可靠性工程——关于电子设备静电放电(ESD)防护的设计原则

0 引言

静电是物体表面的静止电荷。物体在接触、摩擦、分离、电解等过程中，发生电子或离子的转移，正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡，就形成了静电。当物体表面的静电场梯度达到一定的程度，正电荷和负电荷发生中和，就出现了静电放电(ESD|0">ESD)。静电放电可以出现在两个物体之间，也可由物体表面经电荷直接向空气放电。

l 静电放电的危害

静电作为一种普遍物理现象，近十多年来伴随着集成电路的飞速发展和高分子材料的广泛应用，静电的作用力、放电和感应现象引起的危害十分严重，美国统计，美国电子行业部门每年因静电危害造成损失高达100亿美元，英国电子产品每年因静电造成的损失为20亿英镑，日本电子元器件的不合格品中不少于45％的危害是因为静电放电(ESD)造成的。

问题严重性还在于很多人对静电危害的认识不足和防静电知识的无知，常把一些因ESD造成的设备性能下降或故障，误认为是元器件早期老化失效。所造成的误区有以下几点。

(1)首先由于许多人对静电的产生不太了解，因为l~2kV以下的静电放电感觉不到的，但却能使器件因电击而受到损伤。(须知一般MOS电路和场效应管击穿电压约为300V)所以说静电的损伤是在人们不知不觉的过程中发生的。

(2)器件的失效分析比较困难，因为静电的损伤与其他瞬变过程的过电压造成的器件损伤有时是很难区分开来。

(3)有的器件在受静电损伤以后，并不是不能用，而是特性有所下降，人们并不是当时就能发现，但已经造成了潜在的失效隐患，在将来某种特定的条件下，最终会导致器件失效，如器件氧化层出现一个孔，设备长时间工作后，金属化电迁移引起短路烧毁，从而导致设备故障。这种类型的静电损伤，将会大大的缩短元器件的使用寿命。

(4)有人错误地认为现在的集成电路，如MOS电路，不少的生产厂家在设计上已采用了抗静电的保护电路，认为防静电并不一定需要。但是，人们在生产活动中，工作人员穿的化纤衣服，各种塑料制品包装，上述材料的滑动、摩擦、或分离，特别是在空气干燥的季节里，将会产生600~15000V的静电电压，如果湿度为20％以下时，静电电压可高达30kV。即使有保护对于静电放电的敏感器件也是非常危险的。静电主要是对半导体器件产生损伤，其失效模式如表1所列。

有人认为静电仅对MOS类电路损伤，但不尽然，当静电电压高到某一限度时，对有些半导体器件也产生损伤。

某厂在使用高频三级管3DGI42时发现了一个独特的现象，当工作人员在上班开始工作，拿第一支管子测试时，常常发现是坏的，失效模式为发射结击穿，以后就全是好的，这种现象每天重复出现。经研究认为，这种失效是由静电引起的。当工作人员进入车间或实验室时，因在地板上走动时产生静电，加上自身衣服之间摩擦也会产生静电，所以当第一次拿管子时，在接触管子的瞬间静电释放，因而使管子损坏。于是，规定凡是第一次测试时，要先摸一摸地线，释放静电之后，再去拿管子，这个问题因此而得以解决。

这个例子也说明，笼统地认为双极晶体管不是静电第三器件是错误的，特别是对于具有潜结构的高频或超高频晶体管，必须考虑防静电问题。

2 静电放电的定义

静电放电(ESD—Electro Static Discharge)不同静电电位的物体相互靠近或直接接触引起的电荷转移。也就是说，静电放电耦合到电子设备主要有两种方式：直接传导和空间耦合，耦合又分为电场耦合和磁场耦合。

2．1 静电放电的特点

静电放电是高电位、强电场、瞬时大电流的过程。

静电放电会产生强烈的电磁辐射形成电磁脉冲(EMP)。

2．2 静电放电的类型

(1)电晕放电 电晕放电是一种高电位、小电流、空气被局部电离的放电过程。

(2)刷形放电 刷形放电是一种发生在导体与带电绝缘体之间，放电通道成分散的树权形形状的放电过程。

(3)火花放电火花放电是一个瞬变的过程，放电时两放电体之间的空气被击穿，形成“快如闪电”的火花通道，静电能量瞬时集中释放。

3 ESD防护设计

耦合到电子设备有三种方式：

(1)直接传导；

(2)电容耦合(电场耦合)；

(3)电感耦合(磁场耦合)。

电子设备的ESD防护主要应针对这几种耦合方式采取措施，可总结为下列24字方针：

静电屏蔽，滤波去耦，绝缘隔离，接地泄放，良好搭接，瞬态抑制。

3．1 设备的ESD防护设计原则

对于设备级的ESD防护设计，其重点应放在为静电放电设置一条通畅的泄放通道。主要应做好以下几点。

(1)机箱金属之间要实现良好的搭接，搭接处要采用面接触，避免点接触，搭接的直流电阻不大于5mΩ，整体搭接结构中任意两导电点间的直流电阻不大于25mΩ。相互搭接的金属之间的化学位差不大于0．5V，超过时可以选择一种过度金属(或镀层)，以降低原来两种金属的接触腐蚀。


(2)接触的键盘、控制面板、手动控制器、钥匙锁等金属部件，应直接通过机架接地。如果不能接地，则其与电路走线的绝缘距离至少应满足以下要求：空气间隙5mm,爬电距离6mm。

(3)在机架接地点汇接或在外部接地网上汇接，形成良好的静电泄放通路。

(4)小型低速(频率小于10MHz)设备可以采用工作地浮地(或工作地单点接金属外壳)、金属外壳单点接地，使静电通过机壳泄放到地而对内部电路无影响。

(5)小型高速(频率大于10MHz)设备的工作地应与其金属机壳实现多点接地，且金属外壳单点接大地。

(6)机架设备的接地点与外部接地桩之间要保证可靠的电气连接，连接铜线截面的外周长不小于20mm。

(7)必须尽量减少结构的电气不连续性，以便控制经底板和机壳进出的辐射。提高缝隙屏蔽效能的结构措施包括增加缝隙深度，减少缝隙长度，在接合面上加入导电衬垫，在接缝处涂上导电涂料，缩短螺钉间距等。

3．2 缝隙影响与措施

(1)在底板和机壳的每一条缝和不连续处要尽可能好地搭接。最坏的电搭接对壳体的屏蔽效能起决定性作用。

(2)保证接缝处金属对金属的接触，严禁接缝处有油漆或氧化层等绝缘物，以防电磁能的泄漏和辐射。

(3)在不加导电衬垫时，螺钉间距一般应小于最高工作频率的l％波长，至少不大于1／20波长。

(4)用螺钉或铆接进行搭接时，应首先在缝的中部搭接好，然后逐渐向两端延伸，以防金属表面的弯曲。

(5)保证禁固方法有足够的压力，以便在有变形应力、冲击、振动时保持表面接触。

(6)在接缝不平整的地方，或在可移动的面板等处，必须使用导电衬垫或指形弹簧材料。

(7)选择高导电率和弹性好的衬垫，选择衬垫时要考虑接合处所使用的频率。

(8)选择硬韧材料做成的衬垫，以免划破金属上的任何表面。

(9)保证同衬垫配合的金属表面没有非导电保护层。

(10)当需要活动接触时，使用指形压簧(而不用网状衬垫)，并要注意保持弹性指簧的压力。

(11)导电橡胶衬垫用在铝金属表面时，要注意电化腐蚀作用。纯银填料的橡胶或线形衬垫将出现最严重的电化腐蚀。银镀铝填料的导电胶是盐雾环境下用于铝金属配合表面的最好衬垫材料。

4 结语

可靠性是一门系统科学、综合科学和边沿科学，可靠性作为一门独立学科已为世人所瞩目，随着科学技术的发展与国民经济发展的要求，对产品可靠性提出越来越高的要求，本文针对电源及电子设备的静电防护设计总结出一些较为实用的设计原则，能够帮助解决电子可靠性设计方面的问题。