如何解决电子可靠性静电放电防护的问题

静电是物体表面的静态电荷。物体接触.摩擦.分离.在电解过程中，当电子或离子转移时，正负电荷在局部范围内失去平衡，形成静电。当物体表面的静电场梯度达到一定程度，正负电荷中和时，就会出现静电放电（ESD）。静电放电可以出现在两个物体之间，也可以通过电荷直接从物体表面放电到空气中。

1.静电放电的危害

静电作为一种常见的物理现象，近十年来随着集成电路的快速发展和聚合物材料的广泛应用，静电的作用力.放电和感应造成的危害非常严重。据美国统计，美国电子行业部门每年因静电危害损失高达100亿美元，英国电子产品每年因静电损失为20亿英镑。日本电子元器件不合格产品的危害不少于45%，因为静电放电（ESD）造成的。

问题的严重性在于很多人对静电危害认识不足，对防静电知识无知，往往会造成一些原因（ESD）设备性能下降或故障误认为是部件早期老化失效。误解如下。

(1)首先，因为很多人不太了解静电的产生，因为l~2kV以下静电放电感觉不到，但会因电击而损坏装置。(说明一般MOS电路和场效应管的击穿电压约为300V）因此，静电损伤发生在人们不知不觉中。

(2)设备故障分析困难，因为静电损坏有时很难与其他瞬变过程中的过电压分离。

（3）有些设备在静电损坏后，不是不能使用，而是特性下降，人们不能发现，但造成了潜在的故障风险，在未来的特定条件下，最终会导致设备故障，如设备氧化层孔，设备长期工作后，金属电迁移导致短路烧毁，导致设备故障。这种静电损伤将大大缩短组件的使用寿命。

(4)有人误以为现在的集成电路，比如MOS电路，许多制造商在设计中使用了抗静电保护电路，认为不一定需要抗静电保护电路。然而，在生产活动中，员工穿着化纤服装、各种塑料产品包装、上述材料的滑动.摩擦.或分离，特别是在空气干燥的季节，会产生600~15000V如果湿度低于20%，静电电压可达30%kV。即使是保护对静电放电的敏感设备也非常危险。静电主要损坏半导体设备，其故障模式如表1所列。

有些人认为静电对MOS类电路损坏，但不是，当静电电压达到一定限度时，也会损坏一些半导体器件。

某厂使用高频三级管3DGI42点发现了一个独特的现象。当工作人员开始工作并测试第一根管道时，他们经常发现它是坏的。故障模式是发射结击穿，将来都会好起来。这种现象每天都会重复。研究表明，这种故障是由静电引起的。当工作人员进入车间或实验室时，由于地板上的静电和衣服之间的摩擦，当第一次接触管道时，静电会在接触管道时释放，从而损坏管道。因此，规定在第一次测试中，首先触摸地线，释放静电，然后取管道，从而解决这个问题。

这个例子还表明，一般认为双极晶体管不是静电第三装置是错误的，特别是对于具有潜结构的高频或超高频晶体管，必须考虑防静电问题。

2.定义静电放电

静电放电（ESD—ElectroStaTIcDischarge）由不同静电位置的物体相互接近或直接接触引起的电荷转移。也就是说，静电放电耦合主要有两种方式：直接传导和空间耦合，分为电场耦合和磁场耦合。

2.1.静电放电的特点

静电放电是高电位.强电场.瞬时大电流的过程。

静电放电会产生强电磁辐射，形成电磁脉冲（EMP）。

2.2.静电放电类型

(1)刷形放电刷形放电是一种放电过程，发生在导体和带电绝缘体之间，放电通道分散。

(2)火花放电火花放电是一个瞬态的过程两个放电体之间的空气被击穿形成“快如闪电”静电能量瞬时集中释放的火花通道。

(3)电晕放电是一种高电位.小电流.局部电离放电过程中的空气。

3.ESD防护设计

耦合到电子设备有三种方式：

(1)直接传导；

(2)电感耦合(磁场耦合)。

(3)电容耦合(电场耦合)；

电子设备的ESD这些耦合方法应采取保护措施，可总结为以下24字方针：

静电屏蔽、滤波去耦、绝缘隔离、接地排放、搭接良好、瞬态抑制。

3.1.设备的ESD防护设计原则

设备级ESD防护设计，其重点应放在为静电放电设置通畅的排放通道上。主要应做好以下几点。

(1)接触键盘.控制面板.手动控制器.钥匙锁等金属部件应通过机架直接接地。如果不能接地，与电路接线的绝缘距离应至少满足以下要求：空气间隙5mm，爬电距离6mm。

(2)机箱金属之间应实现良好的搭接，搭接处应采用表面接触，避免点接触，搭接直流电阻不大于5mΩ，两个导电点之间的直流电阻不大于25mΩ。金属之间的化学位差不大于0.5V，为了减少原两种金属的接触腐蚀，可以选择过量的金属(或涂层)。

(3)在机架接地或外接地网上汇接，形成良好的静电排放通道。

(4)为了控制通过底板和外壳的辐射，必须尽量减少结构的电气不连续性。提高间隙屏蔽效率的结构措施包括增加间隙深度，减少间隙长度，在接头表面增加导电垫，在接头处涂导电涂层，缩短螺钉间距。

(5)小型低速(频率小于10)MHz）设备可采用工作地浮地(或单点工作地金属外壳).金属外壳单点接地，使静电通过外壳排放到地面，对内部电路无影响。

(6)小型高速(频率大于10)MHz）设备的工作场所应与金属外壳多点接地，金属外壳单点接地。

(7)机架设备的接地点与外接地桩之间应保证可靠的电气连接，连接铜线截面的外周长不小于20mm。

3.2.缝隙影响及措施

(1)确保接缝处金属接触，严禁接缝处有油漆或氧化层等绝缘物，防止电磁能泄漏和辐射。

(2)螺钉间距一般，螺钉间距一般应小于最高工作频率l至少波长不大于1/20。

(3)确保禁固方法有足够的压力，以便有变形应力.冲击.振动时保持表面接触。

(4)底板和外壳的每个接缝和不连续性应尽可能好地搭接。最坏的电搭接对外壳的屏蔽效率起着决定性的作用。

(5)导电衬垫或指形弹簧材料必须用于接缝不平或可移动面板的地方。

(6)选择导电性高、弹性好的衬垫，选择衬垫时要考虑接头处使用的频率。

(7)用螺钉或铆接搭接时，应先在缝中间搭接，然后逐渐延伸到两端，防止金属表面弯曲。

(8)选用硬质材料制成的衬垫，以免划伤金属上的任何表面。

(9)铝金属表面使用导电橡胶衬垫时，应注意电化腐蚀。纯银填料的橡胶或线性衬垫会产生最严重的电化腐蚀。银镀铝填料的导电胶是盐雾环境下铝金属配合表面最好的衬垫材料。

(10)确保与衬垫配合的金属表面无非导电保护层。

(11)需要活动接触时，使用指形压簧(而不是网垫)，并注意保持弹性指簧的压力。

4、结语

　　可靠性是一门系统科学、综合科学和边沿科学，可靠性作为一门独立学科已为世人所瞩目，随着科学技术的发展与国民经济发展的要求，对产品可靠性提出越来越高的要求，本文针对电源及电子设备的静电放电防护设计总结出一些较为实用的设计原则，能够帮助解决电子可靠性设计方面的问题。