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1 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，發生電子或離子的轉移，正電荷和負電荷在局部范圍內失去平衡，就形成了靜電。當物體表面的靜電場梯度達到一定的程度，正電荷和負電荷發生中和，就出現了靜電放電(ESD)。靜電放電可以出現在兩個物體之間，也可由物體表面經電荷直接向空氣放電。 2 靜電放電的危害 靜電作為一種普遍物理現象，近十多年來伴隨著集成電路的飛速發展和高分子材料的廣泛應用，靜電的作用力、放電和感應現象引起的危害十分嚴重，美國統計，美國電子行業部門每年因靜電危害造成損失高達100億美元，英國電子產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。 問題嚴重性還在于很多人對靜電危害的認識不足和防靜電知識的無知，常把一些因ESD造成的設備性能下降或故障，誤認為是元器件早期老化失效。所造成的誤區有以下幾點。 (1)首先由于許多人對靜電的產生不太了解，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，人們并不是當時就能發現，但已經造成了潛在的失效隱患，在將來某種特定的條件下，最終會導致器件失效，如器件氧化層出現一個孔，設備長時間工作后，金屬化電遷移引起短路燒毀，從而導致設備故障。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)有人錯誤地認為現在的集成電路，如MOS電路，不少的生產廠家在設計上已采用了抗靜電的保護電路，認為防靜電并不一定需要。但是，人們在生產活動中，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里，將會產生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。靜電主要是對半導體器件產生損傷，其失效模式如表1所列。 有人認為靜電僅對MOS類電路損傷，但不盡然，當靜電電壓高到某一限度時，對有些半導體器件也產生損傷。 某廠在使用高頻三級管3DGI42時發現了一個獨特的現象，當工作人員在上班開始工作，拿第一支管子測試時，常常發現是壞的，失效模式為發射結擊穿，以后就全是好的，這種現象每天重復出現。經研究認為，這種失效是由靜電引起的。當工作人員進入車間或實驗室時，因在地板上走動時產生靜電，加上自身衣服之間摩擦也會產生靜電，所以當第一次拿管子時，在接觸管子的瞬間靜電釋放，因而使管子損壞。于是，規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，籠統地認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構的高頻或超高頻晶體管，必須考慮防靜電問題。 3 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移。也就是說，靜電放電耦合到電子設備主要有兩種方式：直接傳導和空間耦合，耦合又分為電場耦合和磁場耦合。 3．1 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。 靜電放電會產生強烈的電磁輻射形成電磁脈沖(EMP)。 3．2 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 刷形放電是一種發生在導體與帶電絕緣體之間，放電通道成分散的樹權形形狀的放電過程。 (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。 4 ESD防護設計 耦合到電子設備有三種方式： (1)直接傳導； (2)電容耦合(電場耦合)； (3)電感耦合(磁場耦合)。 電子設備的ESD防護主要應針對這幾種耦合方式采取措施，可總結為下列24字方針： 靜電屏蔽，濾波去耦，絕緣隔離，接地泄放，良好搭接，瞬態抑制。 4．1 設備的ESD防護設計原則 對于設備級的ESD防護設計，其重點應放在為靜電放電設置一條通暢的泄放通道。主要應做好以下幾點。 (1)機箱金屬之間要實現良好的搭接，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，整體搭接結構中任意兩導電點間的直流電阻不大于25mΩ。相互搭接的金屬之間的化學位差不大于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部電路無影響。 (5)小型高速(頻率大于10MHz)設備的工作地應與其金屬機殼實現多點接地，且金屬外殼單點接大地。 (6)機架設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)必須盡量減少結構的電氣不連續性，以便控制經底板和機殼進出的輻射。提高縫隙屏蔽效能的結構措施包括增加縫隙深度，減少縫隙長度，在接合面上加入導電襯墊，在接縫處涂上導電涂料，縮短螺釘間距等。 4．2 縫隙影響與措施 (1)在底板和機殼的每一條縫和不連續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)在不加導電襯墊時，螺釘間距一般應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，必須使用導電襯墊或指形彈簧材料。 (7)選擇高導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電保護層。 (10)當需要活動接觸時，使用指形壓簧(而不用網狀襯墊)，并要注意保持彈性指簧的壓力。 (11)導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最嚴重的電化腐蝕。銀鍍鋁填料的導電膠是鹽霧環境下用于鋁金屬配合表面的最好襯墊材料。 5 結語 可靠性是一門系統科學、綜合科學和邊沿科學，可靠性作為一門獨立學科已為世人所矚目，隨著科學技術的發展與國民經濟發展的要求，對產品可靠性提出越來越高的要求，本文針對電源及電子設備的靜電防護設計總結出一些較為實用的設計原則，能夠幫助解決電子可靠性設計方面的問題。 |
