可靠性工程——關(guān)于電子設(shè)備靜電放電(ESD)防護的設(shè)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、電解等過程中，發(fā)生電子或離子的轉(zhuǎn)移，正電荷和負(fù)電荷在局部范圍內(nèi)失去平衡，就形成了靜電。當(dāng)物體表面的靜電場梯度達到一定的程度，正電荷和負(fù)電荷發(fā)生中和，就出現(xiàn)了靜電放電(ESD)。靜電放電可以出現(xiàn)在兩個物體之間，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(xiàn)象，近十多年來伴隨著集成電路的飛速發(fā)展和高分子材料的廣泛應(yīng)用，靜電的作用力、放電和感應(yīng)現(xiàn)象引起的危害十分嚴(yán)重，美國統(tǒng)計，美國電子行業(yè)部門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。

　　問題嚴(yán)重性還在于很多人對靜電危害的認(rèn)識不足和防靜電知識的無知，常把一些因ESD造成的設(shè)備性能下降或故障，誤認(rèn)為是元器件早期老化失效。所造成的誤區(qū)有以下幾點。

　　(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電路和場效應(yīng)管擊穿電壓約為300V)所以說靜電的損傷是在人們不知不覺的過程中發(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程的過電壓造成的器件損傷有時是很難區(qū)分開來。

　　(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(dāng)時就能發(fā)現(xiàn)，但已經(jīng)造成了潛在的失效隱患，在將來某種特定的條件下，最終會導(dǎo)致器件失效，如器件氧化層出現(xiàn)一個孔，設(shè)備長時間工作后，金屬化電遷移引起短路燒毀，從而導(dǎo)致設(shè)備故障。這種類型的靜電損傷，將會大大的縮短元器件的使用壽命。

　　(4)有人錯誤地認(rèn)為現(xiàn)在的集成電路，如MOS電路，不少的生產(chǎn)廠家在設(shè)計上已采用了抗靜電的保護電路，認(rèn)為防靜電并不一定需要。但是，人們在生產(chǎn)活動中，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、摩擦、或分離，特別是在空氣干燥的季節(jié)里，將會產(chǎn)生600~15000V的靜電電壓，如果濕度為20％以下時，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(dǎo)體器件產(chǎn)生損傷，其失效模式如表1所列。

　　有人認(rèn)為靜電僅對MOS類電路損傷，但不盡然，當(dāng)靜電電壓高到某一限度時，對有些半導(dǎo)體器件也產(chǎn)生損傷。

　　某廠在使用高頻三級管3DGI42時發(fā)現(xiàn)了一個獨特的現(xiàn)象，當(dāng)工作人員在上班開始工作，拿第一支管子測試時，常常發(fā)現(xiàn)是壞的，失效模式為發(fā)射結(jié)擊穿，以后就全是好的，這種現(xiàn)象每天重復(fù)出現(xiàn)。經(jīng)研究認(rèn)為，這種失效是由靜電引起的。當(dāng)工作人員進入車間或?qū)嶒炇視r，因在地板上走動時產(chǎn)生靜電，加上自身衣服之間摩擦也會產(chǎn)生靜電，所以當(dāng)?shù)谝淮文霉茏訒r，在接觸管子的瞬間靜電釋放，因而使管子損壞。于是，規(guī)定凡是第一次測試時，要先摸一摸地線，釋放靜電之后，再去拿管子，這個問題因此而得以解決。

　　這個例子也說明，籠統(tǒng)地認(rèn)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(jié)構(gòu)的高頻或超高頻晶體管，必須考慮防靜電問題。

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(zhuǎn)移。也就是說，靜電放電耦合到電子設(shè)備主要有兩種方式：直接傳導(dǎo)和空間耦合，耦合又分為電場耦合和磁場耦合。

2．1 靜電放電的特點

　　靜電放電是高電位、強電場、瞬時大電流的過程。
　　靜電放電會產(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程。
　　(2)刷形放電 刷形放電是一種發(fā)生在導(dǎo)體與帶電絕緣體之間，放電通道成分散的樹權(quán)形形狀的放電過程。
　　(3)火花放電火花放電是一個瞬變的過程，放電時兩放電體之間的空氣被擊穿，形成“快如閃電”的火花通道，靜電能量瞬時集中釋放。

3 ESD防護設(shè)計

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

　　電子設(shè)備的ESD防護主要應(yīng)針對這幾種耦合方式采取措施，可總結(jié)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(shè)備的ESD防護設(shè)計原則

　　對于設(shè)備級的ESD防護設(shè)計，其重點應(yīng)放在為靜電放電設(shè)置一條通暢的泄放通道。主要應(yīng)做好以下幾點。

　　(1)機箱金屬之間要實現(xiàn)良好的搭接，搭接處要采用面接觸，避免點接觸，搭接的直流電阻不大于5mΩ，整體搭接結(jié)構(gòu)中任意兩導(dǎo)電點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，超過時可以選擇一種過度金屬(或鍍層)，以降低原來兩種金屬的接觸腐蝕。
　　(2)接觸的鍵盤、控制面板、手動控制器、鑰匙鎖等金屬部件，應(yīng)直接通過機架接地。如果不能接地，則其與電路走線的絕緣距離至少應(yīng)滿足以下要求：空氣間隙5mm,爬電距離6mm。
　　(3)在機架接地點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(shè)備可以采用工作地浮地(或工作地單點接金屬外殼)、金屬外殼單點接地，使靜電通過機殼泄放到地而對內(nèi)部電路無影響。
　　(5)小型高速(頻率大于10MHz)設(shè)備的工作地應(yīng)與其金屬機殼實現(xiàn)多點接地，且金屬外殼單點接大地。
　　(6)機架設(shè)備的接地點與外部接地樁之間要保證可靠的電氣連接，連接銅線截面的外周長不小于20mm。
　　(7)必須盡量減少結(jié)構(gòu)的電氣不連續(xù)性，以便控制經(jīng)底板和機殼進出的輻射。提高縫隙屏蔽效能的結(jié)構(gòu)措施包括增加縫隙深度，減少縫隙長度，在接合面上加入導(dǎo)電襯墊，在接縫處涂上導(dǎo)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(xù)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(yán)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(dǎo)電襯墊時，螺釘間距一般應(yīng)小于最高工作頻率的l％波長，至少不大于1／20波長。
　　(4)用螺釘或鉚接進行搭接時，應(yīng)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(yīng)力、沖擊、振動時保持表面接觸。
　　(6)在接縫不平整的地方，或在可移動的面板等處，必須使用導(dǎo)電襯墊或指形彈簧材料。
　　(7)選擇高導(dǎo)電率和彈性好的襯墊，選擇襯墊時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有非導(dǎo)電保護層。
　　(10)當(dāng)需要活動接觸時，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(dǎo)電橡膠襯墊用在鋁金屬表面時，要注意電化腐蝕作用。純銀填料的橡膠或線形襯墊將出現(xiàn)最嚴(yán)重的電化腐蝕。銀鍍鋁填料的導(dǎo)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(jié)語

　　可靠性是一門系統(tǒng)科學(xué)、綜合科學(xué)和邊沿科學(xué)，可靠性作為一門獨立學(xué)科已為世人所矚目，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與國民經(jīng)濟發(fā)展的要求，對產(chǎn)品可靠性提出越來越高的要求，本文針對電源及電子設(shè)備的靜電防護設(shè)計總結(jié)出一些較為實用的設(shè)計原則，能夠幫助解決電子可靠性設(shè)計方面的問題。