靜電是物體表面的靜態(tài)電荷。物體接觸.摩擦.分離.在電解過程中，當(dāng)電子或離子轉(zhuǎn)移時，正負電荷在局部范圍內(nèi)失去平衡，形成靜電。當(dāng)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(xiàn)靜電放電（ESD）。靜電放電可以出現(xiàn)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(xiàn)象，近十年來隨著集成電路的快速發(fā)展和聚合物材料的廣泛應(yīng)用，靜電的作用力.放電和感應(yīng)造成的危害非常嚴重。據(jù)美國統(tǒng)計，美國電子行業(yè)部門每年因靜電危害損失高達100億美元，英國電子產(chǎn)品每年因靜電損失為20億英鎊。日本電子元器件不合格產(chǎn)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(shè)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(chǎn)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(yīng)管的擊穿電壓約為300V）因此，靜電損傷發(fā)生在人們不知不覺中。

(2)設(shè)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(shè)備在靜電損壞后，不是不能使用，而是特性下降，人們不能發(fā)現(xiàn)，但造成了潛在的故障風(fēng)險，在未來的特定條件下，最終會導(dǎo)致設(shè)備故障，如設(shè)備氧化層孔，設(shè)備長期工作后，金屬電遷移導(dǎo)致短路燒毀，導(dǎo)致設(shè)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(xiàn)在的集成電路，比如MOS電路，許多制造商在設(shè)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(chǎn)活動中，員工穿著化纖服裝、各種塑料產(chǎn)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(jié)，會產(chǎn)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(shè)備也非常危險。靜電主要損壞半導(dǎo)體設(shè)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(dāng)靜電電壓達到一定限度時，也會損壞一些半導(dǎo)體器件。

某廠使用高頻三級管3DGI42點發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)象。當(dāng)工作人員開始工作并測試第一根管道時，他們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)它是壞的。故障模式是發(fā)射結(jié)擊穿，將來都會好起來。這種現(xiàn)象每天都會重復(fù)。研究表明，這種故障是由靜電引起的。當(dāng)工作人員進入車間或?qū)嶒炇視r，由于地板上的靜電和衣服之間的摩擦，當(dāng)?shù)谝淮谓佑|管道時，靜電會在接觸管道時釋放，從而損壞管道。因此，規(guī)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)移。也就是說，靜電放電耦合主要有兩種方式：直接傳導(dǎo)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(chǎn)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(fā)生在導(dǎo)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(tài)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(shè)計

耦合到電子設(shè)備有三種方式：

(1)直接傳導(dǎo)；

(2)電感耦合(磁場耦合)。

(3)電容耦合(電場耦合)；

電子設(shè)備的ESD這些耦合方法應(yīng)采取保護措施，可總結(jié)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(tài)抑制。

3.1.設(shè)備的ESD防護設(shè)計原則

設(shè)備級ESD防護設(shè)計，其重點應(yīng)放在為靜電放電設(shè)置通暢的排放通道上。主要應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)實現(xiàn)良好的搭接，搭接處應(yīng)采用表面接觸，避免點接觸，搭接直流電阻不大于5mΩ，兩個導(dǎo)電點之間的直流電阻不大于25mΩ。金屬之間的化學(xué)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(wǎng)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(jié)構(gòu)的電氣不連續(xù)性。提高間隙屏蔽效率的結(jié)構(gòu)措施包括增加間隙深度，減少間隙長度，在接頭表面增加導(dǎo)電墊，在接頭處涂導(dǎo)電涂層，縮短螺釘間距。

(5)小型低速(頻率小于10)MHz）設(shè)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(nèi)部電路無影響。

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

(7)機架設(shè)備的接地點與外接地樁之間應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xù)性應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(zhì)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(dǎo)電橡膠襯墊時，應(yīng)注意電化腐蝕。純銀填料的橡膠或線性襯墊會產(chǎn)生最嚴重的電化腐蝕。銀鍍鋁填料的導(dǎo)電膠是鹽霧環(huán)境下鋁金屬配合表面襯墊材料。

(10)確保與襯墊配合的金屬表面無非導(dǎo)電保護層。

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

4、結(jié)語

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

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