靜電影響的中心議題:
- 靜電產(chǎn)生的原因
- 靜電在電子工業(yè)中的危害
- 靜電對家電制造的影響以及設(shè)計預(yù)防
靜電影響的解決方案:
- RC電路或者單電阻、單電容電路
- 單二極管電路
- RCD電路
引言
人們對靜電現(xiàn)象并不陌生,當(dāng)你看電視接觸屏幕時會有電擊麻木的感覺;當(dāng)你脫下化纖毛衣時,可以聽到“劈啪”的放電聲,在黑暗中甚至?xí)匆娀鸹?你在日常生活中所感覺到、聽到甚至看到的其實就是靜電在放電,大自然中的雷電實質(zhì)也是一種強大的靜電放電現(xiàn)象。
現(xiàn)在,靜電已成了人們的親密“伴侶”,對這種放電現(xiàn)象已經(jīng)習(xí)慣,盡管它有時給人們帶來不適,但這一切對人體來說并沒有產(chǎn)生什么直接的危害。但對于電子設(shè)備而言卻不同了,半導(dǎo)體器件的高密度、高增益對靜電放電越來越敏感,MOS 電路的擊穿僅為100 V,而新的器件僅為30 V 左右。靜電放電(ESD)的危害性及靜電防護的重要性,在現(xiàn)代電子制造業(yè),越來越被人們所重視。事實上,ESD有關(guān)的損害繼續(xù)給世界的電子制造工業(yè)帶來每年數(shù)十億美元的代價。
靜電產(chǎn)生的原因
靜電
我們知道,物質(zhì)都是由分子組成,分子是由原子組成,原子中有帶負電的電子和帶正電的質(zhì)子組成。在正常狀況下,一個原子的質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)量相同,正負平衡,所以對外表現(xiàn)出不帶電的現(xiàn)象。但是電子環(huán)繞于原子核周圍,一經(jīng)外力即脫離軌道,離開原來的原子而進入其他的原子,使原子因缺少電子數(shù)而帶有正電現(xiàn)象,另外的原子因增加電子數(shù)而呈帶負電現(xiàn)象。這種物體表面所帶過?;虿蛔愕南鄬o止不動電荷,稱之為靜電。引起靜電的方式通常有固體起電、感應(yīng)起電、摩擦起電、人體帶電等等。
人體帶電主要有三種形式。一是接觸分離帶電,即人在活動中衣服之間,與外界物質(zhì)之間的摩擦,鞋與地面接觸分離。二是感應(yīng)帶電;三是吸附帶電,當(dāng)人體在具有帶電微??臻g活動時,由于帶電微粒被人體所吸附,使人體帶電。某些外界因素對靜電產(chǎn)生的影響非常大,最主要的要數(shù)人體和濕度了。
人為因素
由于人在不停地運動,人的身體很容易帶上靜電荷;人的皮膚、頭發(fā)和身體這樣的絕緣材料會儲存相當(dāng)大數(shù)量的靜電荷;由于人在操作,會將人體的靜電傳輸(發(fā)射)電荷到元器件或設(shè)備上。
低濕度(空氣干燥)
濕度對靜電的積累和消散的影響很大,濕度較低時,靜電電位高;濕度較高時,靜電電位低。這主要因為濕度較高時,絕緣材料表面吸附了水分子(有時還有導(dǎo)電雜質(zhì))而降低了絕緣,便于靜電泄漏。不同物質(zhì)受濕度影響不同,吸濕性大的,容易被水份潤濕,受濕度影響較大;吸濕性小,受濕度影響也小。如玻璃表面,易被水潤濕,而石蠟、聚四氟乙烯等不易被水潤濕的物質(zhì),受濕度的影響較小。
所接觸的材料類型
不同的材料產(chǎn)生靜電的大小不一樣,特別是合成材料、普通塑料和絕緣體更容易產(chǎn)生或存儲靜電。
靜電放電(ESD)
所謂靜電放電,指具有不同靜電電位的物體,由于直接接觸或靜電感應(yīng)引起物體間的靜電電荷轉(zhuǎn)移。這是在靜電場的能量達到一定程度后,擊穿其間介質(zhì)而進行放電的現(xiàn)象。
靜電在電子工業(yè)中的危害
靜電的危害
靜電放電對人體的影響似乎并不明顯,但在電子元件的生產(chǎn)過程中,或在電子產(chǎn)品的安裝、調(diào)試及檢驗過程中,如不消除靜電,將會影響生產(chǎn)或降低產(chǎn)品質(zhì)量。尤其是半導(dǎo)體器件和微電路生產(chǎn)行業(yè),由于靜電放電更會引起器件失效。
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,電子、郵電通訊、航天航空等高新產(chǎn)業(yè)的迅速崛起,尤其需求電子儀器儀表和設(shè)備等電子產(chǎn)品日趨小型化,多功能及智能化。高密度集成電路(如 MCU)已成為電子工業(yè)對上述要求中不可缺少的器件。這種器件具有線間距短、線細、集成度高、運算速度快、低功率、低耐壓和輸入阻抗高的特點,因而導(dǎo)致這類器件對靜電越來越敏感。靜電放電(ESD)的能量,對傳統(tǒng)的電子元件的影響甚微,人們不易覺察,但是這些高密度集成電路元件中,不論是MOS 器件,還是雙極型器件都可能因靜電電場和靜電放電電流引起失效,或者造成難以被人們發(fā)現(xiàn)的"軟擊穿"現(xiàn)象,給整機留下潛在的隱患,直接影響著電子產(chǎn)品的質(zhì)量、壽命、可靠性和經(jīng)濟性。
靜電放電引起的元器件擊穿損害是電子工業(yè)最普遍、最嚴(yán)重的靜電危害,它分即時失效和延時失效。
即時失效是一次性造成元器件介質(zhì)擊穿、燒毀或永久性失效。延時失效是造成器件的性能劣化或參數(shù)指標(biāo)下降,也就是說即使產(chǎn)品已經(jīng)通過了所有的檢驗和測試,仍然有可能在送到客戶手中后失效。
下面是引起失效的的幾種情況:
對PN 結(jié)造成軟擊穿,產(chǎn)品可靠性下降;
芯片內(nèi)單晶硅金屬鍍模擊穿,產(chǎn)品廢品率上升;
芯片內(nèi)引線擊穿使產(chǎn)品廢品率上升。
電子元件與ESD電壓損害的關(guān)系
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不同的器件對靜電放電(ESD)敏感程度不同。這種差別是由于器件的設(shè)計和摻入器件內(nèi)的雜質(zhì)成分不同而造成的。常見的元件與ESD電壓損害關(guān)系見表1。
從表1可以看出,VMOS 器件是對靜電較敏感的器件之一,通常將這類器件稱為靜電敏感元件(SSD)。將30V稱為靜電安全電壓。
人是電子產(chǎn)品生產(chǎn)工作中的主體,由于人體的不停運動,加上人與地板、衣服等其他物體之間的摩擦、接觸與分離,是主要的靜電源,人體因各種活動而產(chǎn)生的靜電電壓約 0.5~2kV,在濕度較低的環(huán)境中,其靜電電壓會增加10多倍。
靜電對家電制造的影響以及設(shè)計預(yù)防
可以說靜電是無處不在,這樣就對家電制造提出了較高要求。
機器產(chǎn)生的靜電,我們可以通過讓機器接地,這樣可以有效解決機器產(chǎn)生的靜電對制造中家電的損壞。
對于人為產(chǎn)生的靜電,可以查找到其產(chǎn)生的源頭,從而從源頭上解決。我們的思路很簡單,就是給源頭靜電提供一個泄放通道,讓其能夠在到達敏感元件前將靜電消耗掉。通過分析以及實際生產(chǎn)經(jīng)驗總結(jié),最容易受到靜電損傷的是MCU,而且危害也最大,一旦損壞,則整個家電都失去功效。所以我們一般會針對MCU采取以下一些簡單方法來解決靜電。
RC電路或者單電阻、單電容電路
我們知道,電阻是耗能元件,那么在靜電的通路上放置一個合適大小的電阻將是一個理想的選擇,而且成本也不高。
該電路(圖1)的設(shè)計思路就是將抗靜電能力強的元器件放置在靜電高的地方,將抗靜電能力弱的元器件遠離靜電源,MCU放置在靜電敏感器件端。
單二極管電路
對于部分電路,在通路上增加電阻可能會影響其固有功能的,可以采用對電源上拉或者下拉一個二極管(圖2)。我們知道,靜電是非??焖俚模砸筮@個二極管反應(yīng)速度也要快,否則,起不到泄放靜電的作用。我們通常使用性價比比較高的IN4148(當(dāng)然采用TVS管效果會更好,不過成本需要高一些)。
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RCD電路
對于靜電較大,或者希望達到更高的抗靜電能力的,可以采用RCD(電阻、電容、二極管組合)電路(圖3),但該電路成本比上面兩種要高。
除了在電路上采取一些措施外,我們還可以在設(shè)計PCB板時,在PCB板上采取些措施:
地線采用單點共地的方式;
如果可能,盡量每一個信號線附近都有地線,這樣方便通過寄生電容來釋放靜電;
靜電一般都是尖端放電,所以可以在電路中故意設(shè)置一個銳角走線,然后在此銳角處設(shè)計靜電防護;其它走線盡量寬而短;
在線路上有意的預(yù)留一些安裝電阻、電容位置,在生產(chǎn)中無法消除靜電時,增加電阻、電容等消除靜電。
結(jié)語
靜電是無處不在的,其時時刻刻都影響著我們的生活,包括我們的身體、產(chǎn)品;只有我們充分認(rèn)識了靜電,才能避免其造成的影響,甚至可以利用其為我們服務(wù)。
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