电子产品的静电放电的危害、测试及其对策.doc

电子产品静电放电的危害、测试及其对策 中国赛宝总部实验室电磁兼容研究与测试中心：朱文立 摘要：随着电子产品自动化、智能化程度越来越高，静电放电对其危害也越来越严重，本文根据笔者实际工作经验及相关资料就静电放电形成机理及敏感度测试电路设计 设计 静电是人们日常生活中一种司空见惯的现象，静电的许多功能已经应用到军工或民用产品中，如静电除尘、静电喷涂、静电分离、静电复印一个操作员在正常的设备操作中也可能因衣服或皮肤带有危害的电荷而使机器，甚至损坏硬件设备。现代半导体器件的规模越来越大，导致了半导体器件对外界敏感程度提高。ESD对于电路引起的干扰对元器件CMOS电路造成的破坏等问题越来越引起人们的重视。电子设备的ESD也开始作为电磁性测试的一项重要内容。本文ESD的机理及敏感度测试电路设计讨。 静电是两种介电系数不同的物质磨擦时，正负极性的电荷分别积累在两个物体上而形成两个带上电荷的物体也就成了静电源。就人体而言，衣服与皮肤之间的磨擦发生的静电是人体带电的主要原因之一。静电源跟其它物体接触时，依据电荷中和的原则，存在着电荷流动，严重时将其中物体击毁。在生产过程中，操作者是最活跃的静电源，现以人体为例，计算人体的带电情况。 pF，若以电荷3X10－6库仑计，则充电电压可达5～25kV。 人体的静电放电模型可用电阻和电容的串联来模拟，设人体电阻R=500Ω，人体电容C=300pF，人体带静电电压U=10kV，则静电所含能量为：W=1/2（CU2）＝15（mJ） 尽管静电电压高达10kV，能量仅15mJ，对人体没伤害，但当人手去触摸设备的金属部分时会产生火花放电，瞬间的脉冲峰值很高，很可能对电子电路产生干扰或破坏。本例中放电电流的峰值为：IP≈U／R=20（A）；放电时间很短，可近似为：Td≈RC＝150（ns），这对于MOS电路来说，则将受到致命击。~3000V。表1列出了常见器件的易损参考值。 静电对器件造成的损坏有显性的和隐性的两种。隐性损坏在当时看不出来，但器件变得更脆弱，在过压、高温等条件下极易损坏。 表1：常见半导体器件的ESD易损值 器件类型 对ESD的易损值（V） 肖特基二极管 肖特基TTL 双极晶体管 ECL 可控硅 JFET CMOSFET CMOS GaAsFET EPROM 300～2500 1000～2500 380～7000 500～1500 680～1000 140～7000 100～200 250～3000 100～300 100 ESD两种主要的破坏机制是：由于ESD电流产生热量导致设备的热失效；由于ESD感应出高的电压导致绝缘击穿。两种破坏可能在一个设备中同时发生，例如，绝缘击穿可能激发大的电流，这又进一步导致热失效。 除容易造成电路损害外，静电放电也极易对电子电路造成干扰。静电放电对电子电路的干扰有二种方式。 一种是传导方式，若电路的某个部分构成了放电路径，即静电放电电流直接侵入设备内的电路，例如人手去触摸印制板上的轨线、管脚、设备的I/O接口端子、同轴插座的芯线等等。静电放电电流流过集成片的输入端，造成干扰。 ESD干扰的另一种方式是辐射干扰。即静电放电时伴随火花产生了尖峰电流，这种电流中包含有丰富的高频成分。从而将辐射磁场和电场，磁场能够在附近电路的各个信号环路中感应出干扰电动势。由于在很短时间内发生较大的电流变化（上例中150ns内电流变化20A），所以在信号环路中产生的干扰电动势很可能超过逻辑电路的阀值电平，引起误触发。辐射干扰的大小还取决于电路与静电放电点的距离。静电放电产生的磁场随距离的平方衰减。静电放电产生的电场可以被印制板上的轨线，设备的I/O线接收，从而产生干扰。电场的瞬时峰值很高可达几百至几千千伏／米，但随距离立方衰减。当距离较近时，无论是电场还是磁场都是很强的。因此在静电放电位置附近的电路一般会受到影响。 ESD在近场，辐射耦合的基本方式可以是电容或电感方式，取决于ESD源和接受器的阻抗。在高阻电路中，电流信号很小，信号用电压电平表示，此时电容耦合将占主导地位，ESD感应电压为主要问题。在低阻电路中，信号主要电流形式，因而电感耦合占主导地位，ESD感应电流将导致大多数电路出现的问题。在远场，则存在电磁场耦合。 与ESD相关的电磁干扰（EMI）能量上限频率可以超过1GHz，取决于电平、相对湿度、靠近速度和放电物体的形状。在这个频率上，典型的设备电缆甚至印制板上的走线会变成非常有效的接收天线。因而，对于典型的模拟或数字电子设备，ESD会感应出高电平的噪声。 使设备产生损坏比导致它失常所必需的电压和电流要大一至两个数量级，损坏更有可能在传导耦合时产生。这就是说，造成损坏，ESD电火花必须直接触电路线，而辐射耦合通常只导致失常。 在ESD作用下，电路中的器件在通电条件下比不通电条件