表和設(shè)備等電子產(chǎn)品日趨小型化、多功能及智能化，半導(dǎo)體、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路、高密度集成電路已成為電子工業(yè)中不可缺少的器件，并在各種電子設(shè)備的設(shè)計(jì)制作中得到廣泛應(yīng)用。這些元器件都具有其特殊的功能和特性，然而，這些高集成度的電路元件都可能因靜電電場和靜電放電（ESD）引起失效，導(dǎo)致電子設(shè)備鎖死、復(fù)位、數(shù)據(jù)丟失而影響設(shè)備正常工作，使設(shè)備可靠性降低，造成損壞。因此，研究電子設(shè)備所造成的ESD危害過程或原理，避免ESD的發(fā)生，防止靜電對各種電子設(shè)備的損害具有重要意義。

　　1 ESD的產(chǎn)生及特點(diǎn)

　　1.1 ESD的產(chǎn)生

　　ESD是“ElectroStaticDischarge”簡寫，即“靜電 放電”。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，靜電放電是指“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”。簡單地說，ESD是指處于不同靜電電位的兩個(gè)物體之間電荷的轉(zhuǎn)移，亦即ESD是指帶電體周圍的場強(qiáng)超過周圍介質(zhì)的絕緣擊穿場強(qiáng)時(shí)，因介質(zhì)產(chǎn)生電離而使帶電體上的靜電荷部分或全部消失的現(xiàn)象。

　　ESD的產(chǎn)生途徑，一般可分為2種情況。

　　1）摩擦帶電。當(dāng)2種不同介電常數(shù)的材料相 互摩擦?xí)r，由于摩擦運(yùn)動，其中的一種材料把電荷傳給了另一種材料，由此在這兩種材料中產(chǎn)生了靜電。摩擦產(chǎn)生的電荷大小與空氣相對濕度、摩擦材料的介電常數(shù)，兩種材料的相對運(yùn)動速度及兩者的壓力等有關(guān);

　　2）感應(yīng)帶電。感應(yīng)帶電就是帶電荷物體的電場在其相鄰的物體上造成電荷分離，靠近帶電物體會出現(xiàn)與該電荷極性相反的感應(yīng)電荷。只要物體帶有電荷，就會在其周圍產(chǎn)生靜電場，就會使周圍的物體感應(yīng)帶電。導(dǎo)體帶電電壓超過它們之間的空氣或其他絕緣介質(zhì)的擊穿電壓時(shí)，就會產(chǎn)生靜電放電，激發(fā)出電弧火花，并伴隨噼啪的爆裂聲，直到兩個(gè)導(dǎo)體接觸短路或者電流低到不能維持電弧火花為止。

　　1.2 ESD的特點(diǎn)

　　當(dāng)兩個(gè)帶靜電的物體或一個(gè)帶靜電的物體與不帶電的導(dǎo)體靠近或接觸時(shí)，就會發(fā)生ESD現(xiàn)象。ESD的特點(diǎn)主要有以下兩點(diǎn) ［1］ 。

　　1）ESD一般是高電位、強(qiáng)電場，可以瞬時(shí)形成 脈沖大電流的過程;

　　2）ESD會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射形成電磁脈沖場。

　　2 ESD危害電子設(shè)備的機(jī)制、途徑

　　ESD產(chǎn)生的放電電流及其電磁場經(jīng)傳導(dǎo)耦合和 輻射耦合進(jìn)入電子設(shè)備，引起電子設(shè)備的故障或損壞，尤其是計(jì)算機(jī)芯片、集成電路等。ESD主要的破壞機(jī)制有兩種：由于ESD電流產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致電路元件的熱失效;由于ESD感應(yīng)出高電壓導(dǎo)致絕緣擊穿。兩種破壞可能在同一設(shè)備中同時(shí)發(fā)生，例如，感應(yīng)電壓導(dǎo)致絕緣擊穿，同時(shí)激發(fā)大的電流，而激發(fā)的大電流又進(jìn)一步導(dǎo)致熱失效。

　　ESD危害電子設(shè)備途徑包括：放電輻射、靜電感 應(yīng)、電磁感應(yīng)和傳導(dǎo)耦合等。ESD屬于脈沖式干擾，它對電子電路的干擾一般取決于脈沖幅度、寬度及脈沖的能量。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，一般的TTL電路翻轉(zhuǎn)的脈沖能量大致為32×10 -12 J。當(dāng)人手接觸電子設(shè)備時(shí)，靜電放電所含能量約為7.5×10-3 J，通 過人體電阻（約為150Ω）放電時(shí)，放電脈沖寬度為22.5ns，瞬間的功率十分巨大，峰值高達(dá)667kJ。 有時(shí)帶電電壓或能量雖不很大，但由于在極短時(shí)間內(nèi)起作用，其瞬間能量密度也會對器件和電路產(chǎn)生危害。

　　電子設(shè)備的大規(guī)模集成電路內(nèi)部線路之間的間距短、面積小，其耐壓、耐流參數(shù)必然受到影響。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電子電路所設(shè)計(jì)的工作電壓越來越低，器件的柵極氧化膜變得更薄，因而其耐壓界限很低，微小的電荷就能導(dǎo)致器件損壞。電子工業(yè)中，MOS器件的柵氧化膜厚度為10-7 m數(shù)量級， 100V的靜電電壓加在柵氧化膜上，就會產(chǎn)生106 kV/m的強(qiáng)電場，超過一般MOS場效應(yīng)器件的柵氧 化膜的絕緣擊穿強(qiáng)度（0.8～1.0）×106 kV/m，導(dǎo)致 MOS場效應(yīng)器件的柵氧化膜被擊穿，使器件失效。 即使是在電路的設(shè)計(jì)中設(shè)有保護(hù)措施，耐擊穿電壓遠(yuǎn)高于100V，但危險(xiǎn)靜電源的電位高達(dá)幾千伏，甚至幾萬伏，因此，高壓靜電場的擊穿效應(yīng)給MOS電路構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。ESD可使器件內(nèi)部極間電容立即被充到高電壓，使得氧化物遭到破壞，以致造成短路、開路、擊穿和金屬化層的熔融現(xiàn)象。如：CMOS電路對靜電極為敏感，其敏感度電壓范圍一般為0～2000V，最易因ESD導(dǎo)致失效。

　　ESD過程是電位、電流隨機(jī)瞬時(shí)變化的電磁輻 射過程，主要是在極短的瞬間其放電電流對電路的感應(yīng)產(chǎn)生噪聲，以及放電電流使基準(zhǔn)地電位如機(jī)殼 地、信號地的電位發(fā)生偏移波動，從而導(dǎo)致對電路正常工作的干擾。這種電磁干擾有可能引起電子產(chǎn)品的誤動作以及信息的丟失。例如：放電火花產(chǎn)生的電磁干擾有可能使器件管腳電位發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使計(jì)算機(jī)程序出錯(cuò)或數(shù)據(jù)丟失，導(dǎo)致測量和控制系統(tǒng)失靈或發(fā)生故障。

　　一般因ESD損壞，造成電子元器件突發(fā)性完全失效的只占10%，表現(xiàn)為短路、開路以及參數(shù)的嚴(yán)重變化，器件完全喪失了其功能。突發(fā)性完全失效的有如下例子：MOS結(jié)構(gòu)氧化層被擊穿，CMOS器件觸發(fā)門鎖;PN結(jié)嚴(yán)重漏電、二次擊穿、肖特基器件形成熱斑、硅片局部區(qū)域熔化、電流增益顯著下降、鋁條損傷和鋁條熔斷;薄膜電阻熔斷;壓電晶體破碎。另外，因ESD危害的器件約有90%不會完全失效，而是潛伏下來，發(fā)生潛在性失效。亦即，ESD在器件中造成的損傷是一定的，

　　器件內(nèi)部會出現(xiàn)某種程度的輕微損傷，不足以引起器件立即完全失效，器件的功能仍滿足要求。若這種元器件繼續(xù)帶傷工作，隨著ESD次數(shù)的增加，積累效應(yīng)愈加明顯，其損傷程度逐漸加劇，最終必將導(dǎo)致完全失效。潛在性失效的例子有：二極管反向電流增加、擊穿電壓降低、金 屬電極變質(zhì);三極管EB結(jié)反向漏電流增大、β值減小、噪聲系數(shù)增大、金屬電極變質(zhì);雙極數(shù)字電路輸入漏電流增加;雙極線性電路輸入失調(diào)電壓增大、失調(diào)電流增大;場效應(yīng)管柵2源或柵2漏漏電;MOS集成電路輸入或輸出端與源或漏間漏電流增大、參數(shù)退化;薄膜電阻阻值漂移。

　　3 電子設(shè)備的ESD防護(hù)

　　對電子設(shè)備的ESD防護(hù)，應(yīng)遵循如下所述的電子產(chǎn)品靜電安全防護(hù)原則［1］ 。

　　1）控制靜電起電量和電荷積聚，防止危險(xiǎn)靜電源的形成，亦即抑制ESD;

　　2）使用靜電感度低的物質(zhì)，降低電子設(shè)備工作場所的危險(xiǎn)程度;

　　3）采用綜合防護(hù)加固技術(shù)，阻止ESD能量耦合。

　　針對上述3條原則，電子設(shè)備的ESD防護(hù)措施主要有如下方面。

　　3.1抑制ESD的形成

　　ESD的產(chǎn)生是造成電子設(shè)備ESD危害的根源， 因此，電子設(shè)備ESD的防護(hù)對策，首先要抑制ESD的形成，措施如下［1-2，4］ 。

　　1）采用接地防止電子設(shè)備帶電。將設(shè)備通過金屬導(dǎo)線直接接地，或通過緊密結(jié)合在金屬以外導(dǎo)體上的金屬導(dǎo)體進(jìn)行間接接地。采用這種辦法，將所產(chǎn)生的靜電迅速向大地泄漏，以防止其靜電電壓的上升而防止靜電帶電。

　　2）提高環(huán)境的濕度。環(huán)境的濕度影響材料導(dǎo)電性能和保持電荷的能力。當(dāng)相對濕度增加到50%時(shí)，一般物體的靜電帶電量明顯減少，當(dāng)相對濕 度在65%以上時(shí)，大部分物體的表面電阻率都減小，使得靜電電荷不易積聚。

　　3）提高電子設(shè)備表面的絕緣能力。人手經(jīng)常接觸的地方，如操作按鈕、開關(guān)等元器件與機(jī)殼之間應(yīng)留有一定的間隙;設(shè)備機(jī)柜表面應(yīng)涂有絕緣漆或覆蓋一些絕緣物質(zhì)，使得靜電荷不易積聚。

　　4）電子設(shè)備所處的工作臺可采用防靜電桌面、防靜電墊和導(dǎo)電地板來保護(hù)。工作人員可通過穿防靜電服，帶防靜電手套，防靜電環(huán)接地的方法來防止靜電。另外，鋪設(shè)防靜電地毯，能十分有效地抑制由于人體的運(yùn)動而產(chǎn)生的靜電。一般要求抗靜電 地板的表面電阻為105～108 Ω。

　　5）在必須使用絕緣材料的場所，可使用離子 風(fēng)等靜電消除器，中和絕緣材料上積累的電荷，使危險(xiǎn)靜電源不能形成。

　　3.2 采用抗ESD設(shè)計(jì)和防護(hù)加固技術(shù)提高

　　電子設(shè)備的抗電磁干擾能力

　　從電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)角度講，常 用的抗ESD措施［3，5-6］ 如下。

　　1）屏蔽機(jī)箱。利用金屬機(jī)箱和屏蔽罩可以使放電電流局限在機(jī)箱的外表面，阻止ESD電弧以及相應(yīng)的電磁場，并且保護(hù)設(shè)備免受間接放電的影響，目的是將全部靜電阻隔在機(jī)箱之外。

　　2）孔洞/縫隙的處理。當(dāng)機(jī)箱表面孔洞/縫隙不可避免時(shí)，ESD一旦發(fā)生，放電電流會順暢的通過線路板與機(jī)箱之間的寄生電容提供的通路，對線路板造成威脅。針對這一問題，可以在線路板與機(jī)箱之間加一塊屏蔽板，屏蔽板與電路地連接起來。另外，通過孔縫進(jìn)入的電磁輻射也會對電路產(chǎn)生影響。為解決這個(gè)問題，可以通過增加縫隙深度，用多個(gè)小孔代替一個(gè)大孔，在金屬構(gòu)件的結(jié)合處使用電磁密封襯墊減小或消除縫隙等措施，加大電磁輻射的衰減。在結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)計(jì)時(shí)，要使敏感電子器件、電路、電纜遠(yuǎn)離孔洞/縫隙。

　　3）信號地與機(jī)箱單點(diǎn)連接。如果電路與機(jī)箱連在一起，則只應(yīng)通過一點(diǎn)連接，可防止電流流過電路，否則機(jī)箱上的電流會流進(jìn)電路，造成干擾，另外，將信號地與機(jī)箱連接起來的意義還有機(jī)箱由ESD發(fā)生時(shí)，機(jī)箱的電位升高，由于線路板與機(jī)箱連接在一起，電路板的電位也同時(shí)升高，從而防止了線路板與機(jī)箱之間由于電位差而引起的二次放電。

　　4）對電纜的設(shè)計(jì)。ESD輻射噪聲在大多數(shù)系統(tǒng)內(nèi)的電纜上感應(yīng)出高電壓或電流，電纜是接收ESD輻射噪聲的最大天線。電纜保護(hù)系統(tǒng)正確設(shè)計(jì) 與否，可能成為提高系統(tǒng)抗ESD干擾的能力的關(guān)鍵。為減小ESD輻射耦合到電纜，線長和回路面積應(yīng)盡量小，電纜盡量采用屏蔽電纜。兩個(gè)機(jī)箱之間通過屏蔽電纜互連時(shí)，通過電纜的屏蔽層將兩個(gè)機(jī)箱連接在一起，電纜屏蔽層與機(jī)箱應(yīng)盡可能采用360°搭接，以保持低阻抗。這樣可以使兩個(gè)機(jī)箱的 電位同升同降，防止一臺機(jī)箱發(fā)生ESD時(shí)，較高的共模電壓傳到另一臺機(jī)箱。

　　5）電路設(shè)計(jì)中采用添加保護(hù)電路的方法。保護(hù)電路的基本原理是，使用電壓箝位電路阻止高壓進(jìn)入電路，同時(shí)提供大電流分流通道。ESD保護(hù)電路有多種設(shè)計(jì)方法，但選用時(shí)必須考慮以下原則：速度要快，這由ESD干擾的特點(diǎn)決定;能應(yīng)付大的電流通過;考慮瞬態(tài)電壓會在正、負(fù)極性兩個(gè)方向發(fā)生;對信號增加的電容和電阻效應(yīng)應(yīng)控制在允許范圍內(nèi);考慮體積因數(shù);考慮產(chǎn)品的成本因數(shù)。較為常用的ESD保護(hù)電路有：箝位二極管保護(hù)電路、壓敏電阻保護(hù)電路、穩(wěn)壓管保護(hù)電路、VS（瞬態(tài)電壓抑制器）二極管。

　　6）印制電路板設(shè)計(jì)。良好的印制電路板設(shè)計(jì)在提高ESD抗擾度方面起到重要作用。在印制電路板上的引線是接收ESD輻射場的天線。與高阻抗器件相連的那些引線是接收電場的天線，而在低阻抗環(huán)路中那些引線是接收磁場的天線。為使這些天線的耦合減至最小，線的長度必須盡可能短，并且環(huán)路面積必須盡可能小。長于幾厘米的線和大于幾平方厘米的環(huán)面積會接收到很大的ESD噪聲。

　　4 結(jié)語

　　ESD是造成各種電子儀器設(shè)備工作失?；蚬δ?失效的一個(gè)重要原因，隨著電子產(chǎn)品自動化和復(fù)雜度的提高，ESD對電子設(shè)備的危害日趨嚴(yán)重并越來越受到人們的重視。在電子產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、調(diào)試的整個(gè)過程中，盡可能避免或減少靜電的產(chǎn)生或ESD的發(fā)生。針對文中所指出的電子設(shè)備的ESD防護(hù)措施，需要把握電子系統(tǒng)整體的ESD防護(hù)架構(gòu)。電子設(shè)備的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)，是一個(gè)系統(tǒng)問題，在提高局部電路ESD防護(hù)能力同時(shí)，注重系統(tǒng)ESD防護(hù)能力的提高。