静电产生对电路的影响以及设计预防

　静电产生的原因

　　静电

　　我们知道，物质都是由分子组成，分子是由原子组成，原子中有带负电的电子和带正电的质子组成。在正常状况下，一个原子的质子数与电子数量相同，正负平衡，所以对外表现出不带电的现象。但是电子环绕于原子核周围，一经外力即脱离轨道，离开原来的原子而进入其他的原子，使原子因缺少电子数而带有正电现象，另外的原子因增加电子数而呈带负电现象。这种物体表面所带过剩或不足的相对静止不动电荷，称之为静电。引起静电的方式通常有固体起电、感应起电、摩擦起电、人体带电等等。

　　人体带电主要有三种形式。一是接触分离带电，即人在活动中衣服之间，与外界物质之间的摩擦，鞋与地面接触分离。二是感应带电;三是吸附带电，当人体在具有带电微粒空间活动时，由于带电微粒被人体所吸附，使人体带电。某些外界因素对静电产生的影响非常大，最主要的要数人体和湿度了。

　　人为因素

　　由于人在不停地运动,人的身体很容易带上静电荷;人的皮肤、头发和身体这样的绝缘材料会储存相当大数量的静电荷;由于人在操作，会将人体的静电传输(发射)电荷到元器件或设备上。

　　低湿度(空气干燥)

　　湿度对静电的积累和消散的影响很大，湿度较低时，静电电位高;湿度较高时，静电电位低。这主要因为湿度较高时，绝缘材料表面吸附了水分子(有时还有导电杂质)而降低了绝缘，便于静电泄漏。不同物质受湿度影响不同，吸湿性大的，容易被水份润湿，受湿度影响较大;吸湿性小，受湿度影响也小。如玻璃表面，易被水润湿，而石蜡、聚四氟乙烯等不易被水润湿的物质，受湿度的影响较小。

所接触的材料类型

　　不同的材料产生静电的大小不一样，特别是合成材料、普通塑料和绝缘体更容易产生或存储静电。

　　静电放电(ESD)

　　所谓静电放电，指具有不同静电电位的物体，由于直接接触或静电感应引起物体间的静电电荷转移。这是在静电场的能量达到一定程度后，击穿其间介质而进行放电的现象。

　　静电在电子工业中的危害

　　静电的危害

　　静电放电对人体的影响似乎并不明显，但在电子元件的生产过程中，或在电子产品的安装、调试及检验过程中，如不消除静电，将会影响生产或降低产品质量。尤其是半导体器件和微电路生产行业，由于静电放电更会引起器件失效。

　　随着科学技术的飞速发展，电子、邮电通讯、航天航空等高新产业的迅速崛起，尤其需求电子仪器仪表和设备等电子产品日趋小型化，多功能及智能化。高密度集成电路(如MCU)已成为电子工业对上述要求中不可缺少的器件。这种器件具有线间距短、线细、集成度高、运算速度快、低功率、低耐压和输入阻抗高的特点，因而导致这类器件对静电越来越敏感。静电放电(ESD)的能量，对传统的电子元件的影响甚微，人们不易觉察，但是这些高密度集成电路元件中，不论是MOS 器件，还是双极型器件都可能因静电电场和静电放电电流引起失效，或者造成难以被人们发现的"软击穿"现象，给整机留下潜在的隐患，直接影响着电子产品的质量、寿命、可靠性和经济性。

　　静电放电引起的元器件击穿损害是电子工业最普遍、最严重的静电危害，它分即时失效和延时失效。

　　即时失效是一次性造成元器件介质击穿、烧毁或永久性失效。延时失效是造成器件的性能劣化或参数指标下降，也就是说即使产品已经通过了所有的检验和测试，仍然有可能在送到客户手中后失效。

　　下面是引起失效的的几种情况：

　　对PN 结造成软击穿，产品可靠性下降;

　　芯片内单晶硅金属镀模击穿，产品废品率上升;

　　芯片内引线击穿使产品废品率上升。

　　电子元件与ESD电压损害的关系

　　不同的器件对静电放电(ESD)敏感程度不同。这种差别是由于器件的设计和掺入器件内的杂质成分不同而造成的。常见的元件与ESD电压损害关系见表1。

　　从表1可以看出，VMOS 器件是对静电较敏感的器件之一，通常将这类器件称为静电敏感元件(SSD)。将30V称为静电安全电压。

　　人是电子产品生产工作中的主体，由于人体的不停运动，加上人与地板、衣服等其他物体之间的摩擦、接触与分离，是主要的静电源，人体因各种活动而产生的静电电压约0.5~2kV，在湿度较低的环境中，其静电电压会增加10多倍。

　　静电对家电制造的影响以及设计预防

　　可以说静电是无处不在，这样就对家电制造提出了较高要求。

　　机器产生的静电，我们可以通过让机器接地，这样可以有效解决机器产生的静电对制造中家电的损坏。

　　对于人为产生的静电，可以查找到其产生的源头，从而从源头上解决。我们的思路很简单，就是给源头静电提供一个泄放通道，让其能够在到达敏感元件前将静电消耗掉。通过分析以及实际生产经验总结，最容易受到静电损伤的是MCU，而且危害也最大，一旦损坏，则整个家电都失去功效。所以我们一般会针对MCU采取以下一些简单方法来解决静电。RC电路或者单电阻、单电容电路

　　我们知道，电阻是耗能元件，那么在静电的通路上放置一个合适大小的电阻将是一个理想的选择，而且成本也不高。

　　该电路(图1)的设计思路就是将抗静电能力强的元器件放置在静电高的地方，将抗静电能力弱的元器件远离静电源，MCU放置在静电敏感器件端。

　　单二极管电路

　　对于部分电路，在通路上增加电阻可能会影响其固有功能的，可以采用对电源上拉或者下拉一个二极管(图2)。我们知道，静电是非常快速的，所以要求这个二极管反应速度也要快，否则，起不到泄放静电的作用。我们通常使用性价比比较高的IN4148(当然采用TVS管效果会更好，不过成本需要高一些)。

RCD电路

　　对于静电较大，或者希望达到更高的抗静电能力的，可以采用RCD(电阻、电容、二极管组合)电路(图3)，但该电路成本比上面两种要高。

　　除了在电路上采取一些措施外，我们还可以在设计PCB板时，在PCB板上采取些措施：

　　地线采用单点共地的方式;

　　如果可能，尽量每一个信号线附近都有地线，这样方便通过寄生电容来释放静电;

　　静电一般都是尖端放电，所以可以在电路中故意设置一个锐角走线，然后在此锐角处设计静电防护;其它走线尽量宽而短;

　　在线路上有意的预留一些安装电阻、电容位置，在生产中无法消除静电时，增加电阻、电容等消除静电。

　　结语

　　静电是无处不在的，其时时刻刻都影响着我们的生活，包括我们的身体、产品;只有我们充分认识了静电，才能避免其造成的影响，甚至可以利用其为我们服务。