可靠性工程——關(guān)于電子設備靜電放電(ESD)防護的設計原則

0 引言
　　靜電是物體表面的靜止電荷。物體在接觸、摩擦、分離、電解等過(guò)程中，發(fā)生電子或離子的轉移，正電荷和負電荷在局部范圍內失去平衡，就形成了靜電。當物體表面的靜電場(chǎng)梯度達到一定的程度，正電荷和負電荷發(fā)生中和，就出現了靜電放電(ESD)。靜電放電可以出現在兩個(gè)物體之間，也可由物體表面經(jīng)電荷直接向空氣放電。

l 靜電放電的危害

　　靜電作為一種普遍物理現象，近十多年來(lái)伴隨著(zhù)集成電路的飛速發(fā)展和高分子材料的廣泛應用，靜電的作用力、放電和感應現象引起的危害十分嚴重，美國統計，美國電子行業(yè)部門(mén)每年因靜電危害造成損失高達100億美元，英國電子產(chǎn)品每年因靜電造成的損失為20億英鎊，日本電子元器件的不合格品中不少于45％的危害是因為靜電放電(ESD)造成的。

　　問(wèn)題嚴重性還在于很多人對靜電危害的認識不足和防靜電知識的無(wú)知，常把一些因ESD造成的設備性能下降或故障，誤認為是元器件早期老化失效。所造成的誤區有以下幾點(diǎn)。

　　(1)首先由于許多人對靜電的產(chǎn)生不太了解，因為l~2kV以下的靜電放電感覺(jué)不到的，但卻能使器件因電擊而受到損傷。(須知一般MOS電路和場(chǎng)效應管擊穿電壓約為300V)所以說(shuō)靜電的損傷是在人們不知不覺(jué)的過(guò)程中發(fā)生的。

　　(2)器件的失效分析比較困難，因為靜電的損傷與其他瞬變過(guò)程的過(guò)電壓造成的器件損傷有時(shí)是很難區分開(kāi)來(lái)。

　　(3)有的器件在受靜電損傷以后，并不是不能用，而是特性有所下降，人們并不是當時(shí)就能發(fā)現，但已經(jīng)造成了潛在的失效隱患，在將來(lái)某種特定的條件下，最終會(huì )導致器件失效，如器件氧化層出現一個(gè)孔，設備長(cháng)時(shí)間工作后，金屬化電遷移引起短路燒毀，從而導致設備故障。這種類(lèi)型的靜電損傷，將會(huì )大大的縮短元器件的使用壽命。

　　(4)有人錯誤地認為現在的集成電路，如MOS電路，不少的生產(chǎn)廠(chǎng)家在設計上已采用了抗靜電的保護電路，認為防靜電并不一定需要。但是，人們在生產(chǎn)活動(dòng)中，工作人員穿的化纖衣服，各種塑料制品包裝，上述材料的滑動(dòng)、摩擦、或分離，特別是在空氣干燥的季節里，將會(huì )產(chǎn)生600~15000V的靜電電壓，如果濕度為20％以下時(shí)，靜電電壓可高達30kV。即使有保護對于靜電放電的敏感器件也是非常危險的。靜電主要是對半導體器件產(chǎn)生損傷，其失效模式如表1所列。

　　有人認為靜電僅對MOS類(lèi)電路損傷，但不盡然，當靜電電壓高到某一限度時(shí)，對有些半導體器件也產(chǎn)生損傷。

　　某廠(chǎng)在使用高頻三級管3DGI42時(shí)發(fā)現了一個(gè)獨特的現象，當工作人員在上班開(kāi)始工作，拿第一支管子測試時(shí)，常常發(fā)現是壞的，失效模式為發(fā)射結擊穿，以后就全是好的，這種現象每天重復出現。經(jīng)研究認為，這種失效是由靜電引起的。當工作人員進(jìn)入車(chē)間或實(shí)驗室時(shí)，因在地板上走動(dòng)時(shí)產(chǎn)生靜電，加上自身衣服之間摩擦也會(huì )產(chǎn)生靜電，所以當第一次拿管子時(shí)，在接觸管子的瞬間靜電釋放，因而使管子損壞。于是，規定凡是第一次測試時(shí)，要先摸一摸地線(xiàn)，釋放靜電之后，再去拿管子，這個(gè)問(wèn)題因此而得以解決。

　　這個(gè)例子也說(shuō)明，籠統地認為雙極晶體管不是靜電第三器件是錯誤的，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(wèn)題。

2 靜電放電的定義

　　靜電放電(ESD—Electro Static Discharge)不同靜電電位的物體相互靠近或直接接觸引起的電荷轉移。也就是說(shuō)，靜電放電耦合到電子設備主要有兩種方式：直接傳導和空間耦合，耦合又分為電場(chǎng)耦合和磁場(chǎng)耦合。

2．1 靜電放電的特點(diǎn)

　　靜電放電是高電位、強電場(chǎng)、瞬時(shí)大電流的過(guò)程。
　　靜電放電會(huì )產(chǎn)生強烈的電磁輻射形成電磁脈沖(EMP)。

2．2 靜電放電的類(lèi)型

　　(1)電暈放電 電暈放電是一種高電位、小電流、空氣被局部電離的放電過(guò)程。
　　(2)刷形放電 刷形放電是一種發(fā)生在導體與帶電絕緣體之間，放電通道成分散的樹(shù)權形形狀的放電過(guò)程。
　　(3)火花放電火花放電是一個(gè)瞬變的過(guò)程，放電時(shí)兩放電體之間的空氣被擊穿，形成“快如閃電”的火花通道，靜電能量瞬時(shí)集中釋放。

3 ESD防護設計

　　耦合到電子設備有三種方式：
　　(1)直接傳導；
　　(2)電容耦合(電場(chǎng)耦合)；
　　(3)電感耦合(磁場(chǎng)耦合)。

　　電子設備的ESD防護主要應針對這幾種耦合方式采取措施，可總結為下列24字方針：

　　靜電屏蔽，濾波去耦，絕緣隔離，接地泄放，良好搭接，瞬態(tài)抑制。

3．1 設備的ESD防護設計原則

　　對于設備級的ESD防護設計，其重點(diǎn)應放在為靜電放電設置一條通暢的泄放通道。主要應做好以下幾點(diǎn)。

　　(1)機箱金屬之間要實(shí)現良好的搭接，搭接處要采用面接觸，避免點(diǎn)接觸，搭接的直流電阻不大于5mΩ，整體搭接結構中任意兩導電點(diǎn)間的直流電阻不大于25mΩ。相互搭接的金屬之間的化學(xué)位差不大于0．5V，超過(guò)時(shí)可以選擇一種過(guò)度金屬(或鍍層)，以降低原來(lái)兩種金屬的接觸腐蝕。
　　(2)接觸的鍵盤(pán)、控制面板、手動(dòng)控制器、鑰匙鎖等金屬部件，應直接通過(guò)機架接地。如果不能接地，則其與電路走線(xiàn)的絕緣距離至少應滿(mǎn)足以下要求：空氣間隙5mm,爬電距離6mm。
　　(3)在機架接地點(diǎn)匯接或在外部接地網(wǎng)上匯接，形成良好的靜電泄放通路。
　　(4)小型低速(頻率小于10MHz)設備可以采用工作地浮地(或工作地單點(diǎn)接金屬外殼)、金屬外殼單點(diǎn)接地，使靜電通過(guò)機殼泄放到地而對內部電路無(wú)影響。
　　(5)小型高速(頻率大于10MHz)設備的工作地應與其金屬機殼實(shí)現多點(diǎn)接地，且金屬外殼單點(diǎn)接大地。
　　(6)機架設備的接地點(diǎn)與外部接地樁之間要保證可靠的電氣連接，連接銅線(xiàn)截面的外周長(cháng)不小于20mm。
　　(7)必須盡量減少結構的電氣不連續性，以便控制經(jīng)底板和機殼進(jìn)出的輻射。提高縫隙屏蔽效能的結構措施包括增加縫隙深度，減少縫隙長(cháng)度，在接合面上加入導電襯墊，在接縫處涂上導電涂料，縮短螺釘間距等。

3．2 縫隙影響與措施

　　(1)在底板和機殼的每一條縫和不連續處要盡可能好地搭接。最壞的電搭接對殼體的屏蔽效能起決定性作用。
　　(2)保證接縫處金屬對金屬的接觸，嚴禁接縫處有油漆或氧化層等絕緣物，以防電磁能的泄漏和輻射。
　　(3)在不加導電襯墊時(shí)，螺釘間距一般應小于最高工作頻率的l％波長(cháng)，至少不大于1／20波長(cháng)。
　　(4)用螺釘或鉚接進(jìn)行搭接時(shí)，應首先在縫的中部搭接好，然后逐漸向兩端延伸，以防金屬表面的彎曲。
　　(5)保證禁固方法有足夠的壓力，以便在有變形應力、沖擊、振動(dòng)時(shí)保持表面接觸。
　　(6)在接縫不平整的地方，或在可移動(dòng)的面板等處，必須使用導電襯墊或指形彈簧材料。
　　(7)選擇高導電率和彈性好的襯墊，選擇襯墊時(shí)要考慮接合處所使用的頻率。
　　(8)選擇硬韌材料做成的襯墊，以免劃破金屬上的任何表面。
　　(9)保證同襯墊配合的金屬表面沒(méi)有非導電保護層。
　　(10)當需要活動(dòng)接觸時(shí)，使用指形壓簧(而不用網(wǎng)狀襯墊)，并要注意保持彈性指簧的壓力。
　　(11)導電橡膠襯墊用在鋁金屬表面時(shí)，要注意電化腐蝕作用。純銀填料的橡膠或線(xiàn)形襯墊將出現最嚴重的電化腐蝕。銀鍍鋁填料的導電膠是鹽霧環(huán)境下用于鋁金屬配合表面的最好襯墊材料。

4 結語(yǔ)

　　可靠性是一門(mén)系統科學(xué)、綜合科學(xué)和邊沿科學(xué)，可靠性作為一門(mén)獨立學(xué)科已為世人所矚目，隨著(zhù)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(lái)越高的要求，本文針對電源及電子設備的靜電防護設計總結出一些較為實(shí)用的設計原則，能夠幫助解決電子可靠性設計方面的問(wèn)題。