靜電放電對試驗任務測試設(shè)備的影響及防護

丁 磊 徐慧娟 潘 濤

（1.中國人民解放軍63601部隊，酒泉 735000；2.中國人民解放軍63620部隊，蘭州 732750）

1 引 言

隨著光電技術(shù)的快速發(fā)展，光耦器件廣泛應用于信號隔離、開關(guān)電路和驅(qū)動電路等電路集成度高的試驗任務測試設(shè)備中。測試設(shè)備的電路集成度越高，體積越小，從而導致導線間距越小，絕緣膜越薄，致使耐擊穿電壓越低。理論分析表明，試驗任務測試中存在靜電釋放（ESD）現(xiàn)象，且產(chǎn)生足夠高的電壓。例如，對測試設(shè)備進行插拔電纜、人體接觸設(shè)備的I/O端口、移動設(shè)備、靜電場及電磁干擾等所產(chǎn)生的ESD現(xiàn)象遠遠超過其擊穿電壓閾值，從而造成光耦器件擊穿或失效。

在某試驗任務發(fā)射模飛流程測試中，遠程控制臺點火按鈕按下后，靶場地面T0臺未收到遠程控制臺發(fā)出的T0時統(tǒng)信號，導致發(fā)射推遲。遠程控制臺內(nèi)部點火信號示意圖如圖1所示。

圖1 遠程控制臺內(nèi)部點火信號示意圖

試驗結(jié)果分析表明，ESD現(xiàn)象導致控制臺T0驅(qū)動支路光耦輸出發(fā)生可逆性故障，造成遠程控制臺與靶場T0的時統(tǒng)信號不通。在試驗任務測試中，如果采取的防靜電放電的安全防護措施不當，極可能出現(xiàn)因靜電放電或靜電場作用，導致電子設(shè)備失靈或產(chǎn)生誤動作。因此，試驗任務中必須高度重視靜電放電對測試設(shè)備的危害并采取合理的防護措施，以防止測試設(shè)備故障對試驗流程所產(chǎn)生的影響。

2 故障分析

2.1 光耦器件工作原理

遠程控制臺T0驅(qū)動支路光耦器件采用的是ASSR-1611型，當按下點火按鈕后，遠程控制臺內(nèi)部線性穩(wěn)壓器輸出3.3V控制電壓控制反向器內(nèi)部接通，現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）器件輸出高電壓控制反向器正向?qū)āｋ娐分泄怦钇骷_1、引腳2接通，同步點火指令輸出為500ms開關(guān)量信號，控制光耦器件輸入級紅外發(fā)光二極管工作，并光耦合到高輸出電壓檢測電路，使檢測電路閉合工作，此時整個通路閉合500ms。檢測電路由1個高速光伏二極管陣列和驅(qū)動電路組成，用于控制2個獨立的高電壓場效應管（MOS）?？刂婆_T0輸入5V電壓，由光耦器件引腳4、引腳6進入，分別通過2個MOS管至光耦器件引腳5輸出5V電壓，通路閉合的同時控制臺T0檢測到基準電壓降為0V，此時遠程控制臺發(fā)出500ms的T0信號至控制臺T0。其中，兩路MOS管在電路中起到雙冗余作用。ASSR-1611型光耦在電路中的工作原理圖如圖2所示。

圖2 ASSR-1611型光耦在電路中的工作原理圖

2.2 失效機理

靜電是一種處于靜止狀態(tài)的電荷或不流動的電荷，當電荷聚集在某個物體時就形成了靜電。當帶靜電的物體接觸到零電位物體（接地物體）或與其有電位差的物體時都會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，該過程可能會損傷元器件[1]，其損傷程度與靜電放電模式有關(guān)。

在靶場測試過程中，靜電放電對光耦器件造成損傷的主要有3種模式：人體放電模式、機器放電模式和充放電模式。

2.2.1 人體放電模式

因靶場天氣干燥，濕度不足20%，人體極易通過衣物摩擦等原因攜帶靜電，人體靜電可能經(jīng)由時統(tǒng)線傳遞至光耦引腳而進入光耦次級的MOS管內(nèi)。一般情況下，靜電場感應出的電位差不會導致器件失效，但器件管腳可能出現(xiàn)短路，引起與管腳相連的導電部分電場發(fā)生畸變，導致MOS器件的柵氧化物被擊穿[2]。當引起擊穿的能量不足以使被擊穿的電極材料熔化時，靜電放電結(jié)束后，需要經(jīng)過一個上電周期來使器件恢復至正常工作模式。人體靜電放電等效電路圖如圖3所示。

圖3 人體靜電放電等效電路圖

2.2.2 機器放電模式

大多數(shù)機器都是用金屬制造的，機器放電模型的等效電阻極小，電容相對較大，故其放電過程更短，在幾納秒到幾十納秒之間會產(chǎn)生數(shù)安培的瞬時放電電流。在金屬機器與遠程控制臺相互接觸、分離的瞬間，遠程控制臺可能會有瞬態(tài)放大電流能量被集中注入，導致其內(nèi)部集成電路的耦合器件有所損壞，機器放電模式相比于人體放電模式來說對光耦器件的破壞力會更大。放電機器靜電放電等效電路圖如圖4所示。

圖4 放電機器靜電放電等效電路圖

2.2.3 充放電模式

遠程控制臺在裝配、運輸、儲存及靶場測試過程中，由于殼體與其他材料摩擦使得其表面產(chǎn)生靜電或電荷，從而使遠程控制臺內(nèi)部集成電路積聚靜電或電荷。當遠程控制臺連接地線時，光耦器件引腳間接接地，靜電放電產(chǎn)生的微秒寬的窄脈沖在耦合器件的響應時間之內(nèi)，即使感應產(chǎn)生較低的電壓，耦合器件也可能被損壞。將攜帶靜電的電纜插到遠程控制臺插座上，內(nèi)部集成電路光耦器件受到ESD現(xiàn)象沖擊，此時放電回路的電阻幾乎為零，使得幾十安培的瞬間放電尖峰電流流入光耦器件引腳，導致產(chǎn)生的靜電放電電磁脈沖能量損壞集成電路中的光耦器件。充放電模式靜電放電等效電路圖如圖5所示。

圖5 充放電模式靜電放電等效電路圖

2.3 故障復現(xiàn)及可逆現(xiàn)象

為了驗證光耦器件靜電敏感性，試驗人員使用靜電放電發(fā)生器模擬操作人員或物體在接觸設(shè)備時產(chǎn)生的放電，以檢測光耦芯片1號、2號的抗靜電電平抗干擾能力。試驗參考靶場環(huán)境濕度參數(shù)，搭建光耦測試環(huán)境，將光耦引腳1串聯(lián)250Ω電阻后引出，將光耦引腳6與引腳4跨接后引出，同時引出光耦引腳2與引腳5。靜電測試光耦引腳接線圖如圖6所示。

圖6 靜電測試光耦引腳接線圖

先將直流電源（3.3V）接入2個光耦芯片的初級引腳1與引腳2間，次級導通，引腳5接地；再使用靜電放電發(fā)生器對光耦芯片進行測試。靜電放電測試過程如表1所示。

表1 靜電放電測試過程

對2個光耦芯片靜置約16h后進行性能測試：光耦1號次級開路，初級導通時次級不導通，未恢復；光耦2號次級短路，未恢復。試驗結(jié)果表明，2kV多次放電光耦芯片不會損壞，4kV少次放電光耦芯片產(chǎn)生不可逆損壞，2~4kV間存在可逆損壞的電壓區(qū)間。理論分析證明，靜電放電失效的原因取決于光耦器件承受外界瞬時放電應力及集成電路對地的絕緣程度。只有確定靜電放電敏感區(qū)間，才能制定合理的消除靜電措施，選擇具體的靜電放電控制流程或電路設(shè)計方案。

3 消除靜電危害

3.1 消除靜電危害的基本原則

任何靜電危害的發(fā)生，都必須同時具備3個基本要素：靜電源、耦合路徑、敏感器件。只有這3個要素同時滿足時，才能形成靜電危害。因此，只要控制3個要素中的任何一個，就能夠完全消除靜電危害。消除靜電危害的基本原則有：（1）控制靜電電荷聚積，防止危險靜電源的形成；（2）切斷靜電源和敏感器件之間的耦合路徑，減小試驗場所的潛藏危害；（3）加固或更換敏感器件，降低靜電對測試設(shè)備的損害。

3.2 消除靜電危害的措施

根據(jù)靜電安全防護原則，結(jié)合靶場技術(shù)陣地測試廠房和發(fā)射陣地測試現(xiàn)場的具體情況，按照有關(guān)標準的規(guī)定，保證靶場測試現(xiàn)場具備防靜電的設(shè)施及相關(guān)措施安排。具體消除靜電危害的措施主要有控制靜電源、切斷耦合路徑及加固或更換耦合器件等方式。

3.2.1控制靜電源

3.2.1.1 靜電接地措施

（1）測試設(shè)備良好接地。靶場技術(shù)陣地測試廠房和測試大廳墻壁上，通常設(shè)置嵌入式固定防靜電接地端，分為測試接地、產(chǎn)品接地和設(shè)備接地。設(shè)備接地是連接出來供操作人員釋放身體靜電和連接防靜電手環(huán)使用的專用地。測試期間為了保證測試設(shè)備性能正常，選擇連接設(shè)備接地端，以便于因各種原因在測試設(shè)備上形成的電荷可以直接釋放到地，從而保證測試設(shè)備接地良好。在發(fā)射陣地測試現(xiàn)場，常見防靜電接地樁有移動式和固定式兩種，根據(jù)實際使用環(huán)境決定采用相應形式。

（2）按規(guī)定穿著防靜電工作鞋、襪和工作服，戴防靜電手環(huán)。具有導電性的工作鞋、襪、衣服和防靜電手環(huán)，可以隨時隨地釋放掉人體上附著的靜電，防止絲綢或合成纖維衣料的衣服摩擦形成的靜電荷，防止靜電在衣服或人體上積累。防靜電工作鞋、襪和工作服，戴防靜電手環(huán)必須與皮膚緊密接觸，以保證其上附著的電荷可以通過人體向大地釋放。防靜電手環(huán)的選擇，應該考慮手環(huán)的舒適性、耐用性、接地線長度和接地線延展性等方面。在使用時，要按正確方法佩戴手環(huán)，手環(huán)插頭應該與手環(huán)接地點直接相連，不可與測試設(shè)備串聯(lián)接地，應確保手環(huán)接地線可靠接地。在任何情況下都不允許佩戴不接地的自感應放電式手環(huán)。

（3）設(shè)置人體靜電泄放裝置。人體靜電泄放裝置具備低阻值接地電阻通路。在工作區(qū)入口處設(shè)置人體泄放靜電的接地棒，操作人員進入工作區(qū)前、后通過觸摸接地棒釋放靜電，能夠迅速將人體靜電導向大地，防止人體帶靜電進出工作區(qū)，減少因為靜電而導致的損失。

3.2.1.2泄漏導走措施

（1）調(diào)節(jié)環(huán)境濕度。靶場的冬季和春季比較干燥，由靜電所產(chǎn)生故障的概率較大。靜電的積累和消散主要取決于周圍空氣的濕度，若濕度較低，則靜電電位高；若濕度較高，則靜電電位低。這主要是因為濕度較高時，絕緣材料表面吸附了水分子而降低了表面電阻率，增加靜電沿絕緣體表面的泄漏，帶靜電區(qū)的靜電荷則能較容易地進行中和或?qū)氪蟮亍Ｋ栽诎袌黾夹g(shù)陣地測試廠房和測試大廳應考慮保持一定的濕度。從消除靜電危害的角度考慮，保持相對濕度在70%以上較為適宜。

（2）加抗靜電添加劑?？轨o電添加劑是一種減少靜電雜質(zhì)的化學藥劑，具有很好的導電性及較強的吸濕性。在容易產(chǎn)生靜電的高絕緣材料上，加入微量抗靜電劑之后，能增加材料的吸濕性或離子性，降低材料的體電阻或表面電阻，加速靜電釋放，消除靜電危害。

（3）選用導電材料、絕緣材料制作元器件或測試設(shè)備。測試設(shè)備可采用絕緣材料制成容器內(nèi)層，襯以導電層或金屬網(wǎng)絡，并予以接地；對于易產(chǎn)生靜電的元器件，盡可能采用導電材料代替普通橡膠，加速靜電電荷的釋放。

3.2.2切斷耦合路徑

（1）安全操作。在測試現(xiàn)場，一般不得穿化纖工作服，不得攜帶/穿戴與工作無關(guān)的金屬物品，如手表、硬幣、鑰匙、戒指等；操作人員不能用手或身體各部位直接接觸測試設(shè)備的外露引線；插拔電纜或連接測試設(shè)備前，先進行釋放靜電操作；明確測試設(shè)備上電順序，設(shè)備連接好后再上電。

（2）減少摩擦。在操作測試設(shè)備時，應輕拿輕放，切忌撞擊和摩擦。在測試設(shè)備上操作，如測試設(shè)備出箱或裝箱、連接高/低頻電纜和包蓋各種罩布等均應盡量減少摩擦，最大限度地避免摩擦起電效應。

（3）測試設(shè)備接地、屏蔽。測試設(shè)備展開后，用地線串聯(lián)或并聯(lián)接在每臺設(shè)備外殼上，保證大量的電荷能通過地線釋放到地。接地良好的測試設(shè)備外殼對內(nèi)部起到屏蔽作用，對測試設(shè)備內(nèi)敏感的器件均應該采取合適的屏蔽措施。

3.2.3加固或更換耦合器件

采用兩路電磁繼電器代替一路光耦繼電器設(shè)計方案，利用電磁繼電器的電磁感應原理，通過電磁鐵的力量來控制電路通斷。在遠程控制臺上增加時統(tǒng)信號指示燈，在時統(tǒng)線纜連接T0設(shè)備的散線端上增加接線端子，并從接線端子處引出時統(tǒng)信號監(jiān)控線，監(jiān)控線連接三用表，用于時統(tǒng)信號的實時監(jiān)測。具體設(shè)計方案是將遠程控制臺T0驅(qū)動電路支路內(nèi)部FPGA通過通用輸入/輸出口（GPIO）輸出的1路脈沖信號分成3路，驅(qū)動3個三級管，當使能高電平觸發(fā)后，2路繼電器和1路LED同時導通500ms，實現(xiàn)遠程控制臺發(fā)出500ms的T0信號至控制臺T0。更改設(shè)計方案示意圖如圖7所示。

綜上所述，按照消除靜電危害的基本原則，分析靶場存在物的不安全狀態(tài)和人的不安全行為，可以對靜電危害形成的考慮更加全面、更加嚴謹，能夠準確定位靜電危害形成原因，并采取有效的管理措施和技術(shù)手段，防止靜電危害的發(fā)生。

圖7 更改設(shè)計方案示意圖

4 結(jié)束語

通過對某試驗任務中遠程控制臺T0驅(qū)動支路光耦器件失效故障和機理進行分析，確定光耦器件是在試驗測試過程中引入靜電和靜電放電所致。航天靶場各型號試驗任務都包含大量集成電路設(shè)備、計算機等ESD敏感設(shè)備，加上常年環(huán)境濕度偏低，更加誘發(fā)了靜電放電的可能。為了確保試驗任務順利進行，需要有效地消除靜電危害，為此，本文針對性地提出了靜電防護措施和改進方案，為靶場靜電防護工作提供了有益參考。