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靜電放電發(fā)生器ESD

電子產品靜電放電的危害、測試及其對策

摘要:靜電是人們日常生活中一種司空見慣的現象，靜電的許多功能已經應用到軍工或民用產品中，如靜電除塵、靜電噴涂、靜電分離、靜電復印等。然而，靜電放電（ESD）卻又成為電子產品和設備的一種危害，造成電子產品和設備的功能紊亂甚至部件損壞。一個操作員在正常的設備操作中也可能因衣服或皮膚帶有危害的電荷而使機器運行紊亂，甚至損壞硬件設備。現代半導體器件的規(guī)模越來越大，工作電壓越來越低，導致了半導體器件對外界電磁騷擾敏感程度也大大提高。ESD對于電路引起的干擾、對元器件、CMOS電路及接口電路造成的破壞等問題越來越引起人們的重視。電子設備的ESD也開始作為電磁兼容性測試的一項重要內容寫入國家標準和標準。

關鍵詞:電子產品靜電放電;靜電測試;靜電放電測試設計

 一、靜電放電形成的機理及其對電子產品的危害靜電是兩種介電系數不同的物質磨擦時，正負極性的電荷分別積累在兩個物體上而形成：當兩個物體接觸時，其中一個趨于從另一個吸引電子，因而二者會形成不同的充電電位。摩擦起電是一個機械過程，依靠相對表面移動傳送電量。傳送的電量取決于接觸的次數、表面粗糙度、濕度、接觸壓力、摩擦物質的摩擦特性以及相對運動速度。兩個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，依據電荷中和的原則，存在著電荷流動，傳送足夠的電量以抵消電壓。這個高速電量的傳送過程中，將產生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場，嚴重時將其中物體擊毀。這就是靜電放電。國家標準是這樣定義的：“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移（GB/T4365-1995）”，一般用ESD表示。ESD會導致電子設備嚴重地損壞或操作失常。半導體專家以及設備的用戶都在想辦法抑制ESD。在電子產品的生產和使用過程中，操作者是zui活躍的靜電源，當人體穿著絕緣材料的織物，并且其鞋也是對地絕緣的時候，人在地面上運動時，就可能積累一定數量的電荷，當人體接觸與地相連的元件、裝置的時候就會產生靜電放電。現以人體為例，計算人體的帶電情況。當人們穿著化纖織物時，人體運動的充電電流約10－7～10－6A，總的充電電荷約（0.1～5）x10－6庫侖，人體對地的電容約150～250pF，若以電荷3X1－6庫侖計，則充電電壓可達5～25kV。人體的靜電放電模型可用電阻和電容的串聯(lián)來模擬，設人體電阻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10kV，能量僅15mJ，對人體沒傷害，但當人手去觸摸設備的金屬部分時會產生火花放電，瞬間的脈沖峰值很高，很可能對電子電路產生干擾或破壞。本例中放電電流的峰值為：IP≈U／R=20（A）；放電時間很短，可近似為：Td≈RC＝150（ns），這對于MOS電路來說，則將受到致命打擊。ESD兩種主要的破壞機制是：由于ESD電流產生熱量導致設備的熱失效；由于ESD感應出高的電壓導致絕緣擊穿。兩種破壞可能在一個設備中同時發(fā)生，例如，絕緣擊穿可能激發(fā)大的電流，這又進一步導致熱失效。

二、電子產品的靜電放電測試及相關要求,隨著電子產品的復雜程度和自動化程度越來越高，電子產品的ESD敏感度也越高，電子產品抵御ESD干擾的能力已經成為電子產品質量好壞的一個重要因素。那么如何來衡量電子產品抗ESD干擾的能力？通過ESD抗擾度試驗可以檢測這種能力。為此越來越多的產品標準將ESD抗擾度試驗作為推薦或強制性內容納入其中。電子設備的ESD抗擾度試驗也作為電子設備電磁兼容性測試一項重要內容列入國家標準和標準。對不同使用環(huán)境、不同用途、不同ESD敏感度的電子產品標準對ESD抗擾度試驗的要求是不同的，但這些標準關于ESD抗擾度試驗大多都直接或間接引用GB/T17626.2-1998（idtIEC61000-4-2:1995）：《電磁兼容試驗和測量技術靜電放電抗擾度試驗》這一國家電磁兼容基礎標準，并按其中的試驗方法進行試驗。

 三、常用的瞬態(tài)抑制保護電路有以下幾種

 箝位二極管保護電路：使用2只二極管的目的是為了同時抑制正、負極性的瞬態(tài)電壓。瞬態(tài)電壓被箝位在V++VPN~V--VPN范圍內，串聯(lián)電阻擔負功率耗散的作用。利用現有電源的電壓范圍作為瞬態(tài)電壓的抑制范圍，二極管的正向導通電流和串聯(lián)電阻的阻值決定了該電路的保護能力。本電路具有*的保護效果，同時其代價低廉，適合成本控制比較嚴、靜電放電強度和頻率不十分嚴重的場合壓敏電阻保護電路：壓敏電阻的阻值隨兩端電壓變化而呈非線性變化。當施加在其兩端的電壓小于閥值電壓時，器件呈現無窮大的電阻；當施加在其兩端的電壓大于閥值電壓時，器件呈現很小電阻值。此物理現象類似穩(wěn)壓管的齊納擊穿現象，不同的是壓敏電阻無電壓極性要求。使用壓敏電阻保護電路的特點是簡單、經濟、瞬態(tài)抑制效果好、對電路帶來的負面影響甚微，且可以獲得較大的保護功率。穩(wěn)壓管保護電路：背對背串接的穩(wěn)壓管對瞬態(tài)抑制電路的工作原理是顯而易見的。當瞬態(tài)電壓超過V1的穩(wěn)壓值時，V1反向擊穿，V2正向導通；當瞬態(tài)電壓是負極性時，V2反向擊穿，V1正向導通。將這2只穩(wěn)壓管制作在同一硅片上就制成了穩(wěn)壓管對，使用更加方便。TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）二極管：這是zui近發(fā)展起來的一種固態(tài)二極管，適用用于ESD保護。一般選擇工作電壓大于或等于電路正常工作電壓的器件。TVS二極管是和被保護電路并聯(lián)的，當瞬態(tài)電壓超過電路的正常工作電壓時，二極管發(fā)生雪崩，為瞬態(tài)電流提供通路，使內部電路免遭超額電壓的擊穿或超額電流的過熱燒毀。由于TVS二極管的結面積較大，使得它具有泄放瞬態(tài)大電流的優(yōu)點，具有理想的保護作用。但同時必須注意，結面積大造成結電容增大，因而不適合高頻信號電路的保護。改進后的TVS二極管還具有適應低壓電路(＜5V )的特點，且封裝集成度高，適用于在印制電路板面積緊張的情況下使用。這些特點決定了它有廣泛的適用范圍，尤其在便攜設備的接口電路中有很好的使用價值。

結語

ESD是造成電子產品工作失常或功能失效的一個重要原因，隨著技術的發(fā)展和產品的復雜程度的提高，ESD對電子產品的危害也越來越被大家重視。從產品要求的整體情況來看，目前出口的電子產品大多數對ESD抗擾性有要求，達不到要求者被視為不合格產品，是被進口國禁止銷售的；國內大多數產品及產品族標準對產品的抗ESD特性沒有強制要求，但這并不是說ESD抗擾性不重要，電子產品的ESD抗擾性直接關系到該產品的適用環(huán)境（ESD抗擾性低的產品不適用于相對濕度低的環(huán)境使用），產品的性能（ESD抗擾性低的產品不可避免會影響產品的性能指標），產品的售后服務（ESD抗擾性低的產品容易損壞，不可避免的增加了產品的售后服務成本），產品的品牌形象（ESD)抗擾性低的產品容易出現工作失常和損壞，用戶會認為這樣的產品不會是好產品）等，所以內銷產品的生產商也逐漸重視產品的ESD抗擾性，從而提高產品的競爭能力。希望本文能對關心電子產品的靜電放電抗擾性的生產廠家和設計人員有所幫助，同時也引起那些對靜電放電抗擾性不太了解的生產廠家和設計人員的重視。