靜電危害分析及預(yù)防措施

丁 濤

（新疆空管局，烏魯木齊 830016）

隨著科技進(jìn)步，高分子材料、大規(guī)模集成電路廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)，靜電帶來(lái)的危害日趨凸顯。在生活生產(chǎn)中最主要的靜電源是人體所攜帶的靜電，由于人體自身動(dòng)作或與物體摩擦可以存儲(chǔ)成千上萬(wàn)伏的靜電，碰到放電體就發(fā)生ESD，產(chǎn)生寬頻帶電磁輻射干擾，干擾電子設(shè)備或儀器儀表、放電電流致使電子元件失效甚至損傷，也可能引發(fā)危險(xiǎn)品事故[1-3]。在航空航天工業(yè)中，ESD、電子電氣（EOS）、電磁干擾（EMI）和電磁兼容（EMC）對(duì)于飛機(jī)、飛船和衛(wèi)星都是十分重要的。靜電防護(hù)的本質(zhì)是降低靜電電荷累積和安全泄放問(wèn)題。

1 靜電問(wèn)題及典型放電事件

靜電放電（ESD）是過(guò)電應(yīng)力的一個(gè)分類(lèi)，會(huì)導(dǎo)致器件立即失效、永久的參數(shù)改變，以及引起退化EMI、ESD加速潛在損傷。其至少由3種因素之一引起：局部發(fā)熱，高電流密度和高電場(chǎng)梯度，或幾安培電流的持續(xù)存在將能量轉(zhuǎn)移到器件結(jié)構(gòu)中導(dǎo)致?lián)p壞。ESD危害元器件的常見(jiàn)形式包括人體對(duì)器件放電、機(jī)器對(duì)器件放電，都會(huì)瞬間導(dǎo)致器件損壞。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)靜電放電的損害約10%造成電子元器件當(dāng)時(shí)失效，而90%會(huì)造成積累效應(yīng)。通常，一次ESD元件內(nèi)部會(huì)存在輕微損傷，隨著ESD次數(shù)的增加，積累效應(yīng)越來(lái)越明顯，最終導(dǎo)致元件失效。有些靜電損傷現(xiàn)象很難區(qū)別于其他原因造成的損傷，掩蓋了失效的真正原因。

電纜放電事件（Cable Discharge Event，CDE）正成為不同規(guī)模系統(tǒng)日益關(guān)注的事件。CDE事件是可控制的，在大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，在電纜與系統(tǒng)電連接之前，通過(guò)嚴(yán)格的步驟并使用防靜電手環(huán)和“觸摸板”按鈕對(duì)電纜進(jìn)行放電。ESD和EMI均是系統(tǒng)級(jí)需要關(guān)注的問(wèn)題，帶電電纜放電是電氣系統(tǒng)需要關(guān)注的問(wèn)題。電纜作為傳輸線，即具有電容特性、電感特性。儲(chǔ)存在電纜中的電荷可通過(guò)單位長(zhǎng)度的儲(chǔ)存電容量來(lái)計(jì)算。隨著電纜長(zhǎng)度的增加，電纜儲(chǔ)存電荷數(shù)量也隨之增加。在未連接插座的電纜中，電荷隔著絕緣層儲(chǔ)存于中心導(dǎo)體和外層導(dǎo)體之間。當(dāng)絕緣層兩側(cè)電壓超過(guò)其擊穿電壓時(shí)，外層與內(nèi)層導(dǎo)體之間就會(huì)放電。若絕緣層2側(cè)電壓一直低于其擊穿電壓，那么儲(chǔ)存的電荷將繼續(xù)保留在電纜中，使電纜帶電。當(dāng)帶電電纜中心導(dǎo)體接近某系統(tǒng)時(shí)，中心導(dǎo)體和電氣系統(tǒng)的輸入端就會(huì)發(fā)生電弧放電。當(dāng)電纜對(duì)系統(tǒng)級(jí)輸入端放電時(shí)，將產(chǎn)生大電流并流入信號(hào)引腳，導(dǎo)致集成在系統(tǒng)器件內(nèi)部的半導(dǎo)體芯片發(fā)生互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）閂鎖效應(yīng)。

計(jì)算機(jī)房的防靜電技術(shù)，是屬于機(jī)房安全與防護(hù)范疇的一部分。靜電放電產(chǎn)生的原因在于帶電物體周?chē)a(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)超過(guò)了周?chē)渌橘|(zhì)的絕緣體，同時(shí)還擊穿了這些介質(zhì)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。靜電不僅會(huì)使計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)隨機(jī)故障、誤動(dòng)作或運(yùn)算錯(cuò)誤，而且還可能會(huì)導(dǎo)致某些元器件，如CMOS、金屬半場(chǎng)效晶體管（MOS）電路及雙級(jí)性電路等的擊穿和毀壞。靜電還會(huì)造成網(wǎng)卡、傳真等工作失常，打印機(jī)的打印不正常等故障。靜電引起的問(wèn)題不僅硬件人員很難查出，有時(shí)還會(huì)使軟件人員誤認(rèn)為是軟件故障，從而造成工作混亂。

在靜電放電的過(guò)程中，電磁輻射在電子元件中會(huì)產(chǎn)生干生電流導(dǎo)致元件的極性發(fā)生翻轉(zhuǎn)，還會(huì)產(chǎn)生一定的電磁雜波，雖然對(duì)設(shè)備硬件帶來(lái)的損傷較小，但是對(duì)電路處理會(huì)帶來(lái)較大的影響，導(dǎo)致通信設(shè)備間接性失效以及數(shù)據(jù)丟失[4]。

靜電放電產(chǎn)生電磁場(chǎng)，近距離會(huì)有較大的寄生電容和較小的耦合阻抗，更容易被干擾。CPU散熱器容易成為對(duì)主IC干擾的“路徑”，如圖1所示。

圖1 靜電干擾CPU

放電點(diǎn)1和放電點(diǎn)2，都可以通過(guò)寄生電容C1和C4耦合到散熱器上，散熱器上面的靜電又會(huì)通過(guò)C3和C2耦合到CPU內(nèi)部和引腳上面，以及外圍布線。CPU的引腳對(duì)于高頻干擾來(lái)說(shuō)，阻抗很大，將產(chǎn)生脈沖電壓會(huì)造成CPU邏輯翻轉(zhuǎn)。

2 靜電相關(guān)因素

2.1 靜電載體

當(dāng)物體之間互相摩擦、碰撞或發(fā)生電場(chǎng)感應(yīng)時(shí)，都會(huì)引起物體表面的電荷積聚產(chǎn)生靜電。人體是一種特殊的靜電載體，是一種最典型的靜電危險(xiǎn)源。人體行走或者與其他物體摩擦導(dǎo)致電荷積累，積聚在人體上的電荷稱為人體靜電。干燥的季節(jié)，人體靜電可達(dá)幾千伏甚至幾萬(wàn)伏，低電壓靜電不會(huì)對(duì)人體有什么害處，但過(guò)大就有可能會(huì)造成嚴(yán)重危害。當(dāng)人體與大地絕緣時(shí)，人體就好像電容。當(dāng)環(huán)境干燥濕度低于30%時(shí)，人體對(duì)地電阻很大，更容易積聚靜電。在電位小于等于50 kV時(shí)放電而形成的火花，瞬時(shí)輸出功率可高達(dá)幾十千瓦[5]。人體正常速度行走靜電積累情況如圖2所示。

圖2 人體正常速度行走靜電積累情況

2.2 環(huán)境靜電

環(huán)境靜電只受相對(duì)濕度影響。環(huán)境濕度對(duì)人體靜電積聚有很大影響，增大濕度會(huì)顯著減小人體靜電的最大電位?？諝鉂穸却髸r(shí)，服裝表面會(huì)形成一層水膜，水膜溶解空氣中的CO等物質(zhì)形成導(dǎo)電水溶液，人體積聚的電荷消散很快[6]。在高濕度條件下，物體表面凝結(jié)或吸附一層薄薄的水膜增強(qiáng)了材料的導(dǎo)電性[5]，濕度（RH）對(duì)靜電感應(yīng)電壓的影響見(jiàn)表1。

表1 分光測(cè)色儀測(cè)試結(jié)果

表1 濕度對(duì)靜電感應(yīng)電壓的影響 V

2.3 半導(dǎo)體器件靜電敏感度等級(jí)

靜電放電使人體僅僅感覺(jué)不舒服并無(wú)大礙，但電子元器件絕大多數(shù)均對(duì)靜電敏感，ESD會(huì)影響電子產(chǎn)品質(zhì)量。因此對(duì)半導(dǎo)體元器件的靜電放電敏感（ESDS）有專(zhuān)項(xiàng)要求，GJB 1649—93《電子產(chǎn)品防靜電放電控制大綱》規(guī)定ESDS的分類(lèi)，見(jiàn)表2。

表2 常見(jiàn)半導(dǎo)體器件靜電敏感度閾值 V

2.4 ESD模型

靜電放電ESD（Electro Static Discharge），是指具有不同靜電電位的物體相互靠近或直接接觸時(shí)所引起的電荷轉(zhuǎn)移。靜電放電是一個(gè)復(fù)雜多變的過(guò)程，人們通過(guò)研究靜電產(chǎn)生原因、放電特性，生產(chǎn)出各種ESD模擬器，可以直觀地進(jìn)行靜電放電實(shí)驗(yàn)和抗靜電檢測(cè)與評(píng)估。目前IEC國(guó)際電工委員會(huì)對(duì)這些ESD模型都給出了相應(yīng)的電路參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)方法。由于人體是主要的靜電危險(xiǎn)源，下面僅對(duì)人體靜電模型作以下介紹。

人體放電模型（Human Body Model，HBM）。這種模型用于表示帶電人體放電時(shí)與器件或物體的相互作用。模型假設(shè)人體帶電為初始狀態(tài)，然后用手指接觸了器件或物體，帶電人體與器件或物體的物理接觸使得兩者之間發(fā)生了電流轉(zhuǎn)移。HBM事件的特征時(shí)間與模擬人體的電子元器件有關(guān)。在HBM標(biāo)準(zhǔn)中，模擬帶電人體的電路元件是一個(gè)與1 500 Ω電阻器串聯(lián)的100 pf電容器，等效電路模型包括1個(gè)電容和1個(gè)電阻。這個(gè)電路有特征上升時(shí)間和延遲時(shí)間[7]。特征延遲時(shí)間與下列電路時(shí)間相關(guān)

式中：RHBM是串聯(lián)電阻；CHBM是充電電容，τ是充電電源的特征時(shí)間。人體放電模型（HBM）的脈沖波形如圖3所示，等效電路模型如圖4所示。

圖3 人體放電模型（HBM）的脈沖波形

圖4 人體模型（HBM）等效電路模型

3 靜電的預(yù)防辦法

3.1 接地

對(duì)于生產(chǎn)環(huán)境來(lái)說(shuō)，在適當(dāng)位置有一個(gè)有效的接地及連接系統(tǒng)，以避免有害的靜電放電（ESD）失效非常重要，ANSI/NFPA 70《美國(guó)國(guó)家電氣規(guī)范》等為正確接地提供了指導(dǎo)。在ESD防護(hù)工作區(qū)，建立“公共接地點(diǎn)”用于ESD防護(hù)工作臺(tái)面、ESD防護(hù)墊、桌子抽屜、固定裝置和人員的接地。為驗(yàn)證“公共接地點(diǎn)”的符合性，需要使用交流電插座分析儀、交流電路測(cè)試儀。作為驗(yàn)證ESD安全區(qū)的一種手段，人員接地點(diǎn)與公共接地點(diǎn)之間的連接及電插座必須經(jīng)過(guò)檢查以防失效。等電位連接對(duì)于消除2個(gè)物體間的靜電放電也很重要。當(dāng)操作者區(qū)域的所有物體和敏感零部件處于等電位時(shí)，就不會(huì)發(fā)生ESD事件。靜電接地是靜電泄放的主要方法，而且是最簡(jiǎn)單有效的方法，接地/等電位連接要求見(jiàn)表3。優(yōu)先選擇電源保護(hù)接地系統(tǒng)，既沒(méi)有電源保護(hù)接地系統(tǒng)又沒(méi)有功能接地裝置可利用時(shí)，應(yīng)使ESD電子產(chǎn)品、人員和其他導(dǎo)體進(jìn)行等電位連接。

表3 接地/等電位連接要求

3.2 使用人體靜電消除器釋放靜電

靜電防護(hù)是在有效降低靜電累積基礎(chǔ)上的安全泄放。根據(jù)人體放電模型，放電時(shí)間（t≤1 s）9 000 V靜電壓人體放電沖擊程度，手腕和胳膊感覺(jué)到疼痛和感到麻痹，對(duì)敏感器件放電太快也易受ESD損害。放電慢（t≥1 s）靜電泄放緩慢，高電壓對(duì)敏感器件造成損傷。試驗(yàn)證明放電電壓釋放至100 V所需時(shí)間t=1 s，電路是安全的[6]。人體靜電消除器如圖5所示，設(shè)計(jì)參考GB 12158—2006《防止靜電事故通用導(dǎo)則》，特點(diǎn)是設(shè)計(jì)合理的人體靜電釋放電阻，合理有效控制人體靜電釋放，延長(zhǎng)人體靜電釋放時(shí)間、降低瞬間人體靜電釋放能量。此設(shè)備使用簡(jiǎn)單安全度高，已在烏魯木齊區(qū)管中心設(shè)備大廳入口處安裝使用。設(shè)備維護(hù)人員進(jìn)入機(jī)房前手先觸摸靜電觸摸球釋放人體靜電，守好靜電防護(hù)的重要關(guān)口。

圖5 人體靜電消除器

3.3 泄漏法

調(diào)節(jié)環(huán)境濕度和抗靜電添加劑都能使靜電電荷從絕緣體上消散。增加空氣濕度，絕緣體表面電阻隨著濕度上升而變小，增強(qiáng)其導(dǎo)電性，減小絕緣體通過(guò)本身泄放電荷的時(shí)間常數(shù)，阻礙靜電的積累。濕度的允許范圍一般為保持通信機(jī)房合理的溫度18～26℃，濕度85%以下，可以減少靜電的危害。對(duì)于不導(dǎo)電或低導(dǎo)電性的物質(zhì)可加入防靜電劑，有的添加劑加入絕緣材料以后可以大幅度降低材料的電阻率，增加材料的吸濕性或離子性，減少靜電積聚。

3.4 防靜電服裝

防靜電工作服是用防靜電織物為面料而縫制的工作服，防止人體的靜電積聚。在紡織防靜電織物時(shí)，均勻地混入導(dǎo)電纖維的織物。導(dǎo)電纖維是指全部或部分使用金屬或有機(jī)物的導(dǎo)電材料或亞導(dǎo)電材料制成的纖維的總稱。防靜電工作服，通過(guò)泄漏與中和2種原理減少靜電。織物上的靜電不但可以通過(guò)導(dǎo)電纖維的電暈放電中和，接地時(shí)還可由導(dǎo)電纖維向大地泄放。防靜電工作服是對(duì)應(yīng)人體ESD的一種很好的措施，除了服裝，鞋子和手套也不可忽視，同樣需要防靜電材質(zhì)。

3.5 火花隙新技術(shù)應(yīng)用

在PCB板設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的解決方案因不再適用而被拋棄，一些新的ESD方案將被使用，比如火花隙的應(yīng)用，如圖6所示。

圖6 PCB火花隙應(yīng)用

火花隙是基于空氣擊穿原理，其可以在印制電路板（PCB）、模塊和多芯片系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。在封裝或襯底材料上，可通過(guò)緊鄰的間隔金屬線形成的金屬化圖形來(lái)制作火花隙。在陶瓷基板上實(shí)現(xiàn)的火花隙受到金屬線間距大小的限制?；鸹ㄏ兜目煽啃允侵陵P(guān)重要的，這表現(xiàn)在其放電的能力上；當(dāng)火花隙用作ESD保護(hù)電路時(shí)，其可重復(fù)性也是一個(gè)重要問(wèn)題?；鸹ㄏ兜牧硗庖粋€(gè)限制因素是其反應(yīng)時(shí)間，火花隙內(nèi)部發(fā)生的氣體放電具有納秒級(jí)的反應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，擊穿電壓也是火花隙的限制因素之一。在放電事件中，火花隙的電極會(huì)遭到電氣損壞，進(jìn)而影響其可靠性。此外，對(duì)于電磁頻率（RF）應(yīng)用而言，與擊穿、氣體電離和電離氣體的反向恢復(fù)時(shí)間相關(guān)的時(shí)間常數(shù)會(huì)大于RF電路的電路響應(yīng)時(shí)間?；鸹ㄏ兜膯?dòng)時(shí)間是碰撞和電離化時(shí)間的函數(shù)，氣體分子開(kāi)始電離的時(shí)間常數(shù)與雪崩倍增相關(guān)。氣體內(nèi)部的擊穿是由載流子加速產(chǎn)生的二次載流子的反饋所啟動(dòng)的。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著半導(dǎo)體由微電子學(xué)范疇向納電子學(xué)范疇轉(zhuǎn)變，新的問(wèn)題與不確定性相繼產(chǎn)生，一個(gè)嶄新的時(shí)代也隨之開(kāi)啟。當(dāng)進(jìn)入納米電子時(shí)代，器件尺寸變得越來(lái)越小，但對(duì)ESD現(xiàn)象的關(guān)注越來(lái)越多。本文分析了靜電產(chǎn)生的原理、防護(hù)措施，來(lái)降低靜電的危害程度，為電子產(chǎn)品質(zhì)量提供有效的保障。