關于靜電ESD防護，為什么記住100條規(guī)則也沒啥鳥用

時間：2021-11-15 14:54:44

關鍵字： ESD 防護

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[導讀]1.關于靜電，不談理論靜電，確切的說是靜電放電的防護，是EMC設計中的一個重點內容，已經有大量書籍，文章對此做了很多的討論。那我們?yōu)槭裁催€要再寫一篇來討論這個問題呢？因為在實際產品中，看到的一些對ESD設計規(guī)則的生搬硬套，真是讓人比較捉急。EMC設計是實踐性很強的一門學問，如果我...

1.關于靜電，不談理論

靜電，確切的說是靜電放電的防護，是EMC設計中的一個重點內容，已經有大量書籍，文章對此做了很多的討論。那我們?yōu)槭裁催€要再寫一篇來討論這個問題呢？因為在實際產品中，看到的一些對ESD設計規(guī)則的生搬硬套，真是讓人比較捉急。EMC設計是實踐性很強的一門學問，如果我們不去思考它背后的原理，只是把別人的一些結論，用到產品設計中，不一定能起到很好的效果，甚至會產生相反的作用。

歷史上我們看到很多猛將，都犯了類似的錯誤，比如失街亭的蜀國大將馬謖，紙上談兵的趙國大將趙括。所以對理論的實際運用，是我們要倍加重視的。很多寫EMC的文章，往往從麥克斯韋方程組開始，各種推導使人眼花繚亂，目不暇接，高山仰止，縱使法拉第再生，估計也會佩服的五(直)體(接)投(懵)地(圈)。我們今天就不討論這個方程組了(真實情況是，咱們也不懂J)。

今天我們嘗試用大家都容易看懂的方式，探討一下靜電的產生，靜電放電現象，和靜電的防護。

2.靜電的產生

靜電似乎是我們很熟悉的一種現象。干燥寒冷的冬天，特別是夜里，當我們上床睡覺，脫下一件毛衣時，噼噼啪啪一陣亂響?；蛘哂袝r候是我們手碰到金屬門把手時，輕微的啪的一聲，伴隨著麻麻的感覺。為什么會有這些現象呢？

我們生活中所見的物質，大部分都是由分子和原子構成。原子的中心是帶正電的原子核，包括帶正電荷的質子和不帶電的中子，而圍繞其高速運動的是帶負電荷的電子。一般情況下，質子的數量與電子的數量相等，所以整體對外看起來是不帶電的。

電子圍繞原子核運動，有點類似于行星圍繞太陽運動。舉個例子，鈉的原子大概是下面這個樣子：

中間是11個帶正電的質子，還有12個不帶電的中子，周圍有11個帶負電的電子，排列在3個電子軌道上，離原子核最近的第一個軌道有2個電子，第二個軌道8個電子，最外層的軌道上有一個電子，這個單飛的電子具有最高的能量，而且特別容易脫離原子核的束縛。當然這是個示意圖，實際電子不應該在一個平面上轉，而是應該在立體的球面上。我們把鈉原子這種電子層排布寫成下面這種形式：

Na ( 11) -2-8-1

看到這里，不能不使我們想起另一種元素。對，就是最外層有7個電子的氯

Cl ( 17) -2-8-7

跟容易失去一個電子的Na正好相反，它的最外層容易獲得1個電子，從而達到具有8個電子的穩(wěn)定結構。如果把加熱的Na放入氯氣Cl中，會發(fā)生劇烈的燃燒，然后形成鹽NaCl。

對于一些原子量更大的元素，比如銅，銀，金，它們的最外層都是有單飛的電子，而且這種電子具有的能量更高，離核距離更遠，所以更容易掙脫原子核的束縛，形成自由的電子，在原子之間流動。

幾種金屬原子的核外電子排列：

銅Cu ( 29) -2-8-18-1

銀Ag ( 47) -2-8-18-18-1

金Au ( 79) -2-8-18-32-18-1

摩擦起電：

生活中的物質有的由單一元素組成，有的由復雜的多種元素構成，它們對電子的束縛能力也各異，當不同的物體摩擦就會發(fā)生電子在不同物質之間的遷移，獲得多余電子的帶負電，失去電子的帶正電。按這種特性把物質排序，越容易失去電子的物質越靠左，那么就得到一個靜電序列：

金屬摩擦時的靜電序列: ( )鋁、鋅、錫、銅、鉛、銻、鉗、黃銅、汞、鐵、銅、銀、金、鉑、鈀、MnO2、Pb0(-)。

非金屬的靜電序列: ( )玻璃、頭發(fā)、尼龍、毛、絲綢、人造絲、奧綸、棉織品、紙、聚苯乙烯、聚酯、聚丙烯脂、硫、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯(-)。

空氣摩擦也是物體積聚靜電的一個重要原因。飛機在空中飛行后降落地面，通過輪胎和地面接觸也會釋放掉大量的靜電，否則可能發(fā)生嚴重的事故。

感應起電：

除了摩擦起電，兩種物體不直接接觸，通過感應也會導致靜電的積聚。

如圖帶電荷的物體會在它的周圍形成電場，如果移動帶正電荷物體A，讓它靠近一個不帶電的導體B，那么由于異種電荷相吸，同種電荷相斥，會在靠近A的左端感應出負電荷，在右端感應出正電荷，感應電荷在導體B內形成與A的電場相反的電場。當這兩個方向相反的電場大小相等時，形成電平衡，導體B內的電子不再移動。此時導體B對外部來說仍然是不帶電的。如果此時把A移開，B上的電子又會回復到均勻分布的狀態(tài)，對導體B來說，就像什么事情都沒有發(fā)生過。

我們怎么能在不接觸的情況下，讓導體B帶上點兒靜電呢？

兩種辦法：

一是把導體B從中劈開，然后再把A挪走。另一種辦法是從導體B連一根導線到大地，此時正電荷會釋放到大地上，此時再把導線斷開，A挪走，導體B上會帶上負電荷。

接觸起電：

如果使一個帶靜電的物體接觸一個不帶電的物體，那么不帶電的物體會由于電子的遷移，帶上同種電荷的靜電。

3.ESD (Electro Static Discharge)

靜電的積聚本身不會產生什么危害，產生破壞的是靜電放電的一瞬間。就像一架飛機在空中飛行的時候，可能會帶上數萬伏的高壓，并不會對人體有什么危害。但是如果落地后仍然沒有釋放掉，那么人從舷梯走下來，踏上大地的一瞬間可能就是致命的。靜電在我們印象里通常不會產生巨大的破壞作用，其實不然，想一想雷電其實也是一種靜電放電現象，我們就明白了。