电子产品ESD静电放电的危害测试和防范措施
时间：10-02
整理：3721RD
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静电是人们日常生活中一种司空见惯的现象，静电的很多功能已经应用到军工或民用产品中，如静电除尘、静电喷涂、静电分离、静电复印等。然而，静电放电（ESD）却又成为电子产品'>电子产品和设备的一种危害，造成电子产品'>电子产品和设备的功能紊乱甚至部件损坏。一个操纵员在正常的设备操纵中也可能因衣服或皮肤带有危害的电荷而使机器运行紊乱，甚至损坏硬件设备。现代半导体器件的规模越来越大，工作电压越来越低，导致了半导体器件对外界电磁骚扰敏感程度也大大进步。ESD对于电路引起的干扰、对元器件、CMOS电路及接口电路造成的破坏等题目越来越引起人们的重视。电子设备的ESD也开始作为电磁兼容性测试的一项重要内容写进国家标准和国际标准。
一、静电放电形成的机理及其对电子产品的危害
静电是两种介电系数不同的物质磨擦时，正负极性的电荷分别积累在两个物体上而形成：当两个物体接触时，其中一个趋于从另一个吸引电子，因而二者会形成不同的充电电位。摩擦起电是一个机械过程，依靠相对表面移动传送电量。传送的电量取决于接触的次数、表面粗糙度、湿度、接触压力、摩擦物质的摩擦特性以及相对运动速度。两个带上电荷的物体也就成了静电源'>静电源。就人体而言，衣服与皮肤之间的磨擦发生的静电是人体带电的主要原因之一。
静电源'>静电源跟其它物体接触时，依据电荷中和的原则，存在着电荷活动，传送足够的电量以抵消电压。这个高速电量的传送过程中，将产生潜伏的破坏电压、电流以及电磁场，严重时将其中物体击毁。这就是静电放电。国家标准是这样定义的：“静电放电：具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移（GB/T4365-1995）”，一般用ESD表示。ESD会导致电子设备严重地损坏或操纵变态。半导体专家以及设备的用户都在想办法抑制ESD。
在电子产品的生产和使用过程中，操纵者是最活跃的静电源，当人体穿着尽缘材料的织物，并且其鞋也是对地尽缘的时候，人在地面上运动时，就可能积累一定数目的电荷，当人体接触与地相连的元件、装置的时候就会产生静电放电。现以人体为例，计算人体的带电情况。当人们穿着化纤织物时，人体运动的充电电流约10－7～10－6A，总的充电电荷约（0.1～5）X10－6库仑，人体对地的电容约150～250pF，若以电荷3X10－6库仑计，则充电电压可达5～25kV。人体的静电放电模型可用电阻和电容的串联来模拟，设人体电阻R=500Ω，人体电容C=300pF，人体带静电电压U=10kV，则静电所含能量为：W=1/2（CU2）＝15（mJ）尽管静电电压高达10kV，能量仅15mJ，对人体没伤害，但当人手往触摸设备的金属部分时会产生火花放电，瞬间的脉冲峰值很高，很可能对电子电路产生干扰或破坏。本例中放电电流的峰值为：IP≈U／R=20（A）；放电时间很短，可近似为：Td≈RC＝150（ns），这对于MOS电路来说，则将受到致命打击。ESD两种主要的破坏机制是：由于ESD电流产生热量导致设备的热失效；由于ESD感应出高的电压导致尽缘击穿。两种破坏可能在一个设备中同时发生，例如，尽缘击穿可能激发大的电流，这又进一步导致热失效。
二、电子产品的静电放电测试及相关要求
随着电子产品的复杂程度和自动化程度越来越高，电子产品的ESD敏感度也越高，电子产品抵御ESD干扰的能力已经成为电子产品质量好坏的一个重要因素。那么如何来衡量电子产品抗ESD干扰的能力?通过ESD抗扰度试验可以检测这种能力。为此越来越多的产品标准将ESD抗扰度试验作为推荐或强制性内容纳进其中。电子设备的ESD抗扰度试验也作为电子设备电磁兼容性测试一项重要内容列进国家标准和国际标准。
对不同使用环境、不同用途、不同ESD敏感度的电子产品标准对ESD抗扰度试验的要求是不同的，但这些标准关于ESD抗扰度试验大多都直接或间接引用GB/T17626.2-1998（idtIEC61000-4-2:1995）：《电磁兼容试验和丈量技术静电放电抗扰度试验》这一国家电磁兼容基础标准，并按其中的试验方法进行试验。
三、常用的瞬态抑制保护电路有以下几种
箝位二极管保护电路：使用2只二极管的目的是为了同时抑制正、负极性的瞬态电压。瞬态电压被箝位在V++VPN~V--VPN范围内，串联电阻担负功率耗散的作用。利用现有电源的电压范围作为瞬态电压的抑制范围，二极管的正向导通电流和串联电阻的阻值决定了该电路的保护能力。本电路具有极好的保护效果，同时其代价低廉，适合本钱控制比较严、静电放电强度和频率不十分严重的场合。
压敏电阻保护电路：压敏电阻的阻值随两端电压变化而呈非线性变化。当施加在其两真个电压小于阀值电压时，器件呈现无穷大的电阻；当施加在其两真个电压大于阀值电压时，器件呈现很小电阻值。此物理现象类似稳压管的齐纳击穿现象，不同的是压敏电阻无电压极性要求。使用压敏电阻保护电路的特点是简单、经济、瞬态抑制效果好、对电路带来的负面影响甚微，且可以获得较大的保护功率。
稳压管保护电路：背对背串接的稳压管对瞬态抑制电路的工作原理是显而易见的。当瞬态电压超过V1的稳压值时，V1反向击穿，V2正向导通；当瞬态电压是负极性时，V2反向击穿，V1正向导通。将这2只稳压管制作在同一硅片上就制成了稳压管对，使用更加方便。
TVS（瞬态电压抑制器）二极管：这是最近发展起来的一种固态二极管，适用用于ESD保护。一般选择工作电压大于或即是电路正常工作电压的器件。TVS二极管是和被保护电路并联的，当瞬态电压超过电路的正常工作电压时，二极管发生雪崩，为瞬态电流提供通路，使内部电路免遭逾额电压的击穿或逾额电流的过热烧毁。由于TVS二极管的结面积较大，使得它具有泄放瞬态大电流的优点，具有理想的保护作用。但同时必须留意，结面积大造成结电容增大，因而不适合高频信号电路的保护。改进后的TVS二极管还具有适应低压电路(＜5V)的特点，且封装集成度高，适用于在印制电路板面积紧张的情况下使用。这些特点决定了它有广泛的适用范围，尤其在高档便携设备的接口电路中有很好的使用价值。
结语
ESD是造成电子产品工作变态或功能失效的一个重要原因，随着技术的发展和产品的复杂程度的进步，ESD对电子产品的危害也越来越被大家重视。从产品要求的整体情况来看，目前出口的电子产品大多数对ESD抗扰性有要求，达不到要求者被视为分歧格产品，是被进口国禁止销售的；国内大多数产品及产品族标准对产品的抗ESD特性没有强制要求，但这并不是说ESD抗扰性不重要，电子产品的ESD抗扰性直接关系到该产品的适用环境（ESD抗扰性低的产品不适用于相对湿度低的环境使用），产品的性能（ESD抗扰性低的产品不可避免会影响产品的性能指标），产品的售后服务（ESD抗扰性低的产品轻易损坏，不可避免的增加了产品的售后服务本钱），产品的品牌形象（ESD抗扰性低的产品轻易出现工作变态和损坏，用户会以为这样的产品不会是好产品）等，所以内销产品的生产商也逐渐重视产品的ESD抗扰性，从而进步产品的竞争能力。希看本文能对关心电子产品的静电放电抗扰性的生产厂家和设计职员有所帮助，同时也引起那些对静电放电抗扰性不太了解的生产厂家和设计职员的重视。
一、静电放电形成的机理及其对电子产品的危害
静电是两种介电系数不同的物质磨擦时，正负极性的电荷分别积累在两个物体上而形成：当两个物体接触时，其中一个趋于从另一个吸引电子，因而二者会形成不同的充电电位。摩擦起电是一个机械过程，依靠相对表面移动传送电量。传送的电量取决于接触的次数、表面粗糙度、湿度、接触压力、摩擦物质的摩擦特性以及相对运动速度。两个带上电荷的物体也就成了静电源'>静电源。就人体而言，衣服与皮肤之间的磨擦发生的静电是人体带电的主要原因之一。
静电源'>静电源跟其它物体接触时，依据电荷中和的原则，存在着电荷活动，传送足够的电量以抵消电压。这个高速电量的传送过程中，将产生潜伏的破坏电压、电流以及电磁场，严重时将其中物体击毁。这就是静电放电。国家标准是这样定义的：“静电放电：具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移（GB/T4365-1995）”，一般用ESD表示。ESD会导致电子设备严重地损坏或操纵变态。半导体专家以及设备的用户都在想办法抑制ESD。
在电子产品的生产和使用过程中，操纵者是最活跃的静电源，当人体穿着尽缘材料的织物，并且其鞋也是对地尽缘的时候，人在地面上运动时，就可能积累一定数目的电荷，当人体接触与地相连的元件、装置的时候就会产生静电放电。现以人体为例，计算人体的带电情况。当人们穿着化纤织物时，人体运动的充电电流约10－7～10－6A，总的充电电荷约（0.1～5）X10－6库仑，人体对地的电容约150～250pF，若以电荷3X10－6库仑计，则充电电压可达5～25kV。人体的静电放电模型可用电阻和电容的串联来模拟，设人体电阻R=500Ω，人体电容C=300pF，人体带静电电压U=10kV，则静电所含能量为：W=1/2（CU2）＝15（mJ）尽管静电电压高达10kV，能量仅15mJ，对人体没伤害，但当人手往触摸设备的金属部分时会产生火花放电，瞬间的脉冲峰值很高，很可能对电子电路产生干扰或破坏。本例中放电电流的峰值为：IP≈U／R=20（A）；放电时间很短，可近似为：Td≈RC＝150（ns），这对于MOS电路来说，则将受到致命打击。ESD两种主要的破坏机制是：由于ESD电流产生热量导致设备的热失效；由于ESD感应出高的电压导致尽缘击穿。两种破坏可能在一个设备中同时发生，例如，尽缘击穿可能激发大的电流，这又进一步导致热失效。
二、电子产品的静电放电测试及相关要求
随着电子产品的复杂程度和自动化程度越来越高，电子产品的ESD敏感度也越高，电子产品抵御ESD干扰的能力已经成为电子产品质量好坏的一个重要因素。那么如何来衡量电子产品抗ESD干扰的能力?通过ESD抗扰度试验可以检测这种能力。为此越来越多的产品标准将ESD抗扰度试验作为推荐或强制性内容纳进其中。电子设备的ESD抗扰度试验也作为电子设备电磁兼容性测试一项重要内容列进国家标准和国际标准。
对不同使用环境、不同用途、不同ESD敏感度的电子产品标准对ESD抗扰度试验的要求是不同的，但这些标准关于ESD抗扰度试验大多都直接或间接引用GB/T17626.2-1998（idtIEC61000-4-2:1995）：《电磁兼容试验和丈量技术静电放电抗扰度试验》这一国家电磁兼容基础标准，并按其中的试验方法进行试验。
三、常用的瞬态抑制保护电路有以下几种
箝位二极管保护电路：使用2只二极管的目的是为了同时抑制正、负极性的瞬态电压。瞬态电压被箝位在V++VPN~V--VPN范围内，串联电阻担负功率耗散的作用。利用现有电源的电压范围作为瞬态电压的抑制范围，二极管的正向导通电流和串联电阻的阻值决定了该电路的保护能力。本电路具有极好的保护效果，同时其代价低廉，适合本钱控制比较严、静电放电强度和频率不十分严重的场合。
压敏电阻保护电路：压敏电阻的阻值随两端电压变化而呈非线性变化。当施加在其两真个电压小于阀值电压时，器件呈现无穷大的电阻；当施加在其两真个电压大于阀值电压时，器件呈现很小电阻值。此物理现象类似稳压管的齐纳击穿现象，不同的是压敏电阻无电压极性要求。使用压敏电阻保护电路的特点是简单、经济、瞬态抑制效果好、对电路带来的负面影响甚微，且可以获得较大的保护功率。
稳压管保护电路：背对背串接的稳压管对瞬态抑制电路的工作原理是显而易见的。当瞬态电压超过V1的稳压值时，V1反向击穿，V2正向导通；当瞬态电压是负极性时，V2反向击穿，V1正向导通。将这2只稳压管制作在同一硅片上就制成了稳压管对，使用更加方便。
TVS（瞬态电压抑制器）二极管：这是最近发展起来的一种固态二极管，适用用于ESD保护。一般选择工作电压大于或即是电路正常工作电压的器件。TVS二极管是和被保护电路并联的，当瞬态电压超过电路的正常工作电压时，二极管发生雪崩，为瞬态电流提供通路，使内部电路免遭逾额电压的击穿或逾额电流的过热烧毁。由于TVS二极管的结面积较大，使得它具有泄放瞬态大电流的优点，具有理想的保护作用。但同时必须留意，结面积大造成结电容增大，因而不适合高频信号电路的保护。改进后的TVS二极管还具有适应低压电路(＜5V)的特点，且封装集成度高，适用于在印制电路板面积紧张的情况下使用。这些特点决定了它有广泛的适用范围，尤其在高档便携设备的接口电路中有很好的使用价值。
结语
ESD是造成电子产品工作变态或功能失效的一个重要原因，随着技术的发展和产品的复杂程度的进步，ESD对电子产品的危害也越来越被大家重视。从产品要求的整体情况来看，目前出口的电子产品大多数对ESD抗扰性有要求，达不到要求者被视为分歧格产品，是被进口国禁止销售的；国内大多数产品及产品族标准对产品的抗ESD特性没有强制要求，但这并不是说ESD抗扰性不重要，电子产品的ESD抗扰性直接关系到该产品的适用环境（ESD抗扰性低的产品不适用于相对湿度低的环境使用），产品的性能（ESD抗扰性低的产品不可避免会影响产品的性能指标），产品的售后服务（ESD抗扰性低的产品轻易损坏，不可避免的增加了产品的售后服务本钱），产品的品牌形象（ESD抗扰性低的产品轻易出现工作变态和损坏，用户会以为这样的产品不会是好产品）等，所以内销产品的生产商也逐渐重视产品的ESD抗扰性，从而进步产品的竞争能力。希看本文能对关心电子产品的静电放电抗扰性的生产厂家和设计职员有所帮助，同时也引起那些对静电放电抗扰性不太了解的生产厂家和设计职员的重视。