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1、电子产品静电放电的危害、测试及其对策中国赛宝总部实验室电磁兼容研究与测试中心：朱文立摘要：随着电子产品自动化、智能化程度越来越高，静电放电对其危害也越来越严重，本文根据笔者实际工作经验及相关资料就静电放电形成机理、对电子产品的危害及静电放电敏感度测试、电路设计对策等提出一些观点和看法，供大家在实际使用中参考。关键词：电子产品 静电放电 测试 设计静电是人们日常生活中一种司空见惯的现象，静电的许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）却又成为电子产品和设备的一种危害，造成电子产品和设备的功能紊乱甚至部件损坏。一个操作员在正常的设备操作
2、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提高。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问题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入国家标准和国际标准。本文就ESD的形成机理、对电子产品的危害及ESD敏感度测试、电路设计对策等问题与大家共同探讨。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
3、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。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。静电源跟其它物体接触时，依据电荷中和的原则，存在着电荷流动，传送足够的电量以抵消电压。这个高速电量的传送过程中，将产生潜在的破坏电压、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ES
4、D表示。ESD会导致电子设备严重地损坏或操作失常。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，操作者是最活跃的静电源，当人体穿着绝缘材料的织物，并且其鞋也是对地绝缘的时候，人在地面上运动时，就可能积累一定数量的电荷，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 107106A，总的充电电荷约（0.15）X106库仑，人体对地的电容约150250pF，若以电荷3X106库仑计，则充电电压可达525kV。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=500，人体电容C
5、=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，但当人手去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：IPUR=20（A）；放电时间很短，可近似为：TdRC150（ns），这对于MOS电路来说，则将受到致命打击。大多数半导体器件都很容易受静电放电而损坏，特别是大规模集成电路器件更为脆弱。通常以半导体器件中管结与绝缘层被静电放电击穿的静电电压值来表示半导体器件的易损性。常见的半导体器件对静电放电的易损值为1003000V。表1列出
6、了常见器件的易损参考值。静电对器件造成的损坏有显性的和隐性的两种。隐性损坏在当时看不出来，但器件变得更脆弱，在过压、高温等条件下极易损坏。表1：常见半导体器件的ESD易损值器件类型对ESD的易损值（V）肖特基二极管肖特基TTL双极晶体管ECL可控硅JFETCMOSFETCMOSGaAsFETEPROM30025001000250038070005001500680100014070001002002503000100300100ESD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绝缘击穿。两种破坏可能在一个设备中同时发生，例如，绝缘击穿可能激发大的电
7、流，这又进一步导致热失效。除容易造成电路损害外，静电放电也极易对电子电路造成干扰。静电放电对电子电路的干扰有二种方式。一种是传导方式，若电路的某个部分构成了放电路径，即静电放电电流直接侵入设备内的电路，例如人手去触摸印制板上的轨线、管脚、设备的I/O接口端子、同轴插座的芯线等等。静电放电电流流过集成片的输入端，造成干扰。ESD干扰的另一种方式是辐射干扰。即静电放电时伴随火花产生了尖峰电流，这种电流中包含有丰富的高频成分。从而将辐射磁场和电场，磁场能够在附近电路的各个信号环路中感应出干扰电动势。由于在很短时间内发生较大的电流变化（上例中150ns内电流变化20A），所以在信号环路中产生的干扰电动
8、势很可能超过逻辑电路的阀值电平，引起误触发。辐射干扰的大小还取决于电路与静电放电点的距离。静电放电产生的磁场随距离的平方衰减。静电放电产生的电场可以被印制板上的轨线，设备的I/O线接收，从而产生干扰。电场的瞬时峰值很高可达几百至几千千伏米，但随距离立方衰减。当距离较近时，无论是电场还是磁场都是很强的。因此在静电放电位置附近的电路一般会受到影响。ESD在近场，辐射耦合的基本方式可以是电容或电感方式，取决于ESD源和接受器的阻抗。在高阻电路中，电流信号很小，信号用电压电平表示，此时电容耦合将占主导地位，ESD感应电压为主要问题。在低阻电路中，信号主要电流形式，因而电感耦合占主导地位，ESD感应电流
9、将导致大多数电路出现的问题。在远场，则存在电磁场耦合。与ESD相关的电磁干扰（EMI）能量上限频率可以超过1GHz，取决于电平、相对湿度、靠近速度和放电物体的形状。在这个频率上，典型的设备电缆甚至印制板上的走线会变成非常有效的接收天线。因而，对于典型的模拟或数字电子设备，ESD会感应出高电平的噪声。使设备产生损坏比导致它失常所必需的电压和电流要大一至两个数量级，损坏更有可能在传导耦合时产生。这就是说，造成损坏，ESD电火花必须直接触电路线，而辐射耦合通常只导致失常。在ESD作用下，电路中的器件在通电条件下比不通电条件下更易损坏。二、 电子产品的静电放电测试及相关要求从第一节的叙述中我们了解ES
10、D对电子产品的危害，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入其中。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入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 （idt IEC 610
11、00-4-2:1995）：电磁兼容 试验和测量技术 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。下面就简要介绍一下该标准的内容、试验方法及相关要求。1.试验对象：该标准所涉及的是处于静电放电环境中和安装条件下的装置、系统、子系统和外部设备。2.试验内容：ESD的起因有多种，但该标准主要描述在低湿度情况下，通过摩擦等因素，使操作者积累了静电。电子和电气设备遭受直接来自操作者的ESD和对临近物体的ESD的抗扰度要求和试验方法。对电子产品而言，因操作者的ESD造成受设备干扰或损坏的几率相对其他ESD起因大得多。并且若电子产品能提高针对因操作者的ESD抗扰性，则针对因其他因
12、素的ESD抗扰性也会有相应的提高。3.试验目的：试验单个设备或系统的抗静电干扰的能力。它模拟：（1）操作人员或物体在接触设备时的放电。（2）人或物体对邻近物体的放电。4. ESD的模拟：图1和图2分别给出了ESD发生器的基本线路和放电电流的波形。图1静电放电发生器图2静电放电的电流波形图1中高压真空继电器是目前唯一的能够产生重复与高速的放电波形的器件（放电开关）。图2是标准放电电流波形，图中Im表示电流峰值，上升时间tr=（0.71）ns。放电线路中的储能电容CS代表人体电容，现公认150pF比较合适。放电电阻Rd为330，用以代表手握钥匙或其他金属工具的人体电阻。现已证明，用这种放电状态来体
13、现人体放电的模型是足够严酷的。5.试验方法该标准规定的试验方法有两种：接触放电法和空气放电法。接触放电法：试验发生器的电极保持与受试设备的接触并由发生器内的放电开关激励放电的一种试验方法。空气放电法：将试验发生器的充电电极靠近受试设备并由火花对受试设备激励放电的一种试验方法。接触放电是优先选择的试验方法，空气放电则用在不能使用接触放电的场合中。6.试验等级及其选择：试验电平以最切合实际的安装环境和条件来选择，表2提供了一个指导原则。表2同时也给出了静电放电试验等级的优先选择范围，试验应满足该表所列的较低等级。标准中接触放电之所以可以用比较低的试验电压来进行试验，是因为接触放电有着极其陡峭的上升
14、时间，其谐波成分更丰富，对设备的考核也更严格。表2：试验等级选择接触放电空气放电安装条件环境条件等级电压kV等级电压kV抗静电材料合成材料相对湿度 %RH1212/352424/103638/5048415/10X*特殊X*特殊/注：*“X”是一个开放等级，必须在专用设备的规范中加以规定。等级的选择取决于环境等因素，对具体的产品，往往已在相应的产品或产品族标准中加以规定。7.试验环境对空气放电该标准规定了环境条件：环境温度：1535、相对湿度：30%60%RH、大气压力：86kPa106kPa对接触放电该标准未规定特定的环境条件。8.试验布置该标准对试验布置也做出了详细的规定，图3所示为台式设
15、备的试验布置示意图。在木桌上放置一个 1.6m0.8m的金属板，作为水平耦合板，可以对这个金属板直接放电。另外在距 EUT 0.1m的地方还要垂直放置一块0.5m0.5m的金属板。这块金属板与水平的金属板要相互绝缘。作为垂直耦合用。受试设备距离水平板边缘的距离不能小于0.1m。当EUT较大时，可增加一块水平耦合板，但不能搭接起来，而要距离0.3m，短边相邻，通过电阻和铜片连到公共地上。图3 台式设备静电放电布置示意图9.试验实施实施部位：直接放电施加于操作人员在正常使用受试设备时可能接触到的点或面上；间接放电施加于水平耦合板和垂直耦合板。直接放电模拟了操作人员对受试设备直接接触时发生的静电放电情况。间接放电则是对水平耦合板和垂直耦合板进行放电，模拟了操作人员对放置于或安装在受试设备附近的物体放电时的情况。直接放电时，接触放电为首选形式；只有在不能用接触放电的地方（如表面涂有绝缘层，计算机键盘缝隙等情况）才改用气隙放电。试验中一般以1次/秒的速率进行放电，以便让设备对试验来得及响应。对选定点以正极性或负极性中最敏感的极性至少施加10次单次放电。另外正式试验前可用20次/
