随着科学技术的不断发展及微电子技术的迅猛进步,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,半导体、大规模和超大规模集成电路、高密度集成电路已成为电子工业中不可缺少的器件,并在各种电子设备的设计制作中得到广泛应用。这些元器件都具有其特殊的功能和特性,然而,这些高集成度的电路元件都可能因静电电场和静电放电(ESD)引起失效,导致电子设备锁死、复位、数据丢失而影响设备正常工作,使设备可靠性降低,造成损坏。因此,研究电子设备所造成的ESD危害过程或原理,避免ESD的发生,防止静电对各种电子设备的损害具有重要意义。
1 ESD的产生及特点
1.1 ESD的产生
ESD是“ElectroStaticDischarge”简写,即“静电 放电”。根据国家标准,静电放电是指“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”。简单地说,ESD是指处于不同静电电位的两个物体之间电荷的转移,亦即ESD是指带电体周围的场强超过周围介质的绝缘击穿场强时,因介质产生电离而使带电体上的静电荷部分或全部消失的现象。
ESD的产生途径,一般可分为2种情况。
1)摩擦带电。当2种不同介电常数的材料相 互摩擦时,由于摩擦运动,其中的一种材料把电荷传给了另一种材料,由此在这两种材料中产生了静电。摩擦产生的电荷大小与空气相对湿度、摩擦材料的介电常数,两种材料的相对运动速度及两者的压力等有关;
2)感应带电。感应带电就是带电荷物体的电场在其相邻的物体上造成电荷分离,靠近带电物体会出现与该电荷极性相反的感应电荷。只要物体带有电荷,就会在其周围产生静电场,就会使周围的物体感应带电。导体带电电压超过它们之间的空气或其他绝缘介质的击穿电压时,就会产生静电放电,激发出电弧火花,并伴随噼啪的爆裂声,直到两个导体接触短路或者电流低到不能维持电弧火花为止。
1.2 ESD的特点
当两个带静电的物体或一个带静电的物体与不带电的导体靠近或接触时,就会发生ESD现象。ESD的特点主要有以下两点 [1] 。
1)ESD一般是高电位、强电场,可以瞬时形成 脉冲大电流的过程;
2)ESD会产生强烈的电磁辐射形成电磁脉冲场。
2 ESD危害电子设备的机制、途径
ESD产生的放电电流及其电磁场经传导耦合和 辐射耦合进入电子设备,引起电子设备的故障或损坏,尤其是计算机芯片、集成电路等。ESD主要的破坏机制有两种:由于ESD电流产生的热量导致电路元件的热失效;由于ESD感应出高电压导致绝缘击穿。两种破坏可能在同一设备中同时发生,例如,感应电压导致绝缘击穿,同时激发大的电流,而激发的大电流又进一步导致热失效。
ESD危害电子设备途径包括:放电辐射、静电感 应、电磁感应和传导耦合等。ESD属于脉冲式干扰,它对电子电路的干扰一般取决于脉冲幅度、宽度及脉冲的能量。据有关资料报道,一般的TTL电路翻转的脉冲能量大致为32×10 -12 J。当人手接触电子设备时,静电放电所含能量约为7.5×10-3 J,通 过人体电阻(约为150Ω)放电时,放电脉冲宽度为22.5ns,瞬间的功率十分巨大,峰值高达667kJ。 有时带电电压或能量虽不很大,但由于在极短时间内起作用,其瞬间能量密度也会对器件和电路产生危害。
电子设备的大规模集成电路内部线路之间的间距短、面积小,其耐压、耐流参数必然受到影响。随着微电子技术的发展,电子电路所设计的工作电压越来越低,器件的栅极氧化膜变得更薄,因而其耐压界限很低,微小的电荷就能导致器件损坏。电子工业中,MOS器件的栅氧化膜厚度为10-7 m数量级, 100V的静电电压加在栅氧化膜上,就会产生106 kV/m的强电场,超过一般MOS场效应器件的栅氧 化膜的绝缘击穿强度(0.8～1.0)×106 kV/m,导致 MOS场效应器件的栅氧化膜被击穿,使器件失效。 即使是在电路的设计中设有保护措施,耐击穿电压远高于100V,但危险静电源的电位高达几千伏,甚至几万伏,因此,高压静电场的击穿效应给MOS电路构成了严重威胁。ESD可使器件内部极间电容立即被充到高电压,使得氧化物遭到破坏,以致造成短路、开路、击穿和金属化层的熔融现象。如:CMOS电路对静电极为敏感,其敏感度电压范围一般为0～2000V,最易因ESD导致失效。
ESD过程是电位、电流随机瞬时变化的电磁辐 射过程,主要是在极短的瞬间其放电电流对电路的感应产生噪声,以及放电电流使基准地电位如机壳 地、信号地的电位发生偏移波动,从而导致对电路正常工作的干扰。这种电磁干扰有可能引起电子产品的误动作以及信息的丢失。例如:放电火花产生的电磁干扰有可能使器件管脚电位发生翻转,使计算机程序出错或数据丢失,导致测量和控制系统失灵或发生故障。
一般因ESD损坏,造成电子元器件突发性完全失效的只占10%,表现为短路、开路以及参数的严重变化,器件完全丧失了其功能。突发性完全失效的有如下例子:MOS结构氧化层被击穿,CMOS器件触发门锁;PN结严重漏电、二次击穿、肖特基器件形成热斑、硅片局部区域熔化、电流增益显著下降、铝条损伤和铝条熔断;薄膜电阻熔断;压电晶体破碎。另外,因ESD危害的器件约有90%不会完全失效,而是潜伏下来,发生潜在性失效。亦即,ESD在器件中造成的损伤是一定的,
器件内部会出现某种程度的轻微损伤,不足以引起器件立即完全失效，器件的功能仍满足要求。若这种元器件继续带伤工作,随着ESD次数的增加,积累效应愈加明显,其损伤程度逐渐加剧,最终必将导致完全失效。潜在性失效的例子有:二极管反向电流增加、击穿电压降低、金 属电极变质;三极管EB结反向漏电流增大、β值减小、噪声系数增大、金属电极变质;双极数字电路输入漏电流增加;双极线性电路输入失调电压增大、失调电流增大;场效应管栅2源或栅2漏漏电;MOS集成电路输入或输出端与源或漏间漏电流增大、参数退化;薄膜电阻阻值漂移。
3 电子设备的ESD防护
对电子设备的ESD防护,应遵循如下所述的电子产品静电安全防护原则[1] 。
1)控制静电起电量和电荷积聚,防止危险静电源的形成,亦即抑制ESD;
2)使用静电感度低的物质,降低电子设备工作场所的危险程度;
3)采用综合防护加固技术,阻止ESD能量耦合。
针对上述3条原则,电子设备的ESD防护措施主要有如下方面。
3.1抑制ESD的形成
ESD的产生是造成电子设备ESD危害的根源, 因此,电子设备ESD的防护对策,首先要抑制ESD的形成,措施如下[1-2,4] 。
1)采用接地防止电子设备带电。将设备通过金属导线直接接地,或通过紧密结合在金属以外导体上的金属导体进行间接接地。采用这种办法,将所产生的静电迅速向大地泄漏,以防止其静电电压的上升而防止静电带电。
2)提高环境的湿度。环境的湿度影响材料导电性能和保持电荷的能力。当相对湿度增加到50%时,一般物体的静电带电量明显减少,当相对湿 度在65%以上时,大部分物体的表面电阻率都减小,使得静电电荷不易积聚。
3)提高电子设备表面的绝缘能力。人手经常接触的地方,如操作按钮、开关等元器件与机壳之间应留有一定的间隙;设备机柜表面应涂有绝缘漆或覆盖一些绝缘物质,使得静电荷不易积聚。
4)电子设备所处的工作台可采用防静电桌面、防静电垫和导电地板来保护。工作人员可通过穿防静电服,带防静电手套,防静电环接地的方法来防止静电。另外,铺设防静电地毯,能十分有效地抑制由于人体的运动而产生的静电。一般要求抗静电 地板的表面电阻为105～108 Ω。
5)在必须使用绝缘材料的场所,可使用离子 风等静电消除器,中和绝缘材料上积累的电荷,使危险静电源不能形成。
3.2 采用抗ESD设计和防护加固技术提高
电子设备的抗电磁干扰能力
从电子设备的结构设计和电路设计角度讲,常 用的抗ESD措施[3,5-6] 如下。
1)屏蔽机箱。利用金属机箱和屏蔽罩可以使放电电流局限在机箱的外表面,阻止ESD电弧以及相应的电磁场,并且保护设备免受间接放电的影响,目的是将全部静电阻隔在机箱之外。
2)孔洞/缝隙的处理。当机箱表面孔洞/缝隙不可避免时,ESD一旦发生,放电电流会顺畅的通过线路板与机箱之间的寄生电容提供的通路,对线路板造成威胁。针对这一问题,可以在线路板与机箱之间加一块屏蔽板,屏蔽板与电路地连接起来。另外,通过孔缝进入的电磁辐射也会对电路产生影响。为解决这个问题,可以通过增加缝隙深度,用多个小孔代替一个大孔,在金属构件的结合处使用电磁密封衬垫减小或消除缝隙等措施,加大电磁辐射的衰减。在结构和电气设计时,要使敏感电子器件、电路、电缆远离孔洞/缝隙。
3)信号地与机箱单点连接。如果电路与机箱连在一起,则只应通过一点连接,可防止电流流过电路,否则机箱上的电流会流进电路,造成干扰,另外,将信号地与机箱连接起来的意义还有机箱由ESD发生时,机箱的电位升高,由于线路板与机箱连接在一起,电路板的电位也同时升高,从而防止了线路板与机箱之间由于电位差而引起的二次放电。
4)对电缆的设计。ESD辐射噪声在大多数系统内的电缆上感应出高电压或电流,电缆是接收ESD辐射噪声的最大天线。电缆保护系统正确设计 与否,可能成为提高系统抗ESD干扰的能力的关键。为减小ESD辐射耦合到电缆,线长和回路面积应尽量小,电缆尽量采用屏蔽电缆。两个机箱之间通过屏蔽电缆互连时,通过电缆的屏蔽层将两个机箱连接在一起,电缆屏蔽层与机箱应尽可能采用360°搭接,以保持低阻抗。这样可以使两个机箱的 电位同升同降,防止一台机箱发生ESD时,较高的共模电压传到另一台机箱。
5)电路设计中采用添加保护电路的方法。保护电路的基本原理是,使用电压箝位电路阻止高压进入电路,同时提供大电流分流通道。ESD保护电路有多种设计方法,但选用时必须考虑以下原则:速度要快,这由ESD干扰的特点决定;能应付大的电流通过;考虑瞬态电压会在正、负极性两个方向发生;对信号增加的电容和电阻效应应控制在允许范围内;考虑体积因数;考虑产品的成本因数。较为常用的ESD保护电路有:箝位二极管保护电路、压敏电阻保护电路、稳压管保护电路、VS(瞬态电压抑制器)二极管。
6)印制电路板设计。良好的印制电路板设计在提高ESD抗扰度方面起到重要作用。在印制电路板上的引线是接收ESD辐射场的天线。与高阻抗器件相连的那些引线是接收电场的天线,而在低阻抗环路中那些引线是接收磁场的天线。为使这些天线的耦合减至最小,线的长度必须尽可能短,并且环路面积必须尽可能小。长于几厘米的线和大于几平方厘米的环面积会接收到很大的ESD噪声。
4 结语
ESD是造成各种电子仪器设备工作失常或功能 失效的一个重要原因,随着电子产品自动化和复杂度的提高,ESD对电子设备的危害日趋严重并越来越受到人们的重视。在电子产品研制、生产、调试的整个过程中,尽可能避免或减少静电的产生或ESD的发生。针对文中所指出的电子设备的ESD防护措施,需要把握电子系统整体的ESD防护架构。电子设备的ESD防护设计,是一个系统问题,在提高局部电路ESD防护能力同时,注重系统ESD防护能力的提高。