高可靠性泵用動力驅(qū)動系統(tǒng)靜電危害及防護措施淺析

吳 琎，祝恒洋，王志敏

(1.西安微電機研究所，西安710077；2.深圳市賽為智能股份有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是電子、IT、航空航天等技術(shù)的飛速崛起，大量的電子產(chǎn)品采用集成電路，使產(chǎn)品小型化、減小體積，且大量使用集成電路，但這些集成電路對靜電極為敏感，通常被稱為靜電敏感器件(SSD)，靜電放電(ESD)的能量對此類器件的危害是致命的[1]。而在高可靠性泵用動力驅(qū)動系統(tǒng)中，根據(jù)實際設(shè)計需求，選用了靜電敏感類器件，靜電危害是高可靠性泵用動力驅(qū)動系統(tǒng)研制及使用過程中的一大安全隱患，其造成的后果往往十分嚴重，且在靜電對高可靠性泵用動力驅(qū)動系統(tǒng)損傷后，無有效手段檢測，更加劇了其潛在的危險性。靜電可以造成元器件失效，甚至造成產(chǎn)品故障，最終造成的損失是巨大的，所以在高可靠性泵用動力驅(qū)動系統(tǒng)的研制及使用過程中，采取靜電防護措施是十分重要的。

1 靜電的產(chǎn)生機理

靜電是物體所帶相對靜止不動單極性的電荷，滯留于物體表面，是正電荷和負電荷在局部范圍內(nèi)失去平衡的結(jié)果，是通過電子或離子轉(zhuǎn)移而形成的。造成電子不平衡分布的原因是電子受外力而脫離軌道，這個外力包括各種能量(如動能、位能、熱能、化學(xué)能等)，因此在日常生活中，像接觸、摩擦、沖洗、電解、電壓、偏差、感應(yīng)等都會產(chǎn)生靜電。

2 靜電放電模型

高可靠性泵用動力驅(qū)動系統(tǒng)包含無刷直流電機與控制器，二者之間通過電纜連接?？刂破髦杏写罅康撵o電敏感器件，電機的霍爾元器件CS3075也是靜電敏感器件。

對高可靠性泵用動力驅(qū)動系統(tǒng)而言，靜電放電主要有3種模型：靜電放電的人體模型(HBM)、靜電放電的機器模型(MM)、電纜帶電放電模型(CBM)。

2.1 人體模型(HBM)

我們所見到的靜電現(xiàn)象，絕大多數(shù)是由于人的活動產(chǎn)生的，人的走動、跳躍、穿衣、脫衣、梳頭、手臂活動以及從椅子上離開等動作，隨時發(fā)生靜電起電；人穿的絕緣織物、絕緣鞋隨著人體活動會產(chǎn)生大量的靜電電荷，并在人體上積累；所產(chǎn)生的靜電電壓，足以達到損壞靜電敏感電子產(chǎn)品的能力。電子元器件靜電敏感度試驗數(shù)據(jù)如圖1所示。

表1 不同情況下產(chǎn)生的靜電電壓對比

圖1 電子元器件靜電敏感度試驗數(shù)據(jù)

2.2 機器模型(MM)

機器模型用來模擬對地絕緣的導(dǎo)體帶電后對電子元器件的作用。設(shè)備金屬外殼、金屬工具因靜電感應(yīng)充電或摩擦帶電，放電的特點是快速能量集中、電荷量大，比HBM放電速度快、破壞電壓低、危害更大。

2.3 電纜帶電放電模型(CBM)

電纜帶電的機理為摩擦、感應(yīng)、傳導(dǎo)；電纜放電途徑為傳導(dǎo)、消散、靜電放電；放電特點為電纜為孤立導(dǎo)體，需要靜電泄放途徑。電纜放電模型示意圖如圖2所示。

圖2 電纜放電模型示意圖

3 靜電的危害

3.1 靜電損傷機理

靜電能量釋放與路徑阻抗有以下3種關(guān)系：

(1)低阻抗路徑：靜電放電形成大電流，能量快速釋放，導(dǎo)致局部過熱。

(2)中阻抗路徑：靜電消散電流小，能量緩慢釋放，能量分散。

(3)高阻抗路徑：靜電高壓極化介質(zhì)，能量存儲在介質(zhì)中，先出現(xiàn)電離，然后局部擊穿，泄露電流釋放部分能量，有積累現(xiàn)象。

3.2 靜電的危害案例分析

3.2.1 產(chǎn)品故障現(xiàn)象及定位

近期，某高可靠性泵用動力驅(qū)動系統(tǒng)用控制器在與組件聯(lián)試進行通電試驗時出現(xiàn)故障，最終梳理了該控制器在整個研制過程、使用過程。控制器經(jīng)歷了如下流程：元器件采購->元器件運輸->元器件二次篩選->元器件入庫->元器件的發(fā)放->元器件電裝->產(chǎn)品調(diào)試->三防保護->線束綁扎->膠固->總裝配->熱試驗->交付。

以上試驗完成后產(chǎn)品運行正常，待控制器交付后，首次裝配與組件聯(lián)試進行加電時，控制器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)不能正常工作。最終經(jīng)過故障排查后，定位為控制器中一厚膜集成電路出現(xiàn)故障，并檢查了該厚膜集成電路內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)該電路內(nèi)部芯片燒毀，表面電源和地之間存在放電痕跡，如圖3所示。

圖3 地線與電源之間放電形貌圖

3.2.2 機理分析

通過對燒毀的厚膜集成電路進行開帽分析，可知：①電路的功率VDMOS管圖示儀測試波形顯示失效，并有過電壓燒毀痕跡。②電路內(nèi)部六非門芯片CC4069三路有過電壓燒毀痕跡，其中燒毀的三路非門中有一路僅輸入端接地，輸出端懸空。

經(jīng)分析，控制器中厚膜集成電路失效是由于電路的地線上串?dāng)_引入電壓過高，地線上串?dāng)_引入的過電壓應(yīng)力同時也使六非門CC4069內(nèi)的NMOS管柵源、漏源電壓超過電路能夠承受的反偏電壓，使NMOS管擊穿，產(chǎn)生瞬態(tài)大電流，使六非門芯片CC4069出現(xiàn)過流燒毀現(xiàn)象。

3.2.3 產(chǎn)品故障原因排查

經(jīng)過排查，控制器在交付前所有環(huán)節(jié)的操

作都在防靜電區(qū)域中進行，操作時產(chǎn)品放置在防靜電工作臺上、人員穿防靜電鞋服、戴防靜電帽及防靜電腕帶，并用離子風(fēng)機吹除絕緣體表面靜電；運輸過程進行防靜電包裝；以上環(huán)節(jié)此防靜電措施有效，防靜電控制符合要求。

而在控制器交付后與組件聯(lián)試首次通電時，存在以下防靜電控制不到位：操作人員腕帶未有效接地、控制器放置臺面未有效接地，且整個操作過程中，未使用離子風(fēng)機有效消除

絕緣體上的靜電，且試驗場地濕度在30%以下；試驗設(shè)備接地示意圖如圖4所示。

圖4 試驗設(shè)備接地示意

因此，經(jīng)過排查可知試驗臺上控制器放置臺面未有效接地、人員腕帶未有效接地，防靜電措施控制不到位，導(dǎo)致集成電路靜電燒毀，最終造成控制器故障。

3.2.4 試驗驗證

根據(jù)厚膜集成電路開帽分析情況，電路內(nèi)部地線GND對其控制電源端+12 V有放電現(xiàn)象，以此為依據(jù)，按GJB548B進行靜電試驗，其中故障復(fù)現(xiàn)試驗僅模擬了機器模型放電(MM)。

(1)對厚膜集成電路的地線GND與12V電源之間加機器模型的靜電放電試驗，示意圖如圖5所示。

(2)靜電加到5000 V，電路功能異常，電路內(nèi)部六非門CC4069損壞，高倍鏡檢未發(fā)現(xiàn)燒毀痕跡。

(3)靜電放電后對電路電源端施加電壓，從12 V開始，每次增加1 V，到19 V時出現(xiàn)CC4069燒毀，燒毀形貌圖如圖6所示；其它器件無異常。

(4)用另一只未進行靜電放電的厚膜集成電路，對電路電源端施加電壓，從12 V開始，每次增加1 V，電壓加至20 V、22 V、25 V時電路均正常。

因此，由以上試驗結(jié)果可看出，整機試驗過程中由于防靜電防護措施無效導(dǎo)致厚膜集成電路靜電損傷，并在加電啟動過程中出現(xiàn)燒毀的故障得以復(fù)現(xiàn)。

圖5 靜電放電示意圖

圖6 靜電放電后CC4069RH燒毀形貌圖

3.2.5 小結(jié)

由于組件聯(lián)試時整個操作過程中操作存在以下情況：人員腕帶未有效接地，為靜電放電的人體模型(HBM)；產(chǎn)品放置試驗臺面未有效接地，為靜電放電的機器模型(MM)；組件聯(lián)試在整個試驗過程中存在兩種靜電放電模型，都存在對產(chǎn)品內(nèi)部引入高壓靜電的風(fēng)險，對厚膜集成電路內(nèi)部造成靜電損傷，在控制器通電后厚膜集成電路失去正常的控制功能，最終導(dǎo)致控制器故障，系統(tǒng)無法正常工作。

4 靜電防護措施

要解決靜電敏感器件的靜電損傷問題，可以采取以下各種靜電防護措施：

(1)操作現(xiàn)場靜電防護：劃分防靜電工作區(qū)(EPA)，對靜電敏感器件在防靜電的工作區(qū)域內(nèi)操作；在EPA入口處應(yīng)貼掛規(guī)定的警示標識，保證進入EPA的人員能夠看到。EPA標識符號樣式如圖7所示，最小尺寸為300×150 mm，標識顏色為黃底黑色。

圖7 EPA標識符號樣式圖

(2)人體靜電防護：操作人員穿戴防靜電檢測合格的衣、帽、鞋、腕帶。

(3)操作臺靜電防護：操作臺面有效接地，防靜電工作臺墊和地墊，分別串聯(lián)1MΩ電阻軟接地。

(4)存儲運輸過程防靜電：靜電敏感器件的存儲和運輸不能在有電荷的狀態(tài)下進行，需進行防靜電包裝。

(5)濕度、溫度要求:EPA濕度控制是靜電防護的一個關(guān)鍵要素，濕度應(yīng)控制在30%～70%范圍內(nèi)；溫度應(yīng)控制在16℃～28℃。

(6)其它措施：絕緣物品與靜電敏感器件間的距離應(yīng)大于30 cm，并用離子風(fēng)機吹除絕緣體表面靜電。

(7)其它要求：禁止把塑料水杯、食品包裝袋和個人用品帶入EPA，與工作無關(guān)的絕緣物品(如紙制品、塑料制品等)應(yīng)從工作臺或放置靜電敏感器件的工作現(xiàn)場清理掉。

5 結(jié) 語

在高可靠性泵用動力系統(tǒng)的研制和使用過程中，靜電防護工作已成為一項長期的任務(wù)，任何環(huán)節(jié)的失誤或疏忽，都將對產(chǎn)品造成不可估量的危害，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品的研制失敗。只有充分認識到靜電防護的必要性，并采取正確的靜電防護措施，才能將靜電對高可靠性泵用動力系統(tǒng)產(chǎn)品帶來的危害扼殺掉，從而保證產(chǎn)品的可靠性、安全性。