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深圳市歐瑞凡檢測設(shè)備有限公司
靜電放電發(fā)生器ESD
電子產(chǎn)品靜電放電的危害、測試及其對策
摘要:靜電是人們?nèi)粘I钪幸环N司空見慣的現(xiàn)象,靜電的許多功能已經(jīng)應(yīng)用到軍工或民用產(chǎn)品中,如靜電除塵、靜電噴涂、靜電分離、靜電復(fù)印等。然而,靜電放電(ESD)卻又成為電子產(chǎn)品和設(shè)備的一種危害,造成電子產(chǎn)品和設(shè)備的功能紊亂甚至部件損壞。一個操作員在正常的設(shè)備操作中也可能因衣服或皮膚帶有危害的電荷而使機器運行紊亂,甚至損壞硬件設(shè)備?,F(xiàn)代半導(dǎo)體器件的規(guī)模越來越大,工作電壓越來越低,導(dǎo)致了半導(dǎo)體器件對外界電磁騷擾敏感程度也大大提高。ESD對于電路引起的干擾、對元器件、CMOS電路及接口電路造成的破壞等問題越來越引起人們的重視。電子設(shè)備的ESD也開始作為電磁兼容性測試的一項重要內(nèi)容寫入國家標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞:電子產(chǎn)品靜電放電;靜電測試;靜電放電測試設(shè)計
一、靜電放電形成的機理及其對電子產(chǎn)品的危害靜電是兩種介電系數(shù)不同的物質(zhì)磨擦?xí)r,正負(fù)極性的電荷分別積累在兩個物體上而形成:當(dāng)兩個物體接觸時,其中一個趨于從另一個吸引電子,因而二者會形成不同的充電電位。摩擦起電是一個機械過程,依靠相對表面移動傳送電量。傳送的電量取決于接觸的次數(shù)、表面粗糙度、濕度、接觸壓力、摩擦物質(zhì)的摩擦特性以及相對運動速度。兩個帶上電荷的物體也就成了靜電源。就人體而言,衣服與皮膚之間的磨擦發(fā)生的靜電是人體帶電的主要原因之一。靜電源跟其它物體接觸時,依據(jù)電荷中和的原則,存在著電荷流動,傳送足夠的電量以抵消電壓。這個高速電量的傳送過程中,將產(chǎn)生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場,嚴(yán)重時將其中物體擊毀。這就是靜電放電。國家標(biāo)準(zhǔn)是這樣定義的:“靜電放電:具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移(GB/T4365-1995)”,一般用ESD表示。ESD會導(dǎo)致電子設(shè)備嚴(yán)重地?fù)p壞或操作失常。半導(dǎo)體專家以及設(shè)備的用戶都在想辦法抑制ESD。在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用過程中,操作者是zui活躍的靜電源,當(dāng)人體穿著絕緣材料的織物,并且其鞋也是對地絕緣的時候,人在地面上運動時,就可能積累一定數(shù)量的電荷,當(dāng)人體接觸與地相連的元件、裝置的時候就會產(chǎn)生靜電放電?,F(xiàn)以人體為例,計算人體的帶電情況。當(dāng)人們穿著化纖織物時,人體運動的充電電流約10-7~10-6A,總的充電電荷約(0.1~5)x10-6庫侖,人體對地的電容約150~250pF,若以電荷3X1-6庫侖計,則充電電壓可達(dá)5~25kV。人體的靜電放電模型可用電阻和電容的串聯(lián)來模擬,設(shè)人體電阻R=500Ω,人體電容C=300pF,人體帶靜電電壓U=10kV,則靜電所含能量為:W=1/2(CU2)=15(mJ)盡管靜電電壓高達(dá)10kV,能量僅15mJ,對人體沒傷害,但當(dāng)人手去觸摸設(shè)備的金屬部分時會產(chǎn)生火花放電,瞬間的脈沖峰值很高,很可能對電子電路產(chǎn)生干擾或破壞。本例中放電電流的峰值為:IP≈U/R=20(A);放電時間很短,可近似為:Td≈RC=150(ns),這對于MOS電路來說,則將受到致命打擊。ESD兩種主要的破壞機制是:由于ESD電流產(chǎn)生熱量導(dǎo)致設(shè)備的熱失效;由于ESD感應(yīng)出高的電壓導(dǎo)致絕緣擊穿。兩種破壞可能在一個設(shè)備中同時發(fā)生,例如,絕緣擊穿可能激發(fā)大的電流,這又進(jìn)一步導(dǎo)致熱失效。
二、電子產(chǎn)品的靜電放電測試及相關(guān)要求,隨著電子產(chǎn)品的復(fù)雜程度和自動化程度越來越高,電子產(chǎn)品的ESD敏感度也越高,電子產(chǎn)品抵御ESD干擾的能力已經(jīng)成為電子產(chǎn)品質(zhì)量好壞的一個重要因素。那么如何來衡量電子產(chǎn)品抗ESD干擾的能力?通過ESD抗擾度試驗可以檢測這種能力。為此越來越多的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)將ESD抗擾度試驗作為推薦或強制性內(nèi)容納入其中。電子設(shè)備的ESD抗擾度試驗也作為電子設(shè)備電磁兼容性測試一項重要內(nèi)容列入國家標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)。對不同使用環(huán)境、不同用途、不同ESD敏感度的電子產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對ESD抗擾度試驗的要求是不同的,但這些標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于ESD抗擾度試驗大多都直接或間接引用GB/T17626.2-1998(idtIEC61000-4-2:1995):《電磁兼容試驗和測量技術(shù)靜電放電抗擾度試驗》這一國家電磁兼容基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn),并按其中的試驗方法進(jìn)行試驗。
三、常用的瞬態(tài)抑制保護(hù)電路有以下幾種
箝位二極管保護(hù)電路:使用2只二極管的目的是為了同時抑制正、負(fù)極性的瞬態(tài)電壓。瞬態(tài)電壓被箝位在V++VPN~V--VPN范圍內(nèi),串聯(lián)電阻擔(dān)負(fù)功率耗散的作用。利用現(xiàn)有電源的電壓范圍作為瞬態(tài)電壓的抑制范圍,二極管的正向?qū)娏骱痛?lián)電阻的阻值決定了該電路的保護(hù)能力。本電路具有*的保護(hù)效果,同時其代價低廉,適合成本控制比較嚴(yán)、靜電放電強度和頻率不十分嚴(yán)重的場合壓敏電阻保護(hù)電路:壓敏電阻的阻值隨兩端電壓變化而呈非線性變化。當(dāng)施加在其兩端的電壓小于閥值電壓時,器件呈現(xiàn)無窮大的電阻;當(dāng)施加在其兩端的電壓大于閥值電壓時,器件呈現(xiàn)很小電阻值。此物理現(xiàn)象類似穩(wěn)壓管的齊納擊穿現(xiàn)象,不同的是壓敏電阻無電壓極性要求。使用壓敏電阻保護(hù)電路的特點是簡單、經(jīng)濟、瞬態(tài)抑制效果好、對電路帶來的負(fù)面影響甚微,且可以獲得較大的保護(hù)功率。穩(wěn)壓管保護(hù)電路:背對背串接的穩(wěn)壓管對瞬態(tài)抑制電路的工作原理是顯而易見的。當(dāng)瞬態(tài)電壓超過V1的穩(wěn)壓值時,V1反向擊穿,V2正向?qū)?;?dāng)瞬態(tài)電壓是負(fù)極性時,V2反向擊穿,V1正向?qū)ā⑦@2只穩(wěn)壓管制作在同一硅片上就制成了穩(wěn)壓管對,使用更加方便。TVS(瞬態(tài)電壓抑制器)二極管:這是zui近發(fā)展起來的一種固態(tài)二極管,適用用于ESD保護(hù)。一般選擇工作電壓大于或等于電路正常工作電壓的器件。TVS二極管是和被保護(hù)電路并聯(lián)的,當(dāng)瞬態(tài)電壓超過電路的正常工作電壓時,二極管發(fā)生雪崩,為瞬態(tài)電流提供通路,使內(nèi)部電路免遭超額電壓的擊穿或超額電流的過熱燒毀。由于TVS二極管的結(jié)面積較大,使得它具有泄放瞬態(tài)大電流的優(yōu)點,具有理想的保護(hù)作用。但同時必須注意,結(jié)面積大造成結(jié)電容增大,因而不適合高頻信號電路的保護(hù)。改進(jìn)后的TVS二極管還具有適應(yīng)低壓電路(<5V )的特點,且封裝集成度高,適用于在印制電路板面積緊張的情況下使用。這些特點決定了它有廣泛的適用范圍,尤其在便攜設(shè)備的接口電路中有很好的使用價值。
結(jié)語
ESD是造成電子產(chǎn)品工作失常或功能失效的一個重要原因,隨著技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品的復(fù)雜程度的提高,ESD對電子產(chǎn)品的危害也越來越被大家重視。從產(chǎn)品要求的整體情況來看,目前出口的電子產(chǎn)品大多數(shù)對ESD抗擾性有要求,達(dá)不到要求者被視為不合格產(chǎn)品,是被進(jìn)口國禁止銷售的;國內(nèi)大多數(shù)產(chǎn)品及產(chǎn)品族標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品的抗ESD特性沒有強制要求,但這并不是說ESD抗擾性不重要,電子產(chǎn)品的ESD抗擾性直接關(guān)系到該產(chǎn)品的適用環(huán)境(ESD抗擾性低的產(chǎn)品不適用于相對濕度低的環(huán)境使用),產(chǎn)品的性能(ESD抗擾性低的產(chǎn)品不可避免會影響產(chǎn)品的性能指標(biāo)),產(chǎn)品的售后服務(wù)(ESD抗擾性低的產(chǎn)品容易損壞,不可避免的增加了產(chǎn)品的售后服務(wù)成本),產(chǎn)品的品牌形象(ESD)抗擾性低的產(chǎn)品容易出現(xiàn)工作失常和損壞,用戶會認(rèn)為這樣的產(chǎn)品不會是好產(chǎn)品)等,所以內(nèi)銷產(chǎn)品的生產(chǎn)商也逐漸重視產(chǎn)品的ESD抗擾性,從而提高產(chǎn)品的競爭能力。希望本文能對關(guān)心電子產(chǎn)品的靜電放電抗擾性的生產(chǎn)廠家和設(shè)計人員有所幫助,同時也引起那些對靜電放電抗擾性不太了解的生產(chǎn)廠家和設(shè)計人員的重視。
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