靜電放電(ESD， electrostatic discharge )是在電子裝配中電路板與元件損害的一個(gè)熟悉而低估的根源。它影響每一個(gè)制造商，無(wú)任其大小。雖然許多人認(rèn)為他們是在ESD安全的環(huán)境中生產(chǎn)產(chǎn)品，但事實(shí)上，ESD有關(guān)的損害繼續(xù)給世界的電子制造工業(yè)帶來(lái)每年數(shù)十億美元的代價(jià)。
ESD究竟是什么？靜電放電(ESD)定義為，給或者從原先已經(jīng)有靜電(固定的)的電荷(電子不足或過(guò)剩)放電(電子流)。電荷在兩種條件下是穩(wěn)定的：
當(dāng)它“陷入”導(dǎo)電性的但是電氣絕緣的物體上，如，有塑料柄的金屬的螺絲起子。
當(dāng)它居留在絕緣表面(如塑料)，不能在上面流動(dòng)時(shí)。
可是，如果帶有足夠高電荷的電氣絕緣的導(dǎo)體(螺絲起子)靠近有相反電勢(shì)的集成電路(IC)時(shí)，電荷“跨接”，引起靜電放電(ESD)。
ESD以極高的強(qiáng)度很迅速地發(fā)生，通常將產(chǎn)生足夠的熱量熔化半導(dǎo)體芯片的內(nèi)部電路，在電子顯微鏡下外表象向外吹出的小?彈孔，引起即時(shí)的和不可逆轉(zhuǎn)的損壞。
更加嚴(yán)重的是，這種危害只有十分之一的情況壞到引起在最后測(cè)試的整個(gè)元件失效。其它90%的情況，ESD損壞只引起部分的降級(jí) - 意味著損壞的元件可毫無(wú)察覺(jué)地通過(guò)最后測(cè)試，而只在發(fā)貨到顧客之后出現(xiàn)過(guò)早的現(xiàn)場(chǎng)失效。其結(jié)果是最損聲譽(yù)的，對(duì)一個(gè)制造商糾正任何制造缺陷最付代價(jià)的地方。
可是，控制ESD的主要困難是，它是不可見(jiàn)的，但又能達(dá)到損壞電子元件的地步。產(chǎn)生可以聽(tīng)見(jiàn)“嘀噠”一聲的放電需要累積大約2000伏的相當(dāng)較大的電荷，而3000伏可以感覺(jué)小的電擊，5000伏可以看見(jiàn)火花。
例如，諸如互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS, complementary metal oxide semiconductor)或電氣可編程只讀內(nèi)存(EPROM, electricall programmable read-only memory)這些常見(jiàn)元件，可分別被只有250伏和100伏的ESD電勢(shì)差所破壞，而越來(lái)越多的敏感的現(xiàn)代元件，包括奔騰處理器，只要5伏就可毀掉。
該問(wèn)題被每天的引起損害的活動(dòng)復(fù)合在一起。例如，從 乙烯基的工廠地板走過(guò)，在地板表面和鞋子之間產(chǎn)生摩擦。其結(jié)果是純電荷的物體，累積達(dá)到3~2000伏的電荷，取決于局部空氣的相當(dāng)濕度。
甚至工人在臺(tái)上的自然移動(dòng)所形成的摩擦都可產(chǎn)生400~6000伏。如果在拆開(kāi)或包裝泡沫盒或泡泡袋中的PCB期間，工人已經(jīng)處理絕緣體，那么在工人身體表面累積的凈電荷可達(dá)到大約26000伏。
因此，作為主要的ESD危害來(lái)源，所有進(jìn)入靜電保護(hù)區(qū)域(EPA, electrostatic protected area)的工作人員必須接地，以防止任何電荷累積，并且所有表面應(yīng)該接地，以維持所有東西都在相同的電勢(shì)，防止ESD發(fā)生。
用來(lái)防止ESD的主要產(chǎn)品是碗帶(wristband)，有卷毛燈芯絨和耗散性表面或墊料 - 兩者都必須正確接地。另外的輔助物諸如耗散性鞋類(lèi)或踵帶和合適的衣服，都是設(shè)計(jì)用來(lái)防止人員在靜電保護(hù)區(qū)域(EPA)移動(dòng)時(shí)累積和保持凈電荷。
在裝配期間和之后，PCB也應(yīng)該防止來(lái)自內(nèi)部和外表運(yùn)輸中的ESD。有許多電路板包裝產(chǎn)品可用于這方面，包括屏蔽袋、裝運(yùn)箱和可移動(dòng)推車(chē)。雖然以上設(shè)備的正確使用將防止90%的ESD有關(guān)的問(wèn)題，但是為了達(dá)到最后10%，需要另一種保護(hù)：離子化。
中和那些可產(chǎn)生靜電電荷的裝配設(shè)備和表面的最有效方法是使用離子發(fā)生器(ionizer) - 一種設(shè)備吹出離子化空氣流在工作區(qū)域，來(lái)中和累積在絕緣材料上的任何電荷。
一個(gè)常見(jiàn)的謬論是認(rèn)為因?yàn)樵诠ぷ髡編狭送霂?，該區(qū)域的絕緣體，如聚苯乙烯杯或紙板盒，所帶的電荷將安全地消散。按定義，絕緣體不會(huì)導(dǎo)電，除了通過(guò)離子化不可能放電。
如果一個(gè)帶電荷的絕緣體保留在EPA，它將輻射一個(gè)靜電場(chǎng)，引發(fā)凈電荷到任何附近的物體上，因此增加對(duì)產(chǎn)品的ESD損壞的危險(xiǎn)性。雖然許多制造商企圖從其EPA禁止絕緣材料，但這個(gè)方法是很難實(shí)施的。絕緣材料是日常生活中太多的一部分 - 從操作員坐落舒適的泡沫墊，到塑料蓋中的一些東西。
由于離子發(fā)生器的使用，制造商可以接受一些絕緣材料在其EPA中出現(xiàn)的事實(shí)。因?yàn)殡x子發(fā)生系統(tǒng)連續(xù)地中和可能發(fā)生在絕緣體上面的任何電荷累積，所以對(duì)于任何的ESD計(jì)劃，它們都是合理的投資。
標(biāo)準(zhǔn)電子裝配中的離子發(fā)生設(shè)備有兩種基本的形式：
桌面型(單個(gè)風(fēng)扇)
過(guò)頂型設(shè)備(在單個(gè)過(guò)頂?shù)膯卧獌?nèi)，有一系列的風(fēng)扇)
也有室內(nèi)離子發(fā)生器，但現(xiàn)在主要用于清潔房的環(huán)境。
選擇決定于需要保護(hù)區(qū)域的大小。桌面型離子發(fā)生器將覆蓋單一等工作表面，而過(guò)頂式離子發(fā)生器將覆蓋兩或三個(gè)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是離子發(fā)生器也可防止灰塵靜電附著于產(chǎn)品，可能使外觀降級(jí)。
可是，如果沒(méi)有對(duì)ESD設(shè)備有效性的正常測(cè)試和監(jiān)測(cè)，那么沒(méi)有一個(gè)保護(hù)計(jì)劃是完善的。一流的ESD控制和離子化專(zhuān)家報(bào)告了使用失效的(因此是無(wú)用的)ESD設(shè)備而不知其失效的制造商的例子。
為了防止這種情況，除了標(biāo)準(zhǔn)的ESD設(shè)備，ESD供應(yīng)商還提供各種恒定監(jiān)測(cè)器，如果一項(xiàng)表現(xiàn)超出規(guī)定即自動(dòng)報(bào)警。監(jiān)測(cè)器可用作一個(gè)獨(dú)立單元或在網(wǎng)絡(luò)中連接在一起。也有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)軟件，實(shí)時(shí)顯示有關(guān)操作員和工作站的系統(tǒng)表現(xiàn)。
監(jiān)測(cè)器可通過(guò)消除許多日常任務(wù)來(lái)簡(jiǎn)化ESD計(jì)劃，如保證碗帶每天適當(dāng)測(cè)量，離子發(fā)生器的平衡與正確維護(hù)，工作臺(tái)接地點(diǎn)沒(méi)有損壞。
結(jié)論
防止ESD的第一步是正確評(píng)價(jià)如果忽視，怎樣小的細(xì)節(jié)可能造成不可修復(fù)的損壞。一個(gè)有效的計(jì)劃要求不僅使用有效的ESD保護(hù)設(shè)備，而且嚴(yán)密的運(yùn)作程序來(lái)保證所有工廠地面人員的行為是ESD安全的。
雖然許多制造商使用自動(dòng)碗帶測(cè)試儀，但常?？梢钥吹讲僮鲉T因?yàn)橥霂啥蛘咄ㄟ^(guò)測(cè)試或者失效。許多操作員企圖通過(guò)用另一只手簡(jiǎn)單抓著測(cè)試儀靠近其手腕來(lái)通過(guò)測(cè)試。
ESD保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
靜電放電（ESD）會(huì)給電子產(chǎn)品帶來(lái)致命的危害，它不僅降低了產(chǎn)品的可靠性，增加了維修成本，而且不符合歐洲共同體規(guī)定的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EN61000-4-2，產(chǎn)品就不能夠在歐洲銷(xiāo)售。所以電子設(shè)備制造商通常會(huì)在電路設(shè)計(jì)的初期就考慮ESD保護(hù)。本文將討論ESD保護(hù)電路的幾種方法。
ESD的危害
ESD基本上可以分為三種類(lèi)型：一是各種機(jī)器引起的ESD，二是家俱移動(dòng)或設(shè)備移動(dòng)引起的ESD，三是人體接觸或設(shè)備移動(dòng)引起的ESD。這三種種ESD對(duì)于半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)和電子產(chǎn)品的生產(chǎn)都非常重要。電子產(chǎn)品在使用過(guò)程最容易受到第三種ESD的損壞，便攜式電子產(chǎn)品尤其容易受到人體接觸產(chǎn)生的ESD的損壞。在一般情況下ESD會(huì)損壞與之相連的接口器件，另一種情況是遭受ESD沖擊后的器件可能不會(huì)立即損壞，而是性能下降導(dǎo)致產(chǎn)品過(guò)早出現(xiàn)故障。
當(dāng)集成電路（IC）經(jīng)受ESD時(shí)，放電回路的電阻通常都很小，無(wú)法限制放電電流。例如將帶靜電的電纜插到電路接口上時(shí)，放電回路的電阻幾乎為零，造成高達(dá)數(shù)十安培的瞬間放電尖峰電流，流入相應(yīng)的IC管腳。瞬間大電流會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷 IC，局部發(fā)熱的熱量甚至?xí)诨杵苄尽SD對(duì)IC的損傷還包括內(nèi)部金屬連接被燒斷，鈍化層受到破壞，晶體管單元被燒壞。ESD還會(huì)引起IC的死鎖（LATCHUP）。這種效應(yīng)和CMOS器件內(nèi)部的類(lèi)似可控硅的結(jié)構(gòu)單元被激活有關(guān)。高電壓可激活這些結(jié)構(gòu)，形成大電流信道，一般是從VCC到地。串行接口器件的死鎖電流可高達(dá)1A。死鎖電流會(huì)一直保持，直到器件被斷電。不過(guò)到那時(shí)，IC通常早已因過(guò)熱而燒毀了。ESD沖擊后可能存在兩個(gè)不易被發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，一般用戶和IEC測(cè)試機(jī)構(gòu)使用傳統(tǒng)的“環(huán)路反饋方法”和“插入方法”進(jìn)行測(cè)試，通常檢測(cè)不出這兩個(gè)問(wèn)題。
一個(gè)問(wèn)題是RS-232接口電路中接收器對(duì)發(fā)送器產(chǎn)生交叉串?dāng)_。同類(lèi)產(chǎn)品RS -232接口電路中的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)可能對(duì)某種波形的ESD或某個(gè)ESD沖擊電壓失效，經(jīng)過(guò)ESD沖擊后在接收器輸入端和發(fā)送器輸出端之間形成通路，從而導(dǎo)致接收器對(duì)發(fā)送器產(chǎn)生交調(diào)（圖1）。如果RS-232接口電路中有關(guān)斷電路，那么關(guān)斷期間經(jīng)過(guò)ESD沖擊后更容易產(chǎn)生交調(diào)。產(chǎn)生交調(diào)后將導(dǎo)致通信失敗，而且即使關(guān)斷工作狀態(tài)下發(fā)送器仍有輸出，導(dǎo)致關(guān)斷失效，使對(duì)方RS-232處在接收狀態(tài)。
另一個(gè)問(wèn)題是RS-232接口電路對(duì)電源產(chǎn)生反向驅(qū)動(dòng)。某些RS-232接口電路中的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)ESD沖擊后可能在輸入端與供電電源VCC之間形成電流通路（圖2），對(duì)供電電源產(chǎn)生反向驅(qū)動(dòng)。如果供電電源沒(méi)有吸入電流的能力（通常來(lái)講電源輸出回路里有一個(gè)正向二極管），這將導(dǎo)致電源電壓VCC上升，從而損壞RS-232接口電路和系統(tǒng)內(nèi)的其它電路。因?yàn)镽S-232接口電路輸入端的電壓在5V到25V之間，使VCC有可能高于9V，超出電源電壓的最大范圍而燒壞電路。ESD保護(hù)電路最有效的保護(hù)措施是介質(zhì)隔離：用絕緣介質(zhì)把內(nèi)部電路和外界隔離開(kāi)。1mm厚的普通塑料如PVC，聚酯或ABS能夠保護(hù)8KV的ESD。但是實(shí)際的介質(zhì)不可能沒(méi)有間隙和接縫，所以材料的蠕變和間隙距離非常重要。LCD顯示屏，觸摸屏等都有很厚的邊角（12mm）隔離內(nèi)部電路。
ESD保護(hù)的第二個(gè)方法是屏蔽，防止大的ESD電流沖擊內(nèi)部電路。ESD沖擊金屬屏蔽外殼時(shí)，最初幾毫秒會(huì)比保護(hù)地電壓高出許多，屏蔽外殼電壓會(huì)隨著ESD電荷的轉(zhuǎn)移而下降，所以最初的幾毫秒內(nèi)會(huì)對(duì)內(nèi)部電路產(chǎn)生二次ESD沖擊，所以僅僅使用外部屏蔽還不夠，內(nèi)部電路與屏蔽外殼必須共地，或者把內(nèi)部電路進(jìn)行介質(zhì)隔離。電氣隔離也是抑制ESD沖擊的一種有效方法，PCB板上安裝光耦合器或者變壓器，雖然不能完全消除ESD的沖擊，但是結(jié)合介質(zhì)隔離和屏蔽可以很好的抑制EDS沖擊，光耦合器和變壓器尤其適合電源部分。信號(hào)通路最好的隔離是光纖，無(wú)線和紅外線方式。1次