靜電放電形成的機理及其對電子產(chǎn)品的危害
靜電是兩種介電系數不同的物質(zhì)磨擦時(shí)，正負極性的電荷分別積累在兩個(gè)物體上而形成。 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)，存在著(zhù)電荷流動(dòng)以抵消電壓，這個(gè)高速電量的傳送，將產(chǎn)生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場(chǎng)，這就是靜電放電。在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用過(guò)程中，操作者是的靜電源，可能積累一定數量的電荷，當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。靜電放電一般用ESD表示。
ESD會(huì )導致電子設備嚴重地損壞或操作失常。
大多數半導體器件都很容易受靜電放電而損壞，特別是大規模集成電路器件更為脆弱。靜電對器件造成的損壞有顯性的和隱性的兩種。 隱性損壞在當時(shí)看不出來(lái)， 但器件變得更脆弱， 在過(guò)壓、高溫等條件下極易損壞。ESD兩種主要的破壞機制是：由于 ESD電流產(chǎn)生熱量導致設備的熱失效；由于 ESD感應出高的電壓導致絕緣擊穿。
除容易造成電路損害外，ESD也會(huì )對電子電路造成干擾。ESD電路的干擾有二種方式。一種是傳導方式，若電路的某個(gè)部分構成了放電路徑，即ESD接侵入設備內的電路，ESD電流流過(guò)集成片的輸入端，造成干擾。ESD干擾的另一種方式是輻射干擾。即靜電放電時(shí)伴隨火花產(chǎn)生了尖峰電流， 這種電流中包含有豐富的高頻成分。從而產(chǎn)生輻射磁場(chǎng)和電場(chǎng)，磁場(chǎng)能夠在附近電路的各個(gè)信號環(huán)路中感應出干擾電動(dòng)勢。該干擾電動(dòng)勢很可能超過(guò)邏輯電路的閥值電平，引起誤觸發(fā)。輻射干擾的大小還取決于電路與靜電放電點(diǎn)的距離。ESD產(chǎn)生的磁場(chǎng)隨距離的平方衰減。ESD產(chǎn)生的電場(chǎng)隨距離立方衰減。當距離較近時(shí)，無(wú)論是電場(chǎng)還是磁場(chǎng)都是很強的。ESD發(fā)生時(shí)，在附近位置的電路一般會(huì )受到影響。ESD在近場(chǎng)，輻射耦合的基本方式可以是電容或電感方式，取決于ESD源和接受器的阻抗。在遠場(chǎng)，則存在電磁場(chǎng)耦合。與 ESD相關(guān)的電磁干擾（ EMI）能量上限頻率可以超過(guò) 1GHz。在這個(gè)頻率上，典型的設備電纜甚至印制板上的走線(xiàn)會(huì )變成非常有效的接收天線(xiàn)。 因而，對于典型的模擬或數字電子設備， ESD會(huì )感應出高電平的噪聲。一般來(lái)說(shuō)，造成損壞，ESD電火花必須直接接觸電路線(xiàn)，而輻射耦合通常只導致失常。在 ESD作用下，電路中的器件在通電條件下比不通電條件下更易損壞。
電子產(chǎn)品的靜電放電測試及相關(guān)要求
對不同使用環(huán)境、不同用途、不同ESD敏感度的電子產(chǎn)品標準對靜電放電抗擾度試驗的要求是不同的，但這些標準關(guān)于 ESD抗擾度試驗大多都直接或間接引用 GB/T17626.2-1998（IEC 61000-4-2:1995）：《電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗》這一國家電磁兼容基礎標準，并按其中的試驗方法進(jìn)行試驗。下面就簡(jiǎn)要介紹一下該標準的內容、試驗方法及相關(guān)要求。
試驗對象：
該標準所涉及的是處于靜電放電環(huán)境中和安裝條件下的裝置、系統、子系統和外部設備。
試驗內容：
靜電放電的起因有多種，但該標準主要描述在低濕度情況下，通過(guò)摩擦等因素，使操作者積累了靜電。電子和電氣設備遭受直接來(lái)自操作者的靜電放電和對臨近物體的靜電放電時(shí)的抗擾度要求和試驗方法。
試驗目的：
試驗單個(gè)設備或系統的抗靜電干擾的能力。它模擬：（1）操作人員或物體在接觸設備時(shí)的放電。（2）人或物體對鄰近物體的放電。
ESD的模擬：
下圖分別給出了ESD發(fā)生器的基本線(xiàn)路和放電電流的波形。放電線(xiàn)路中的儲能電容CS代表人體電容，現 150pF比較合適。放電電阻 Rd為330Ω，用以代表手握鑰匙或其他金屬工具的人體電阻?，F已證明，用這種放電狀態(tài)來(lái)體現人體放電的模型是足夠嚴酷的。
ESD試驗方法
該標準規定的試驗方法有兩種：接觸放電法和空氣放電法。
接觸放電法：試驗發(fā)生器的電極保持與受試設備的接觸并由發(fā)生器內的放電開(kāi)關(guān)激勵放電的一種試驗方法。
空氣放電法：將試驗發(fā)生器的充電電極靠近受試設備并由火花對受試設備激勵放電的一種試驗方法。
接觸放電是優(yōu)先選擇的試驗方法，空氣放電則用在不能使用接觸放電的場(chǎng)合中。
ESD試驗等級及其選擇：
試驗電平以最切合實(shí)際的安裝環(huán)境和條件來(lái)選擇，下表中提供了一個(gè)指導原則。表1 同時(shí)也給出了靜電放電試驗等級的優(yōu)先選擇范圍，試驗應滿(mǎn)足該表所列的較低等級。

試驗等級選擇

ESD試驗環(huán)境
對空氣放電該標準規定了環(huán)境條件：
環(huán)境溫度： 15℃~35℃、相對濕度： 30%~60%RH、大氣壓力： 86kPa~106kPa
對接觸放電該標準未規定特定的環(huán)境條件。
試驗布置
標準對試驗布置也做出了詳細的規定，圖 13 所示為臺式設備的試驗布置示意圖。
ESD試驗實(shí)施
實(shí)施部位： 直接放電施加于操作人員在正常使用受試設備時(shí)可能接觸到的點(diǎn)或面上； 間接放電施加于水平耦合板和垂直耦合板。直接放電模擬了操作人員對受試設備直接接觸時(shí)發(fā)生的靜電放電情況。間接放電則是對水平耦合板和垂直耦合板進(jìn)行放電， 模擬了操作人員對放置于或安裝在受試設備附近的物體放電時(shí)的情況。
直接放電時(shí)，接觸放電為形式；只有在不能用接觸放電的地方（如表面涂有絕緣層，計算機鍵盤(pán)縫隙等情況）才改用氣隙（空氣）放電。
間接放電：選用接觸放電方式。試驗電壓要由低到高逐漸增加到規定值。不同的產(chǎn)品或產(chǎn)品族標準對試驗的實(shí)施可能根據產(chǎn)品的特點(diǎn)有特定的規定。

試驗結果
若靜電放電測試通不過(guò)，可能產(chǎn)生如下后果：
（ 1）直接通過(guò)能量交換引起半導體器件的損壞。
（ 2）放電所引起的電場(chǎng)與磁場(chǎng)變化，造成設備的誤動(dòng)作。
電子產(chǎn)品的靜電放電對策及改進(jìn)要點(diǎn)
有很多辦法減小ESD產(chǎn)生的電磁干擾（ EMI）影響電子產(chǎn)品或設備：阻止 ESD 產(chǎn)生，阻止 EMI（本文中專(zhuān)指因 ESD產(chǎn)生的 EMI）耦合到電路或設備以及通過(guò)設計工藝增加設備固有的 ESD抗擾性。ESD通常發(fā)生在產(chǎn)品自身暴露在外的導電物體，或者發(fā)生在鄰近的導電物體上。對設備而言，容易產(chǎn)生靜電放電的部位是：電纜、鍵盤(pán)及暴露在外的金屬框架以及設備外殼上的孔、洞、縫隙等。常用的改進(jìn)方法是在產(chǎn)品 ESD 發(fā)生或侵入危險點(diǎn)，例如輸入點(diǎn)和地之間設置瞬態(tài)保護電路，這些電路僅僅在 ESD感應電壓超過(guò)極發(fā)揮作用。保護電路可以包括多個(gè)電流分流單元。有多種電路可以達到 ESD保護的目的，但選用時(shí)必須考慮以下原則，并在性能和成本之間加以權衡：速度要快，這是 ESD 干擾的特點(diǎn)決定的；能應付大的電流通過(guò)；考慮瞬態(tài)電壓會(huì )在正、負極性?xún)蓚€(gè)方向發(fā)生； 對信號增加的電容效應和電阻效應控制在允許范圍內；考慮體積因素；考慮產(chǎn)品成本因素。
我們可以從以下幾種抑制 ESD干擾的方法中選擇適用的對策：
外殼設計：
外殼在人手和內部電路間建立隔離層，阻止 ESD的發(fā)生，金屬外殼同時(shí)也是阻止 ESD 間接放電形成的輻射及傳導耦合的關(guān)鍵。一個(gè)完整的封閉金屬殼能在輻射噪聲中屏蔽電路，但由于從電路到屏蔽殼體的 ESD 副級電弧可能產(chǎn)生傳導耦合，因而一些外殼設計使用絕緣體，在絕緣殼中，放置一個(gè)金屬的屏蔽體。這種設計的好處是既可以防止因操作者對金屬外殼的直接接觸放電造成干擾， 又可以防止操作者對周?chē)矬w放電時(shí)形成的EMI耦合到內部形成干擾，同時(shí)在操作者對外殼的孔、洞、縫隙放電時(shí)給放電電流一個(gè)泄放通道，防止對內部電路直接放電。 這種做法的簡(jiǎn)化是在設備金屬外殼上涂絕緣漆或貼一層絕緣物質(zhì)，使絕緣能力大于20kV。
因為靜電會(huì )穿過(guò)孔洞、縫隙放電，所以絕緣外殼的孔洞、 縫隙與內部電路間應留有足夠的空間，2cm左右的空氣隙可以阻止靜電放電的發(fā)生。對外殼上的孔、洞、排氣口等，用幾個(gè)小孔代替一個(gè)大孔，從EMI抑制的角度來(lái)說(shuō)更好。為減小EMI噪聲，縫隙邊沿每隔一定距離處使用電連接。對金屬外殼而言， 外殼各部分之間的搭接非常重要， 若機箱兩部分之間的搭接阻抗較高， 當靜電放電電流流過(guò)搭接點(diǎn)時(shí)，會(huì )產(chǎn)生電壓降，這可能會(huì )影響電路的正常工作。
解決這個(gè)問(wèn)題的方法有兩個(gè)： 1）盡量使外殼保持導電連續，減少搭接阻抗。 2）在電路與機箱之間增加一層屏蔽，減小電路與機箱之間的電容耦合。內層屏蔽要與外殼連接起來(lái)。如果是塑料外殼， 則要求對電路的接地進(jìn)行仔細布置， 以防止放電電流感應到電路上去。 塑料外殼的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì )產(chǎn)生直接放電現象。如果塑料外殼上沒(méi)有大的開(kāi)孔，則塑料外殼能對電路起到保護作用，但塑料外殼對防止操作者對周?chē)矬w放電時(shí)耦合到內部形成干擾無(wú)抑制能力。
接地設計：
一旦發(fā)生了靜電放電， 應該讓其盡快旁路人地， 不要直接侵入內部電路。 例如內部電路如用金屬機箱屏蔽，則機箱應良好接地，接地電阻要盡量小，這樣放電電流可以由機箱外層流入大地，同時(shí)也可以將對周?chē)矬w放電時(shí)形成的騷擾導入大地，不會(huì )影響內部電路。對金屬機箱，通常機箱內的電路會(huì )通過(guò)I/O 電纜、電源線(xiàn)等接地，當機箱上發(fā)生靜電放電時(shí)，機箱的電位上升，而內部電路由于接地，電位保持在地電位附近。這時(shí)，機箱與電路之間存在著(zhù)很大的電位差。這會(huì )在機箱與電路之間引起二次電弧。 使電路造成損壞。 通過(guò)增加電路與外殼之間的距離可以避免二次電弧的發(fā)生。 當電路與外殼之間的距離不能增加時(shí)， 可以在外殼與電路之間加一層接地的金屬擋板，擋住電弧。如果電路與機箱連在一起， 則只應通過(guò)一點(diǎn)連接。 防止電流流過(guò)電路。 線(xiàn)路板與機箱連接的點(diǎn)應在電纜入口處。對塑料機箱，則不存在機箱接地的問(wèn)題。
電纜設計：
一個(gè)正確設計的電纜保護系統可能是提高系統 ESD 非易感性的關(guān)鍵。作為大多數系統中的的“天線(xiàn)” — I/O電纜特別易于被 ESD干擾感應出大的電壓或電流。從另一方面，電纜也對 ESD干擾提供低阻抗通道，如果電纜屏蔽同機殼地連接的話(huà)。通過(guò)該通道 ESD 干擾能量可從系統接地回路中釋放，因而可間接地避免傳導耦合。為減少 ESD 干擾輻射耦合到電纜，線(xiàn)長(cháng)和回路面積要減小，應抑制共模耦合并且使用金屬屏蔽。對于輸入 /輸出電纜可采用使用屏蔽電纜、共模扼流圈、過(guò)壓箝位電路及電纜旁路濾波器措施。 在電纜的兩端， 電纜屏蔽必須與殼體屏蔽連接。 在互聯(lián)電纜上安裝一個(gè)共模扼流圈可以使靜電放電造成的共模電壓降在扼流圈上，而不是另一端的電路上。兩個(gè)機箱之間用屏蔽電纜連接時(shí)， 通過(guò)電纜的屏蔽層將兩個(gè)機箱連接在一起， 這樣可以使兩個(gè)機箱之間的電位差盡量小。 這里， 機箱與電纜屏蔽層之間的搭接方式很重要。 強烈建議在電纜兩端的機箱與電纜屏蔽層之間 360°搭接。
鍵盤(pán)和面板：
鍵盤(pán)和控制面板的設計必須保證放電電流能夠直接流到地，而不會(huì )經(jīng)過(guò)敏感電路。對于絕緣鍵盤(pán)，在鍵與電路之間要安裝一個(gè)放電防護器（如金屬支架），為放電電流提供一條放電路徑。放電防護器要直接連接到機箱或機架上，而不能連接到電路地上。當然，用較大的旅鈕（增加操作者到內部線(xiàn)路的距離）能夠直接防止靜電放電。 鍵盤(pán)和控制面板的設計應能使放電電流不經(jīng)過(guò)敏感電路而直接到地。采用絕緣軸和大旋鈕可以防止向控制鍵或電位器放電?，F在， 較多的電子產(chǎn)品面板采用薄膜按鍵和薄膜顯示窗， 由于該薄膜由耐高壓的絕緣材料構成，可有效防止ESD通過(guò)按鍵和顯示窗進(jìn)入內部電路形成干擾。另外，現在大多數鍵盤(pán)的按鍵內部均有由耐高壓的絕緣薄膜構成的襯墊，可有效防止ESD的干擾。
電路設計：
設備中不用的輸入端不允許處于不連接或懸浮狀態(tài)， 而應當直接或通過(guò)適當電阻與地線(xiàn)或電源端相連通。一般來(lái)說(shuō)， 與外部設備連接的接口電路都需要加保護電路， 其中也包括電源線(xiàn)， 這一點(diǎn)往往被硬件設計所忽視。以微機為例來(lái)講，應該考慮安排保護電路的環(huán)節有：串行通信接口、并行通信接口、鍵盤(pán)接口、顯示接口等。濾波器 （分流電容或一系列電感或兩者的結合） 必須用在電路中以阻止 EMI耦合到設備。 如果輸入為高阻抗， 一個(gè)分流電容濾波器， 因為它的低阻抗將有效地旁路高的輸入阻抗， 分流電容越接近輸入端越好。 如果輸入阻抗低， 使用一系列鐵氧體可以提供濾波器， 這些鐵氧體也應盡可能接近輸入端。
在內部電路上加強防護措施。對于可能遭受直接傳導的靜電放電干擾的端口，可以在 I/O 接口處串接電阻或并聯(lián)二極管至正負電源端。MOS 管的輸入端串接 100kΩ電阻，輸出端串接 1kΩ電阻，以限制放電電流量。TTL管輸人端串接 22～100Ω電阻，輸出端串接 22～47Ω電阻。模擬管輸入端串接 100Ω～
100kΩ，并且加并聯(lián)二極管，分流放電電流至電源正或負極，模擬管輸出端串接 100Ω的電阻。在 I/O信號線(xiàn)上安裝一個(gè)對地的電容能夠將接口電纜上感應的靜電放電電流分流到機箱，避免流到電路上。 但這個(gè)電容也會(huì )將機殼上的電流分流到信號線(xiàn)上。 為了避免這種情況的發(fā)生， 可以在旁路電容與線(xiàn)路板之間安裝一只鐵氧體磁珠， 增加流向線(xiàn)路板的路徑的阻抗。 需要注意的是， 電容的耐壓一定要滿(mǎn)足要求。靜電放電的電壓可以高達數千伏。用一個(gè)瞬態(tài)防護二極管也能夠對靜電放電起到有效的保護， 但需要注意， 用二極管雖然將瞬態(tài)干擾的電壓限制住了， 但高頻干擾成分并沒(méi)有減少，該電路中一般有與瞬態(tài)防護二極管并聯(lián)的高頻旁路電容抑制高頻干擾。在電路設計及電路板布線(xiàn)方面，應采用門(mén)電路和選通脈沖。 這種輸入方式只有在靜電放電和選通同時(shí)發(fā)生時(shí)才能造成損壞。而脈沖邊沿觸發(fā)輸入方式對靜電放電引起的瞬變很敏感，不宜采用。
PCB 設計：
良好的 PCB設計可以有效地減少 ESD干擾對產(chǎn)品造成的影響，這也是電磁兼容設計中 ESD設計部分的一個(gè)重要的內容， 大家可以從那部分課程中得到詳細的指引。 對一個(gè)成品進(jìn)行電磁兼容對策時(shí)， 很難再對 PCB進(jìn)行重新設計（改進(jìn)成本太高） ，此處不再加以介紹。
軟件：
除了硬件措施外，軟件抑制方案也是減少系統鎖定等嚴重失常的有力方法。軟件 ESD 抑制措施分為兩種常用的類(lèi)別：刷新、檢查并且恢復。刷新涉及到周期性地復位到休止狀態(tài)，并且刷新顯示器和指示器狀態(tài)。 只需進(jìn)行一次刷新然后假設狀態(tài)是正確的， 其它的事就不用做了。檢查 /恢復過(guò)程用于決定程序是否正確執行，它們在一定間隔時(shí)間被激活，以確認程序是否在完成某個(gè)功能。如果這些功能沒(méi)有實(shí)現，一個(gè)恢復程序被激活。
一般 ESD對策準則：
（ 1）在易感 CMOS、MOS器件中加入保護二極管；
（ 2）在易感傳輸線(xiàn)上（地線(xiàn)在內）串幾十歐姆的電阻或鐵氧體磁珠；
（ 3）使用靜電保護表面涂敷技術(shù)，使 ESD難以機芯放電，經(jīng)證明十分有效；
（ 4）盡量使用屏蔽電纜；
（ 5）在易感接口處安裝濾波器；并將無(wú)法安裝濾波器的敏感接口加以隔離；
（ 6）選擇低脈沖頻率的邏輯電路；
（ 7）外殼屏蔽加良好的接地
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