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靜電放電發(fā)生器ESD

電子產(chǎn)品靜電放電的危害、測(cè)試及其對(duì)策

摘要:靜電是人們?nèi)粘Ｉ钪幸环N司空見慣的現(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。現(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也開始作為電磁兼容性測(cè)試的一項(xiàng)重要內(nèi)容寫入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞:電子產(chǎn)品靜電放電;靜電測(cè)試;靜電放電測(cè)試設(shè)計(jì)

 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)體專家以及設(shè)備的用戶都在想辦法抑制ESD。在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用過(guò)程中，操作者是zui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?，F(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3X1－6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。ESD兩種主要的破壞機(jī)制是：由于ESD電流產(chǎn)生熱量導(dǎo)致設(shè)備的熱失效；由于ESD感應(yīng)出高的電壓導(dǎo)致絕緣擊穿。兩種破壞可能在一個(gè)設(shè)備中同時(shí)發(fā)生，例如，絕緣擊穿可能激發(fā)大的電流，這又進(jìn)一步導(dǎo)致熱失效。

二、電子產(chǎn)品的靜電放電測(cè)試及相關(guān)要求,隨著電子產(chǎn)品的復(fù)雜程度和自動(dòng)化程度越來(lái)越高，電子產(chǎn)品的ESD敏感度也越高，電子產(chǎn)品抵御ESD干擾的能力已經(jīng)成為電子產(chǎn)品質(zhì)量好壞的一個(gè)重要因素。那么如何來(lái)衡量電子產(chǎn)品抗ESD干擾的能力？通過(guò)ESD抗擾度試驗(yàn)可以檢測(cè)這種能力。為此越來(lái)越多的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)將ESD抗擾度試驗(yàn)作為推薦或強(qiáng)制性內(nèi)容納入其中。電子設(shè)備的ESD抗擾度試驗(yàn)也作為電子設(shè)備電磁兼容性測(cè)試一項(xiàng)重要內(nèi)容列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)不同使用環(huán)境、不同用途、不同ESD敏感度的電子產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)ESD抗擾度試驗(yàn)的要求是不同的，但這些標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于ESD抗擾度試驗(yàn)大多都直接或間接引用GB/T17626.2-1998（idtIEC61000-4-2:1995）：《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)靜電放電抗擾度試驗(yàn)》這一國(guó)家電磁兼容基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，并按其中的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

 三、常用的瞬態(tài)抑制保護(hù)電路有以下幾種

 箝位二極管保護(hù)電路：使用2只二極管的目的是為了同時(shí)抑制正、負(fù)極性的瞬態(tài)電壓。瞬態(tài)電壓被箝位在V++VPN~V--VPN范圍內(nèi)，串聯(lián)電阻擔(dān)負(fù)功率耗散的作用。利用現(xiàn)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?qū)娏骱痛?lián)電阻的阻值決定了該電路的保護(hù)能力。本電路具有*的保護(hù)效果，同時(shí)其代價(jià)低廉，適合成本控制比較嚴(yán)、靜電放電強(qiáng)度和頻率不十分嚴(yán)重的場(chǎng)合壓敏電阻保護(hù)電路：壓敏電阻的阻值隨兩端電壓變化而呈非線性變化。當(dāng)施加在其兩端的電壓小于閥值電壓時(shí)，器件呈現(xiàn)無(wú)窮大的電阻；當(dāng)施加在其兩端的電壓大于閥值電壓時(shí)，器件呈現(xiàn)很小電阻值。此物理現(xiàn)象類似穩(wěn)壓管的齊納擊穿現(xiàn)象，不同的是壓敏電阻無(wú)電壓極性要求。使用壓敏電阻保護(hù)電路的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、瞬態(tài)抑制效果好、對(duì)電路帶來(lái)的負(fù)面影響甚微，且可以獲得較大的保護(hù)功率。穩(wěn)壓管保護(hù)電路：背對(duì)背串接的穩(wěn)壓管對(duì)瞬態(tài)抑制電路的工作原理是顯而易見的。當(dāng)瞬態(tài)電壓超過(guò)V1的穩(wěn)壓值時(shí)，V1反向擊穿，V2正向?qū)ǎ划?dāng)瞬態(tài)電壓是負(fù)極性時(shí)，V2反向擊穿，V1正向?qū)?。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(duì)，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(lái)的一種固態(tài)二極管，適用用于ESD保護(hù)。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(hù)電路并聯(lián)的，當(dāng)瞬態(tài)電壓超過(guò)電路的正常工作電壓時(shí)，二極管發(fā)生雪崩，為瞬態(tài)電流提供通路，使內(nèi)部電路免遭超額電壓的擊穿或超額電流的過(guò)熱燒毀。由于TVS二極管的結(jié)面積較大，使得它具有泄放瞬態(tài)大電流的優(yōu)點(diǎn)，具有理想的保護(hù)作用。但同時(shí)必須注意，結(jié)面積大造成結(jié)電容增大，因而不適合高頻信號(hào)電路的保護(hù)。改進(jìn)后的TVS二極管還具有適應(yīng)低壓電路(＜5V )的特點(diǎn)，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(diǎn)決定了它有廣泛的適用范圍，尤其在便攜設(shè)備的接口電路中有很好的使用價(jià)值。

結(jié)語(yǔ)

ESD是造成電子產(chǎn)品工作失常或功能失效的一個(gè)重要原因，隨著技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品的復(fù)雜程度的提高，ESD對(duì)電子產(chǎn)品的危害也越來(lái)越被大家重視。從產(chǎn)品要求的整體情況來(lái)看，目前出口的電子產(chǎn)品大多數(shù)對(duì)ESD抗擾性有要求，達(dá)不到要求者被視為不合格產(chǎn)品，是被進(jìn)口國(guó)禁止銷售的；國(guó)內(nèi)大多數(shù)產(chǎn)品及產(chǎn)品族標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品的抗ESD特性沒(méi)有強(qiáng)制要求，但這并不是說(shuō)ESD抗擾性不重要，電子產(chǎn)品的ESD抗擾性直接關(guān)系到該產(chǎn)品的適用環(huán)境（ESD抗擾性低的產(chǎn)品不適用于相對(duì)濕度低的環(huán)境使用），產(chǎn)品的性能（ESD抗擾性低的產(chǎn)品不可避免會(huì)影響產(chǎn)品的性能指標(biāo)），產(chǎn)品的售后服務(wù)（ESD抗擾性低的產(chǎn)品容易損壞，不可避免的增加了產(chǎn)品的售后服務(wù)成本），產(chǎn)品的品牌形象（ESD)抗擾性低的產(chǎn)品容易出現(xiàn)工作失常和損壞，用戶會(huì)認(rèn)為這樣的產(chǎn)品不會(huì)是好產(chǎn)品）等，所以內(nèi)銷產(chǎn)品的生產(chǎn)商也逐漸重視產(chǎn)品的ESD抗擾性，從而提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。希望本文能對(duì)關(guān)心電子產(chǎn)品的靜電放電抗擾性的生產(chǎn)廠家和設(shè)計(jì)人員有所幫助，同時(shí)也引起那些對(duì)靜電放電抗擾性不太了解的生產(chǎn)廠家和設(shè)計(jì)人員的重視。