可靠性工程——關(guān)于電子設(shè)備靜電放電(ESD)防護(hù)的設(shè)計(jì)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(guò)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(chǎng)梯度達(dá)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|0">ESD)。靜電放電可以出現(xiàn)在兩個(gè)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(lái)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(guó)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)電子行業(yè)部門每年因靜電危害造成損失高達(dá)100億美元，英國(guó)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?yàn)殪o電放電(ESD)造成的。

問(wèn)題嚴(yán)重性還在于很多人對(duì)靜電危害的認(rèn)識(shí)不足和防靜電知識(shí)的無(wú)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(diǎn)。

(1)首先由于許多人對(duì)靜電的產(chǎn)生不太了解，因?yàn)閘~2kV以下的靜電放電感覺(jué)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(chǎng)效應(yīng)管擊穿電壓約為300V)所以說(shuō)靜電的損傷是在人們不知不覺(jué)的過(guò)程中發(fā)生的。

(2)器件的失效分析比較困難，因?yàn)殪o電的損傷與其他瞬變過(guò)程的過(guò)電壓造成的器件損傷有時(shí)是很難區(qū)分開(kāi)來(lái)。

(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(shí)就能發(fā)現(xiàn)，但已經(jīng)造成了潛在的失效隱患，在將來(lái)某種特定的條件下，最終會(huì)導(dǎo)致器件失效，如器件氧化層出現(xiàn)一個(gè)孔，設(shè)備長(zhǎng)時(shí)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(huì)大大的縮短元器件的使用壽命。

(4)有人錯(cuò)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(jì)上已采用了抗靜電的保護(hù)電路，認(rèn)為防靜電并不一定需要。但是，人們?cè)谏a(chǎn)活動(dòng)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(dòng)、摩擦、或分離，特別是在空氣干燥的季節(jié)里，將會(huì)產(chǎn)生600~15000V的靜電電壓，如果濕度為20％以下時(shí)，靜電電壓可高達(dá)30kV。即使有保護(hù)對(duì)于靜電放電的敏感器件也是非常危險(xiǎn)的。靜電主要是對(duì)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(duì)MOS類電路損傷，但不盡然，當(dāng)靜電電壓高到某一限度時(shí)，對(duì)有些半導(dǎo)體器件也產(chǎn)生損傷。

某廠在使用高頻三級(jí)管3DGI42時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)獨(dú)特的現(xiàn)象，當(dāng)工作人員在上班開(kāi)始工作，拿第一支管子測(cè)試時(shí)，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(jìn)入車間或?qū)嶒?yàn)室時(shí)，因在地板上走動(dòng)時(shí)產(chǎn)生靜電，加上自身衣服之間摩擦也會(huì)產(chǎn)生靜電，所以當(dāng)?shù)谝淮文霉茏訒r(shí)，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(cè)試時(shí)，要先摸一摸地線，釋放靜電之后，再去拿管子，這個(gè)問(wèn)題因此而得以解決。

這個(gè)例子也說(shuō)明，籠統(tǒng)地認(rèn)為雙極晶體管不是靜電第三器件是錯(cuò)誤的，特別是對(duì)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(wèn)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(shuō)，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(chǎng)耦合和磁場(chǎng)耦合。

2．1 靜電放電的特點(diǎn)

靜電放電是高電位、強(qiáng)電場(chǎng)、瞬時(shí)大電流的過(guò)程。

靜電放電會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)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(guò)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(shù)權(quán)形形狀的放電過(guò)程。

(3)火花放電火花放電是一個(gè)瞬變的過(guò)程，放電時(shí)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(shí)集中釋放。

3 ESD防護(hù)設(shè)計(jì)

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(chǎng)耦合)；

(3)電感耦合(磁場(chǎng)耦合)。

電子設(shè)備的ESD防護(hù)主要應(yīng)針對(duì)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(hù)設(shè)計(jì)原則

對(duì)于設(shè)備級(jí)的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)，其重點(diǎn)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(diǎn)。

(1)機(jī)箱金屬之間要實(shí)現(xiàn)良好的搭接，搭接處要采用面接觸，避免點(diǎn)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(diǎn)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(guò)時(shí)可以選擇一種過(guò)度金屬(或鍍層)，以降低原來(lái)兩種金屬的接觸腐蝕。


(2)接觸的鍵盤、控制面板、手動(dòng)控制器、鑰匙鎖等金屬部件，應(yīng)直接通過(guò)機(jī)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(jī)架接地點(diǎn)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(diǎn)接金屬外殼)、金屬外殼單點(diǎn)接地，使靜電通過(guò)機(jī)殼泄放到地而對(duì)內(nèi)部電路無(wú)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(jī)殼實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)接地，且金屬外殼單點(diǎn)接大地。

(6)機(jī)架設(shè)備的接地點(diǎn)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(zhǎng)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(jī)殼進(jìn)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(zhǎng)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(jī)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(duì)殼體的屏蔽效能起決定性作用。

(2)保證接縫處金屬對(duì)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(shí)，螺釘間距一般應(yīng)小于最高工作頻率的l％波長(zhǎng)，至少不大于1／20波長(zhǎng)。

(4)用螺釘或鉚接進(jìn)行搭接時(shí)，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(dòng)時(shí)保持表面接觸。

(6)在接縫不平整的地方，或在可移動(dòng)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(shí)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(méi)有非導(dǎo)電保護(hù)層。

(10)當(dāng)需要活動(dòng)接觸時(shí)，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(shí)，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(yǔ)

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(dú)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(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，對(duì)產(chǎn)品可靠性提出越來(lái)越高的要求，本文針對(duì)電源及電子設(shè)備的靜電防護(hù)設(shè)計(jì)總結(jié)出一些較為實(shí)用的設(shè)計(jì)原則，能夠幫助解決電子可靠性設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題。