電子產(chǎn)品靜電放電的危害

隨著電子產(chǎn)品自動(dòng)化、智能化程度越來(lái)越高，靜電放電對(duì)其危害也越來(lái)越嚴(yán)重，本文根據(jù)筆者實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)資料就靜電放電形成機(jī)理、對(duì)電子產(chǎn)品的危害及靜電放電敏感度測(cè)試、電路設(shè)計(jì)對(duì)策等提出一些觀點(diǎn)和看法，供大家在實(shí)際使用中參考。
關(guān)鍵詞：電子產(chǎn)品?? 靜電放電?? 測(cè)試? 設(shè)計(jì)

靜電是人們?nèi)粘Ｉ钪幸环N司空見(jiàn)慣的現(xiàn)象，靜電的許多功能已經(jīng)應(yīng)用到軍工或民用產(chǎn)品中，如靜電除塵、靜電噴涂、靜電分離、靜電復(fù)印等。然而，靜電放電（ESD）卻又成為電子產(chǎn)品和設(shè)備的一種危害，造成電子產(chǎn)品和設(shè)備的功能紊亂甚至部件損壞。一個(gè)操作員在正常的設(shè)備操作中也可能因衣服或皮膚帶有危害的電荷而使機(jī)器運(yùn)行紊亂，甚至損壞硬件設(shè)備?，F(xiàn)代半導(dǎo)體器件的規(guī)模越來(lái)越大，工作電壓越來(lái)越低，導(dǎo)致了半導(dǎo)體器件對(duì)外界電磁騷擾敏感程度也大大提高。ESD對(duì)于電路引起的干擾、對(duì)元器件、CMOS電路及接口電路造成的破壞等問(wèn)題越來(lái)越引起人們的重視。電子設(shè)備的ESD也開(kāi)始作為電磁兼容性測(cè)試的一項(xiàng)重要內(nèi)容寫(xiě)入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。本文就ESD的形成機(jī)理、對(duì)電子產(chǎn)品的危害及ESD敏感度測(cè)試、電路設(shè)計(jì)對(duì)策等問(wèn)題與大家共同探討。
一、?靜電放電形成的機(jī)理及其對(duì)電子產(chǎn)品的危害
靜電是兩種介電系數(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(gè)物體上而形成：當(dāng)兩個(gè)物體接觸時(shí)，其中一個(gè)趨于從另一個(gè)吸引電子，因而二者會(huì)形成不同的充電電位。摩擦起電是一個(gè)機(jī)械過(guò)程，依靠相對(duì)表面移動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)速度。兩個(gè)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(shí)，依據(jù)電荷中和的原則，存在著電荷流動(dòng)，傳送足夠的電量以抵消電壓。這個(gè)高速電量的傳送過(guò)程中，將產(chǎn)生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場(chǎng)，嚴(yán)重時(shí)將其中物體擊毀。這就是靜電放電。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是這樣定義的：“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）”，一般用ESD表示。ESD會(huì)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(zhuān)家以及設(shè)備的用戶(hù)都在想辦法抑制ESD。
在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用過(guò)程中，操作者是最活躍的靜電源，當(dāng)人體穿著絕緣材料的織物，并且其鞋也是對(duì)地絕緣的時(shí)候，人在地面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，就可能積累一定數(shù)量的電荷，當(dāng)人體接觸與地相連的元件、裝置的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生靜電放電。現(xiàn)以人體為例，計(jì)算人體的帶電情況。
當(dāng)人們穿著化纖織物時(shí)，人體運(yùn)動(dòng)的充電電流約 10－7～10－6A，總的充電電荷約（0.1～5）X10－6庫(kù)侖，人體對(duì)地的電容約150～250pF，若以電荷3X10－6庫(kù)侖計(jì)，則充電電壓可達(dá)5～25kV。
人體的靜電放電模型可用電阻和電容的串聯(lián)來(lái)模擬，設(shè)人體電阻R=500Ω，人體電容C=300pF，人體帶靜電電壓U=10kV，則靜電所含能量為：W=1/2（CU2）＝15（mJ）
盡管靜電電壓高達(dá)10kV，能量?jī)H15mJ，對(duì)人體沒(méi)傷害，但當(dāng)人手去觸摸設(shè)備的金屬部分時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花放電，瞬間的脈沖峰值很高，很可能對(duì)電子電路產(chǎn)生干擾或破壞。本例中放電電流的峰值為：IP≈U／R=20（A）；放電時(shí)間很短，可近似為：Td≈RC＝150（ns），這對(duì)于MOS電路來(lái)說(shuō)，則將受到致命打擊。
大多數(shù)半導(dǎo)體器件都很容易受靜電放電而損壞，特別是大規(guī)模集成電路器件更為脆弱。通常以半導(dǎo)體器件中管結(jié)與絕緣層被靜電放電擊穿的靜電電壓值來(lái)表示半導(dǎo)體器件的易損性。常見(jiàn)的半導(dǎo)體器件對(duì)靜電放電的易損值為100~3000V。表1列出了常見(jiàn)器件的易損參考值。
靜電對(duì)器件造成的損壞有顯性的和隱性的兩種。隱性損壞在當(dāng)時(shí)看不出來(lái)，但器件變得更脆弱，在過(guò)壓、高溫等條件下極易損壞。