作者：卜建平

    現(xiàn)在，靜電已成了人們的親密“伴侶”，對這種放電現(xiàn)象已經(jīng)習(xí)慣，盡管它有時(shí)給人們帶來不適，但這一切對人體來說并沒有產(chǎn)生什么直接的危害。但對于電子設(shè)備而言卻不同了，半導(dǎo)體器件的高密度、高增益對靜電放電越來越敏感，MOS 電路的擊穿僅為100 V，而新的器件僅為30 V 左右。靜電放電(ESD)的危害性及靜電防護(hù)的重要性，在現(xiàn)代電子制造業(yè)，越來越被人們所重視。事實(shí)上，ESD有關(guān)的損害繼續(xù)給世界的電子制造工業(yè)帶來每年數(shù)十億美元的代價(jià)。

　　靜電產(chǎn)生的原因

　　我們知道，物質(zhì)都是由分子組成，分子是由原子組成，原子中有帶負(fù)電的電子和帶正電的質(zhì)子組成。在正常狀況下，一個(gè)原子的質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)量相同，正負(fù)平衡，所以對外表現(xiàn)出不帶電的現(xiàn)象。但是電子環(huán)繞于原子核周圍，一經(jīng)外力即脫離軌道，離開原來的原子而進(jìn)入其他的原子，使原子因缺少電子數(shù)而帶有正電現(xiàn)象，另外的原子因增加電子數(shù)而呈帶負(fù)電現(xiàn)象。這種物體表面所帶過剩或不足的相對靜止不動電荷，稱之為靜電。引起靜電的方式通常有固體起電、感應(yīng)起電、摩擦起電、人體帶電等等。

　　人體帶電主要有三種形式。一是接觸分離帶電，即人在活動中衣服之間，與外界物質(zhì)之間的摩擦，鞋與地面接觸分離。二是感應(yīng)帶電;三是吸附帶電，當(dāng)人體在具有帶電微粒空間活動時(shí)，由于帶電微粒被人體所吸附，使人體帶電。某些外界因素對靜電產(chǎn)生的影響非常大，最主要的要數(shù)人體和濕度了。

　　人為因素

　　由于人在不停地運(yùn)動,人的身體很容易帶上靜電荷;人的皮膚、頭發(fā)和身體這樣的絕緣材料會儲存相當(dāng)大數(shù)量的靜電荷;由于人在操作，會將人體的靜電傳輸(發(fā)射)電荷到元器件或設(shè)備上。

　　低濕度(空氣干燥)

　　濕度對靜電的積累和消散的影響很大，濕度較低時(shí)，靜電電位高;濕度較高時(shí)，靜電電位低。這主要因?yàn)闈穸容^高時(shí)，絕緣材料表面吸附了水分子(有時(shí)還有導(dǎo)電雜質(zhì))而降低了絕緣，便于靜電泄漏。不同物質(zhì)受濕度影響不同，吸濕性大的，容易被水份潤濕，受濕度影響較大;吸濕性小，受濕度影響也小。如玻璃表面，易被水潤濕，而石蠟、聚四氟乙烯等不易被水潤濕的物質(zhì)，受濕度的影響較小。

　　所接觸的材料類型

　　不同的材料產(chǎn)生靜電的大小不一樣，特別是合成材料、普通塑料和絕緣體更容易產(chǎn)生或存儲靜電。

　　靜電放電(ESD)

　　所謂靜電放電，指具有不同靜電電位的物體，由于直接接觸或靜電感應(yīng)引起物體間的靜電電荷轉(zhuǎn)移。這是在靜電場的能量達(dá)到一定程度后，擊穿其間介質(zhì)而進(jìn)行放電的現(xiàn)象。

　　靜電在電子工業(yè)中的危害

　　靜電放電對人體的影響似乎并不明顯，但在電子元件的生產(chǎn)過程中，或在電子產(chǎn)品的安裝、調(diào)試及檢驗(yàn)過程中，如不消除靜電，將會影響生產(chǎn)或降低產(chǎn)品質(zhì)量。尤其是半導(dǎo)體器件和微電路生產(chǎn)行業(yè)，由于靜電放電更會引起器件失效。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子、郵電通訊、航天航空等高新產(chǎn)業(yè)的迅速崛起，尤其需求電子儀器儀表和設(shè)備等電子產(chǎn)品日趨小型化，多功能及智能化。高密度集成電路(如 MCU)已成為電子工業(yè)對上述要求中不可缺少的器件。這種器件具有線間距短、線細(xì)、集成度高、運(yùn)算速度快、低功率、低耐壓和輸入阻抗高的特點(diǎn)，因而導(dǎo)致這類器件對靜電越來越敏感。靜電放電(ESD)的能量，對傳統(tǒng)的電子元件的影響甚微，人們不易覺察，但是這些高密度集成電路元件中，不論是MOS 器件，還是雙極型器件都可能因靜電電場和靜電放電電流引起失效，或者造成難以被人們發(fā)現(xiàn)的"軟擊穿"現(xiàn)象，給整機(jī)留下潛在的隱患，直接影響著電子產(chǎn)品的質(zhì)量、壽命、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

　　靜電放電引起的元器件擊穿損害是電子工業(yè)最普遍、最嚴(yán)重的靜電危害，它分即時(shí)失效和延時(shí)失效。

　　即時(shí)失效是一次性造成元器件介質(zhì)擊穿、燒毀或永久性失效。延時(shí)失效是造成器件的性能劣化或參數(shù)指標(biāo)下降，也就是說即使產(chǎn)品已經(jīng)通過了所有的檢驗(yàn)和測試，仍然有可能在送到客戶手中后失效。

　　下面是引起失效的的幾種情況：

　　對PN 結(jié)造成軟擊穿，產(chǎn)品可靠性下降;

　　芯片內(nèi)單晶硅金屬鍍模擊穿，產(chǎn)品廢品率上升;

　　芯片內(nèi)引線擊穿使產(chǎn)品廢品率上升。

　　電子元件與ESD電壓損害的關(guān)系

　　不同的器件對靜電放電(ESD)敏感程度不同。這種差別是由于器件的設(shè)計(jì)和摻入器件內(nèi)的雜質(zhì)成分不同而造成的。常見的元件與ESD電壓損害關(guān)系見表1。

　　從表1可以看出，VMOS 器件是對靜電較敏感的器件之一，通常將這類器件稱為靜電敏感元件(SSD)。將30V稱為靜電安全電壓。

　　人是電子產(chǎn)品生產(chǎn)工作中的主體，由于人體的不停運(yùn)動，加上人與地板、衣服等其他物體之間的摩擦、接觸與分離，是主要的靜電源，人體因各種活動而產(chǎn)生的靜電電壓約 0.5~2kV，在濕度較低的環(huán)境中，其靜電電壓會增加10多倍。

　　靜電對家電制造的影響以及設(shè)計(jì)預(yù)防

　　可以說靜電是無處不在，這樣就對家電制造提出了較高要求。

　　機(jī)器產(chǎn)生的靜電，我們可以通過讓機(jī)器接地，這樣可以有效解決機(jī)器產(chǎn)生的靜電對制造中家電的損壞。

　　對于人為產(chǎn)生的靜電，可以查找到其產(chǎn)生的源頭，從而從源頭上解決。我們的思路很簡單，就是給源頭靜電提供一個(gè)泄放通道，讓其能夠在到達(dá)敏感元件前將靜電消耗掉。通過分析以及實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，最容易受到靜電損傷的是MCU，而且危害也最大，一旦損壞，則整個(gè)家電都失去功效。所以我們一般會針對MCU采取以下一些簡單方法來解決靜電。

　　RC電路或者單電阻、單電容電路

　　我們知道，電阻是耗能元件，那么在靜電的通路上放置一個(gè)合適大小的電阻將是一個(gè)理想的選擇，而且成本也不高。

　　該電路(圖1)的設(shè)計(jì)思路就是將抗靜電能力強(qiáng)的元器件放置在靜電高的地方，將抗靜電能力弱的元器件遠(yuǎn)離靜電源，MCU放置在靜電敏感器件端。

　　單二極管電路

　　對于部分電路，在通路上增加電阻可能會影響其固有功能的，可以采用對電源上拉或者下拉一個(gè)二極管(圖2)。我們知道，靜電是非常快速的，所以要求這個(gè)二極管反應(yīng)速度也要快，否則，起不到泄放靜電的作用。我們通常使用性價(jià)比比較高的IN4148(當(dāng)然采用TVS管效果會更好，不過成本需要高一些)。

　　RCD電路

　　對于靜電較大，或者希望達(dá)到更高的抗靜電能力的，可以采用RCD(電阻、電容、二極管組合)電路(圖3)，但該電路成本比上面兩種要高。

　　除了在電路上采取一些措施外，我們還可以在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)，在PCB板上采取些措施：

　　地線采用單點(diǎn)共地的方式;

　　如果可能，盡量每一個(gè)信號線附近都有地線，這樣方便通過寄生電容來釋放靜電;

　　靜電一般都是尖端放電，所以可以在電路中故意設(shè)置一個(gè)銳角走線，然后在此銳角處設(shè)計(jì)靜電防護(hù);其它走線盡量寬而短;

　　在線路上有意的預(yù)留一些安裝電阻、電容位置，在生產(chǎn)中無法消除靜電時(shí)，增加電阻、電容等消除靜電。

　　結(jié)語

　　靜電是無處不在的，其時(shí)時(shí)刻刻都影響著我們的生活，包括我們的身體、產(chǎn)品;只有我們充分認(rèn)識了靜電，才能避免其造成的影響，甚至可以利用其為我們服務(wù)。