电子产品静电放电的危害

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ESD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 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：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。
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100~3000V。表1列出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。