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。 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)，存在著電荷流動(dòng)以抵消電壓，這個(gè)高速電量的傳送，將產(chǎn)生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場，這就是靜電放電。在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用過程中，操作者是靜電源，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。靜電放電一般用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。
大多數(shù)半導(dǎo)體器件都很容易受靜電放電而損壞，特別是大規(guī)模集成電路器件更為脆弱。靜電對(duì)器件造成的損壞有顯性的和隱性的兩種。 隱性損壞在當(dāng)時(shí)看不出來， 但器件變得更脆弱， 在過壓、高溫等條件下極易損壞。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。
除容易造成電路損害外，ESD也會(huì)對(duì)電子電路造成干擾。ESD電路的干擾有二種方式。一種是傳導(dǎo)方式，若電路的某個(gè)部分構(gòu)成了放電路徑，即ESD接侵入設(shè)備內(nèi)的電路，ESD電流流過集成片的輸入端，造成干擾。ESD干擾的另一種方式是輻射干擾。即靜電放電時(shí)伴隨火花產(chǎn)生了尖峰電流， 這種電流中包含有豐富的高頻成分。從而產(chǎn)生輻射磁場和電場，磁場能夠在附近電路的各個(gè)信號(hào)環(huán)路中感應(yīng)出干擾電動(dòng)勢。該干擾電動(dòng)勢很可能超過邏輯電路的閥值電平，引起誤觸發(fā)。輻射干擾的大小還取決于電路與靜電放電點(diǎn)的距離。ESD產(chǎn)生的磁場隨距離的平方衰減。ESD產(chǎn)生的電場隨距離立方衰減。當(dāng)距離較近時(shí)，無論是電場還是磁場都是很強(qiáng)的。ESD發(fā)生時(shí)，在附近位置的電路一般會(huì)受到影響。ESD在近場，輻射耦合的基本方式可以是電容或電感方式，取決于ESD源和接受器的阻抗。在遠(yuǎn)場，則存在電磁場耦合。與 ESD相關(guān)的電磁干擾（ EMI）能量上限頻率可以超過 1GHz。在這個(gè)頻率上，典型的設(shè)備電纜甚至印制板上的走線會(huì)變成非常有效的接收天線。 因而，對(duì)于典型的模擬或數(shù)字電子設(shè)備， ESD會(huì)感應(yīng)出高電平的噪聲。一般來說，造成損壞，ESD電火花必須直接接觸電路線，而輻射耦合通常只導(dǎo)致失常。在 ESD作用下，電路中的器件在通電條件下比不通電條件下更易損壞。
電子產(chǎn)品的靜電放電測試及相關(guān)要求
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)靜電放電抗擾度試驗(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（IEC 61000-4-2:1995）：《電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗(yàn)》這一國家電磁兼容基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，并按其中的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。下面就簡要介紹一下該標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容、試驗(yàn)方法及相關(guān)要求。
試驗(yàn)對(duì)象：
該標(biāo)準(zhǔn)所涉及的是處于靜電放電環(huán)境中和安裝條件下的裝置、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和外部設(shè)備。
試驗(yàn)內(nèi)容：
靜電放電的起因有多種，但該標(biāo)準(zhǔn)主要描述在低濕度情況下，通過摩擦等因素，使操作者積累了靜電。電子和電氣設(shè)備遭受直接來自操作者的靜電放電和對(duì)臨近物體的靜電放電時(shí)的抗擾度要求和試驗(yàn)方法。
試驗(yàn)?zāi)康模?/span>
試驗(yàn)單個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)的抗靜電干擾的能力。它模擬：（1）操作人員或物體在接觸設(shè)備時(shí)的放電。（2）人或物體對(duì)鄰近物體的放電。
ESD的模擬：
下圖分別給出了ESD發(fā)生器的基本線路和放電電流的波形。放電線路中的儲(chǔ)能電容CS代表人體電容，150pF比較合適。放電電阻 Rd為330Ω，用以代表手握鑰匙或其他金屬工具的人體電阻?，F(xiàn)已證明，用這種放電狀態(tài)來體現(xiàn)人體放電的模型是足夠嚴(yán)酷的。

靜電放電的電流波形

ESD試驗(yàn)方法
該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法有兩種：接觸放電法和空氣放電法。
接觸放電法：試驗(yàn)發(fā)生器的電極保持與受試設(shè)備的接觸并由發(fā)生器內(nèi)的放電開關(guān)激勵(lì)放電的一種試驗(yàn)方法。
空氣放電法：將試驗(yàn)發(fā)生器的充電電極靠近受試設(shè)備并由火花對(duì)受試設(shè)備激勵(lì)放電的一種試驗(yàn)方法。
接觸放電是優(yōu)先選擇的試驗(yàn)方法，空氣放電則用在不能使用接觸放電的場合中。
ESD試驗(yàn)等級(jí)及其選擇：
試驗(yàn)電平以最切合實(shí)際的安裝環(huán)境和條件來選擇，下表中提供了一個(gè)指導(dǎo)原則。表1 同時(shí)也給出了靜電放電試驗(yàn)等級(jí)的優(yōu)先選擇范圍，試驗(yàn)應(yīng)滿足該表所列的較低等級(jí)。

試驗(yàn)等級(jí)選擇

ESD試驗(yàn)環(huán)境
對(duì)空氣放電該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了環(huán)境條件：
環(huán)境溫度： 15℃~35℃、相對(duì)濕度： 30%~60%RH、大氣壓力： 86kPa~106kPa
對(duì)接觸放電該標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定特定的環(huán)境條件。
試驗(yàn)布置
標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)布置也做出了詳細(xì)的規(guī)定，圖 13 所示為臺(tái)式設(shè)備的試驗(yàn)布置示意圖。
ESD試驗(yàn)實(shí)施
實(shí)施部位： 直接放電施加于操作人員在正常使用受試設(shè)備時(shí)可能接觸到的點(diǎn)或面上； 間接放電施加于水平耦合板和垂直耦合板。直接放電模擬了操作人員對(duì)受試設(shè)備直接接觸時(shí)發(fā)生的靜電放電情況。間接放電則是對(duì)水平耦合板和垂直耦合板進(jìn)行放電， 模擬了操作人員對(duì)放置于或安裝在受試設(shè)備附近的物體放電時(shí)的情況。
直接放電時(shí)，只有在不能用接觸放電的地方（如表面涂有絕緣層，計(jì)算機(jī)鍵盤縫隙等情況）才改用氣隙（空氣）放電。
間接放電：選用接觸放電方式。試驗(yàn)電壓要由低到高逐漸增加到規(guī)定值。不同的產(chǎn)品或產(chǎn)品族標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)的實(shí)施可能根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)有特定的規(guī)定。

試驗(yàn)結(jié)果
若靜電放電測試通不過，可能產(chǎn)生如下后果：
（ 1）直接通過能量交換引起半導(dǎo)體器件的損壞。
（ 2）放電所引起的電場與磁場變化，造成設(shè)備的誤動(dòng)作。
電子產(chǎn)品的靜電放電對(duì)策及改進(jìn)要點(diǎn)
有很多辦法減小ESD產(chǎn)生的電磁干擾（ EMI）影響電子產(chǎn)品或設(shè)備：阻止 ESD 產(chǎn)生，阻止 EMI（本文中專指因 ESD產(chǎn)生的 EMI）耦合到電路或設(shè)備以及通過設(shè)計(jì)工藝增加設(shè)備固有的 ESD抗擾性。ESD通常發(fā)生在產(chǎn)品自身暴露在外的導(dǎo)電物體，或者發(fā)生在鄰近的導(dǎo)電物體上。對(duì)設(shè)備而言，容易產(chǎn)生靜電放電的部位是：電纜、鍵盤及暴露在外的金屬框架以及設(shè)備外殼上的孔、洞、縫隙等。常用的改進(jìn)方法是在產(chǎn)品 ESD 發(fā)生或侵入危險(xiǎn)點(diǎn)，例如輸入點(diǎn)和地之間設(shè)置瞬態(tài)保護(hù)電路，這些電路僅僅在 ESD感應(yīng)電壓超過極限的時(shí)候發(fā)揮作用。保護(hù)電路可以包括多個(gè)電流分流單元。有多種電路可以達(dá)到 ESD保護(hù)的目的，但選用時(shí)必須考慮以下原則，并在性能和成本之間加以權(quán)衡：速度要快，這是 ESD 干擾的特點(diǎn)決定的；能應(yīng)付大的電流通過；考慮瞬態(tài)電壓會(huì)在正、負(fù)極性兩個(gè)方向發(fā)生； 對(duì)信號(hào)增加的電容效應(yīng)和電阻效應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)；考慮體積因素；考慮產(chǎn)品成本因素。
我們可以從以下幾種抑制 ESD干擾的方法中選擇適用的對(duì)策：
外殼設(shè)計(jì)：
外殼在人手和內(nèi)部電路間建立隔離層，阻止 ESD的發(fā)生，金屬外殼同時(shí)也是阻止 ESD 間接放電形成的輻射及傳導(dǎo)耦合的關(guān)鍵。一個(gè)完整的封閉金屬殼能在輻射噪聲中屏蔽電路，但由于從電路到屏蔽殼體的 ESD 副級(jí)電弧可能產(chǎn)生傳導(dǎo)耦合，因而一些外殼設(shè)計(jì)使用絕緣體，在絕緣殼中，放置一個(gè)金屬的屏蔽體。這種設(shè)計(jì)的好處是既可以防止因操作者對(duì)金屬外殼的直接接觸放電造成干擾， 又可以防止操作者對(duì)周圍物體放電時(shí)形成的EMI耦合到內(nèi)部形成干擾，同時(shí)在操作者對(duì)外殼的孔、洞、縫隙放電時(shí)給放電電流一個(gè)泄放通道，防止對(duì)內(nèi)部電路直接放電。 這種做法的簡化是在設(shè)備金屬外殼上涂絕緣漆或貼一層絕緣物質(zhì)，使絕緣能力大于20kV。
因?yàn)殪o電會(huì)穿過孔洞、縫隙放電，所以絕緣外殼的孔洞、 縫隙與內(nèi)部電路間應(yīng)留有足夠的空間，2cm左右的空氣隙可以阻止靜電放電的發(fā)生。對(duì)外殼上的孔、洞、排氣口等，用幾個(gè)小孔代替一個(gè)大孔，從EMI抑制的角度來說更好。為減小EMI噪聲，縫隙邊沿每隔一定距離處使用電連接。對(duì)金屬外殼而言， 外殼各部分之間的搭接非常重要， 若機(jī)箱兩部分之間的搭接阻抗較高， 當(dāng)靜電放電電流流過搭接點(diǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電壓降，這可能會(huì)影響電路的正常工作。
解決這個(gè)問題的方法有兩個(gè)： 1）盡量使外殼保持導(dǎo)電連續(xù)，減少搭接阻抗。 2）在電路與機(jī)箱之間增加一層屏蔽，減小電路與機(jī)箱之間的電容耦合。內(nèi)層屏蔽要與外殼連接起來。如果是塑料外殼， 則要求對(duì)電路的接地進(jìn)行仔細(xì)布置， 以防止放電電流感應(yīng)到電路上去。 塑料外殼的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)產(chǎn)生直接放電現(xiàn)象。如果塑料外殼上沒有大的開孔，則塑料外殼能對(duì)電路起到保護(hù)作用，但塑料外殼對(duì)防止操作者對(duì)周圍物體放電時(shí)耦合到內(nèi)部形成干擾無抑制能力。
接地設(shè)計(jì)：
一旦發(fā)生了靜電放電， 應(yīng)該讓其盡快旁路人地， 不要直接侵入內(nèi)部電路。 例如內(nèi)部電路如用金屬機(jī)箱屏蔽，則機(jī)箱應(yīng)良好接地，接地電阻要盡量小，這樣放電電流可以由機(jī)箱外層流入大地，同時(shí)也可以將對(duì)周圍物體放電時(shí)形成的騷擾導(dǎo)入大地，不會(huì)影響內(nèi)部電路。對(duì)金屬機(jī)箱，通常機(jī)箱內(nèi)的電路會(huì)通過I/O 電纜、電源線等接地，當(dāng)機(jī)箱上發(fā)生靜電放電時(shí)，機(jī)箱的電位上升，而內(nèi)部電路由于接地，電位保持在地電位附近。這時(shí)，機(jī)箱與電路之間存在著很大的電位差。這會(huì)在機(jī)箱與電路之間引起二次電弧。 使電路造成損壞。 通過增加電路與外殼之間的距離可以避免二次電弧的發(fā)生。 當(dāng)電路與外殼之間的距離不能增加時(shí)， 可以在外殼與電路之間加一層接地的金屬擋板，擋住電弧。如果電路與機(jī)箱連在一起， 則只應(yīng)通過一點(diǎn)連接。 防止電流流過電路。 線路板與機(jī)箱連接的點(diǎn)應(yīng)在電纜入口處。對(duì)塑料機(jī)箱，則不存在機(jī)箱接地的問題。
電纜設(shè)計(jì)：
一個(gè)正確設(shè)計(jì)的電纜保護(hù)系統(tǒng)可能是提高系統(tǒng) ESD 非易感性的關(guān)鍵。作為大多數(shù)系統(tǒng)中的最大的“天線" — I/O電纜特別易于被 ESD干擾感應(yīng)出大的電壓或電流。從另一方面，電纜也對(duì) ESD干擾提供低阻抗通道，如果電纜屏蔽同機(jī)殼地連接的話。通過該通道 ESD 干擾能量可從系統(tǒng)接地回路中釋放，因而可間接地避免傳導(dǎo)耦合。為減少 ESD 干擾輻射耦合到電纜，線長和回路面積要減小，應(yīng)抑制共模耦合并且使用金屬屏蔽。對(duì)于輸入 /輸出電纜可采用使用屏蔽電纜、共模扼流圈、過壓箝位電路及電纜旁路濾波器措施。 在電纜的兩端， 電纜屏蔽必須與殼體屏蔽連接。 在互聯(lián)電纜上安裝一個(gè)共模扼流圈可以使靜電放電造成的共模電壓降在扼流圈上，而不是另一端的電路上。兩個(gè)機(jī)箱之間用屏蔽電纜連接時(shí)， 通過電纜的屏蔽層將兩個(gè)機(jī)箱連接在一起， 這樣可以使兩個(gè)機(jī)箱之間的電位差盡量小。 這里， 機(jī)箱與電纜屏蔽層之間的搭接方式很重要。 強(qiáng)烈建議在電纜兩端的機(jī)箱與電纜屏蔽層之間 360°搭接。
鍵盤和面板：
鍵盤和控制面板的設(shè)計(jì)必須保證放電電流能夠直接流到地，而不會(huì)經(jīng)過敏感電路。對(duì)于絕緣鍵盤，在鍵與電路之間要安裝一個(gè)放電防護(hù)器（如金屬支架），為放電電流提供一條放電路徑。放電防護(hù)器要直接連接到機(jī)箱或機(jī)架上，而不能連接到電路地上。當(dāng)然，用較大的旅鈕（增加操作者到內(nèi)部線路的距離）能夠直接防止靜電放電。 鍵盤和控制面板的設(shè)計(jì)應(yīng)能使放電電流不經(jīng)過敏感電路而直接到地。采用絕緣軸和大旋鈕可以防止向控制鍵或電位器放電?，F(xiàn)在， 較多的電子產(chǎn)品面板采用薄膜按鍵和薄膜顯示窗， 由于該薄膜由耐高壓的絕緣材料構(gòu)成，可有效防止ESD通過按鍵和顯示窗進(jìn)入內(nèi)部電路形成干擾。另外，現(xiàn)在大多數(shù)鍵盤的按鍵內(nèi)部均有由耐高壓的絕緣薄膜構(gòu)成的襯墊，可有效防止ESD的干擾。
電路設(shè)計(jì)：
設(shè)備中不用的輸入端不允許處于不連接或懸浮狀態(tài)， 而應(yīng)當(dāng)直接或通過適當(dāng)電阻與地線或電源端相連通。一般來說， 與外部設(shè)備連接的接口電路都需要加保護(hù)電路， 其中也包括電源線， 這一點(diǎn)往往被硬件設(shè)計(jì)所忽視。以微機(jī)為例來講，應(yīng)該考慮安排保護(hù)電路的環(huán)節(jié)有：串行通信接口、并行通信接口、鍵盤接口、顯示接口等。濾波器 （分流電容或一系列電感或兩者的結(jié)合） 必須用在電路中以阻止 EMI耦合到設(shè)備。 如果輸入為高阻抗， 一個(gè)分流電容濾波器就有效了， 因?yàn)樗牡妥杩箤⒂行У嘏月犯叩妮斎胱杩梗?分流電容越接近輸入端越好。 如果輸入阻抗低， 使用一系列鐵氧體可以提供濾波器， 這些鐵氧體也應(yīng)盡可能接近輸入端。
在內(nèi)部電路上加強(qiáng)防護(hù)措施。對(duì)于可能遭受直接傳導(dǎo)的靜電放電干擾的端口，可以在 I/O 接口處串接電阻或并聯(lián)二極管至正負(fù)電源端。MOS 管的輸入端串接 100kΩ電阻，輸出端串接 1kΩ電阻，以限制放電電流量。TTL管輸人端串接 22～100Ω電阻，輸出端串接 22～47Ω電阻。模擬管輸入端串接 100Ω～
100kΩ，并且加并聯(lián)二極管，分流放電電流至電源正或負(fù)極，模擬管輸出端串接 100Ω的電阻。在 I/O信號(hào)線上安裝一個(gè)對(duì)地的電容能夠?qū)⒔涌陔娎|上感應(yīng)的靜電放電電流分流到機(jī)箱，避免流到電路上。 但這個(gè)電容也會(huì)將機(jī)殼上的電流分流到信號(hào)線上。 為了避免這種情況的發(fā)生， 可以在旁路電容與線路板之間安裝一只鐵氧體磁珠， 增加流向線路板的路徑的阻抗。 需要注意的是， 電容的耐壓一定要滿足要求。靜電放電的電壓可以高達(dá)數(shù)千伏。用一個(gè)瞬態(tài)防護(hù)二極管也能夠?qū)o電放電起到有效的保護(hù)， 但需要注意， 用二極管雖然將瞬態(tài)干擾的電壓限制住了， 但高頻干擾成分并沒有減少，該電路中一般有與瞬態(tài)防護(hù)二極管并聯(lián)的高頻旁路電容抑制高頻干擾。在電路設(shè)計(jì)及電路板布線方面，應(yīng)采用門電路和選通脈沖。 這種輸入方式只有在靜電放電和選通同時(shí)發(fā)生時(shí)才能造成損壞。而脈沖邊沿觸發(fā)輸入方式對(duì)靜電放電引起的瞬變很敏感，不宜采用。
PCB 設(shè)計(jì)：
良好的 PCB設(shè)計(jì)可以有效地減少 ESD干擾對(duì)產(chǎn)品造成的影響，這也是電磁兼容設(shè)計(jì)中 ESD設(shè)計(jì)部分的一個(gè)重要的內(nèi)容， 大家可以從那部分課程中得到詳細(xì)的指引。 對(duì)一個(gè)成品進(jìn)行電磁兼容對(duì)策時(shí)， 很難再對(duì) PCB進(jìn)行重新設(shè)計(jì)（改進(jìn)成本太高） ，此處不再加以介紹。
軟件：
除了硬件措施外，軟件抑制方案也是減少系統(tǒng)鎖定等嚴(yán)重失常的有力方法。軟件 ESD 抑制措施分為兩種常用的類別：刷新、檢查并且恢復(fù)。刷新涉及到周期性地復(fù)位到休止?fàn)顟B(tài)，并且刷新顯示器和指示器狀態(tài)。 只需進(jìn)行一次刷新然后假設(shè)狀態(tài)是正確的， 其它的事就不用做了。檢查 /恢復(fù)過程用于決定程序是否正確執(zhí)行，它們在一定間隔時(shí)間被激活，以確認(rèn)程序是否在完成某個(gè)功能。如果這些功能沒有實(shí)現(xiàn)，一個(gè)恢復(fù)程序被激活。
一般 ESD對(duì)策準(zhǔn)則：
（ 1）在易感 CMOS、MOS器件中加入保護(hù)二極管；
（ 2）在易感傳輸線上（地線在內(nèi)）串幾十歐姆的電阻或鐵氧體磁珠；
（ 3）使用靜電保護(hù)表面涂敷技術(shù)，使 ESD難以機(jī)芯放電，經(jīng)證明十分有效；
（ 4）盡量使用屏蔽電纜；
（ 5）在易感接口處安裝濾波器；并將無法安裝濾波器的敏感接口加以隔離；
（ 6）選擇低脈沖頻率的邏輯電路；
（ 7）外殼屏蔽加良好的接地

推薦型號(hào)：

靜電放電模擬器

SESD 216（電壓范圍：200V~16.5kV）

SESD 230（電壓范圍：500V~30kV）

SESD 30000（電壓范圍：1kV~30kV）

ESD - Test System 30 kV

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