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靜電放電發(fā)生器ESD

電子產(chǎn)品靜電放電的危害,、測(cè)試及其對(duì)策

摘要:靜電是人們?nèi)粘Ｉ钪幸环N司空見慣的現(xiàn)象,，靜電的許多功能已經(jīng)應(yīng)用到軍工或民用產(chǎn)品中,，如靜電除塵,、靜電噴涂,、靜電分離,、靜電復(fù)印等。然而,，靜電放電（ESD）卻又成為電子產(chǎn)品和設(shè)備的一種危害,，造成電子產(chǎn)品和設(shè)備的功能紊亂甚至部件損壞。一個(gè)操作員在正常的設(shè)備操作中也可能因衣服或皮膚帶有危害的電荷而使機(jī)器運(yùn)行紊亂,，甚至損壞硬件設(shè)備?，F(xiàn)代半導(dǎo)體器件的規(guī)模越來越大，工作電壓越來越低,，導(dǎo)致了半導(dǎo)體器件對(duì)外界電磁騷擾敏感程度也大大提高,。ESD對(duì)于電路引起的干擾、對(duì)元器件,、CMOS電路及接口電路造成的破壞等問題越來越引起人們的重視,。電子設(shè)備的ESD也開始作為電磁兼容性測(cè)試的一項(xiàng)重要內(nèi)容寫入國家標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞:電子產(chǎn)品靜電放電;靜電測(cè)試;靜電放電測(cè)試設(shè)計(jì)

 一,、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：當(dāng)兩個(gè)物體接觸時(shí),，其中一個(gè)趨于從另一個(gè)吸引電子，因而二者會(huì)形成不同的充電電位,。摩擦起電是一個(gè)機(jī)械過程,，依靠相對(duì)表面移動(dòng)傳送電量。傳送的電量取決于接觸的次數(shù),、表面粗糙度,、濕度、接觸壓力,、摩擦物質(zhì)的摩擦特性以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度,。兩個(gè)帶上電荷的物體也就成了靜電源。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)，依據(jù)電荷中和的原則,，存在著電荷流動(dòng),，傳送足夠的電量以抵消電壓。這個(gè)高速電量的傳送過程中,，將產(chǎn)生潛在的破壞電壓,、電流以及電磁場(chǎng)，嚴(yán)重時(shí)將其中物體擊毀,。這就是靜電放電,。國家標(biāo)準(zhǔn)是這樣定義的：“靜電放電：具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移（GB/T4365-1995）”，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,。半導(dǎo)體專家以及設(shè)備的用戶都在想辦法抑制ESD。在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用過程中,，操作者是zui活躍的靜電源,，當(dāng)人體穿著絕緣材料的織物，并且其鞋也是對(duì)地絕緣的時(shí)候,，人在地面上運(yùn)動(dòng)時(shí),，就可能積累一定數(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?，F(xiàn)以人體為例，計(jì)算人體的帶電情況,。當(dāng)人們穿著化纖織物時(shí),，人體運(yùn)動(dòng)的充電電流約10－7～10－6A，總的充電電荷約（0.1～5）x10－6庫侖,，人體對(duì)地的電容約150～250pF,，若以電荷3X1－6庫侖計(jì),，則充電電壓可達(dá)5～25kV。人體的靜電放電模型可用電阻和電容的串聯(lián)來模擬,，設(shè)人體電阻R=500Ω,，人體電容C=300pF，人體帶靜電電壓U=10kV,，則靜電所含能量為：W=1/2（CU2）＝15（mJ）盡管靜電電壓高達(dá)10kV,，能量僅15mJ，對(duì)人體沒傷害,，但當(dāng)人手去觸摸設(shè)備的金屬部分時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花放電,，瞬間的脈沖峰值很高,，很可能對(duì)電子電路產(chǎn)生干擾或破壞,。本例中放電電流的峰值為：IP≈U／R=20（A）；放電時(shí)間很短,，可近似為：Td≈RC＝150（ns）,，這對(duì)于MOS電路來說，則將受到致命打擊,。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。兩種破壞可能在一個(gè)設(shè)備中同時(shí)發(fā)生,，例如,，絕緣擊穿可能激發(fā)大的電流，這又進(jìn)一步導(dǎo)致熱失效,。

二,、電子產(chǎn)品的靜電放電測(cè)試及相關(guān)要求,隨著電子產(chǎn)品的復(fù)雜程度和自動(dòng)化程度越來越高，電子產(chǎn)品的ESD敏感度也越高,，電子產(chǎn)品抵御ESD干擾的能力已經(jīng)成為電子產(chǎn)品質(zhì)量好壞的一個(gè)重要因素,。那么如何來衡量電子產(chǎn)品抗ESD干擾的能力？通過ESD抗擾度試驗(yàn)可以檢測(cè)這種能力,。為此越來越多的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)將ESD抗擾度試驗(yàn)作為推薦或強(qiáng)制性內(nèi)容納入其中,。電子設(shè)備的ESD抗擾度試驗(yàn)也作為電子設(shè)備電磁兼容性測(cè)試一項(xiàng)重要內(nèi)容列入國家標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)。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)ESD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（idtIEC61000-4-2:1995）：《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)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),。

 三、常用的瞬態(tài)抑制保護(hù)電路有以下幾種

 箝位二極管保護(hù)電路：使用2只二極管的目的是為了同時(shí)抑制正,、負(fù)極性的瞬態(tài)電壓,。瞬態(tài)電壓被箝位在V++VPN~V--VPN范圍內(nèi),，串聯(lián)電阻擔(dān)負(fù)功率耗散的作用。利用現(xiàn)有電源的電壓范圍作為瞬態(tài)電壓的抑制范圍,，二極管的正向?qū)娏骱痛?lián)電阻的阻值決定了該電路的保護(hù)能力,。本電路具有*的保護(hù)效果，同時(shí)其代價(jià)低廉,，適合成本控制比較嚴(yán),、靜電放電強(qiáng)度和頻率不十分嚴(yán)重的場(chǎng)合壓敏電阻保護(hù)電路：壓敏電阻的阻值隨兩端電壓變化而呈非線性變化。當(dāng)施加在其兩端的電壓小于閥值電壓時(shí),，器件呈現(xiàn)無窮大的電阻,；當(dāng)施加在其兩端的電壓大于閥值電壓時(shí)，器件呈現(xiàn)很小電阻值,。此物理現(xiàn)象類似穩(wěn)壓管的齊納擊穿現(xiàn)象,，不同的是壓敏電阻無電壓極性要求。使用壓敏電阻保護(hù)電路的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單,、經(jīng)濟(jì),、瞬態(tài)抑制效果好、對(duì)電路帶來的負(fù)面影響甚微,，且可以獲得較大的保護(hù)功率,。穩(wěn)壓管保護(hù)電路：背對(duì)背串接的穩(wěn)壓管對(duì)瞬態(tài)抑制電路的工作原理是顯而易見的。當(dāng)瞬態(tài)電壓超過V1的穩(wěn)壓值時(shí),，V1反向擊穿,，V2正向?qū)ǎ划?dāng)瞬態(tài)電壓是負(fù)極性時(shí),，V2反向擊穿,，V1正向?qū)ā⑦@2只穩(wěn)壓管制作在同一硅片上就制成了穩(wěn)壓管對(duì),，使用更加方便,。TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）二極管：這是zui近發(fā)展起來的一種固態(tài)二極管，適用用于ESD保護(hù),。一般選擇工作電壓大于或等于電路正常工作電壓的器件,。TVS二極管是和被保護(hù)電路并聯(lián)的，當(dāng)瞬態(tài)電壓超過電路的正常工作電壓時(shí),，二極管發(fā)生雪崩,，為瞬態(tài)電流提供通路，使內(nèi)部電路免遭超額電壓的擊穿或超額電流的過熱燒毀,。由于TVS二極管的結(jié)面積較大,，使得它具有泄放瞬態(tài)大電流的優(yōu)點(diǎn)，具有理想的保護(hù)作用。但同時(shí)必須注意,，結(jié)面積大造成結(jié)電容增大,，因而不適合高頻信號(hào)電路的保護(hù)。改進(jìn)后的TVS二極管還具有適應(yīng)低壓電路(＜5V )的特點(diǎn),，且封裝集成度高,，適用于在印制電路板面積緊張的情況下使用。這些特點(diǎn)決定了它有廣泛的適用范圍,，尤其在便攜設(shè)備的接口電路中有很好的使用價(jià)值,。

結(jié)語

ESD是造成電子產(chǎn)品工作失常或功能失效的一個(gè)重要原因,，隨著技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品的復(fù)雜程度的提高,，ESD對(duì)電子產(chǎn)品的危害也越來越被大家重視。從產(chǎn)品要求的整體情況來看,，目前出口的電子產(chǎn)品大多數(shù)對(duì)ESD抗擾性有要求,，達(dá)不到要求者被視為不合格產(chǎn)品，是被進(jìn)口國禁止銷售的,；國內(nèi)大多數(shù)產(chǎn)品及產(chǎn)品族標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品的抗ESD特性沒有強(qiáng)制要求,，但這并不是說ESD抗擾性不重要,，電子產(chǎn)品的ESD抗擾性直接關(guān)系到該產(chǎn)品的適用環(huán)境（ESD抗擾性低的產(chǎn)品不適用于相對(duì)濕度低的環(huán)境使用）,，產(chǎn)品的性能（ESD抗擾性低的產(chǎn)品不可避免會(huì)影響產(chǎn)品的性能指標(biāo)），產(chǎn)品的售后服務(wù)（ESD抗擾性低的產(chǎn)品容易損壞,，不可避免的增加了產(chǎn)品的售后服務(wù)成本）,，產(chǎn)品的品牌形象（ESD)抗擾性低的產(chǎn)品容易出現(xiàn)工作失常和損壞，用戶會(huì)認(rèn)為這樣的產(chǎn)品不會(huì)是好產(chǎn)品）等,，所以內(nèi)銷產(chǎn)品的生產(chǎn)商也逐漸重視產(chǎn)品的ESD抗擾性,，從而提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。希望本文能對(duì)關(guān)心電子產(chǎn)品的靜電放電抗擾性的生產(chǎn)廠家和設(shè)計(jì)人員有所幫助,，同時(shí)也引起那些對(duì)靜電放電抗擾性不太了解的生產(chǎn)廠家和設(shè)計(jì)人員的重視,。