什么是ESD(靜電放電)及ESD保護電路的設(shè)計

1、什么是ESD（靜電放電）及ESD保護電路的設(shè)計靜電放電(ESD， electrostatic discharge )是在電子裝配中電路板與元件損害的一個熟悉而低估的根源。它影響每一個制造商，無任其大小。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。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)，不能在上面流動時?？墒?，如果

2、帶有足夠高電荷的電氣絕緣的導(dǎo)體(螺絲起子)靠近有相反電勢的集成電路(IC)時，電荷“跨接”，引起靜電放電(ESD)。ESD以極高的強度很迅速地發(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試的整個元件失效。其它90%的情況，ESD損壞只引起部分的降級 - 意味著損壞的元件可毫無察覺地通過最后測試，而只在發(fā)貨到顧客之后出現(xiàn)過早的現(xiàn)場失效。其結(jié)果是最損聲譽的，對一個制造商糾正任何制造缺陷最付代價的地方。可是，控制ESD的主要困難是，它是不可見的，但又能達(dá)到損壞電子元件的

3、地步。產(chǎn)生可以聽見“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伏可以感覺小的電擊，5000伏可以看見火花。例如，諸如互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS, complementary metal oxide semiconductor)或電氣可編程只讀內(nèi)存(EPROM, electricall programmable read-only memory)這些常見元件，可分別被只有250伏和100伏的ESD電勢差所破壞，而越來越多的敏感的現(xiàn)代元件，包括奔騰處理器，只要5伏就可毀掉。該問題被每天的引起損害的活動復(fù)合在一起。例如，從 乙烯基的工廠地板走過，在地板表面和鞋子之間產(chǎn)生摩

4、擦。其結(jié)果是純電荷的物體，累積達(dá)到32000伏的電荷，取決于局部空氣的相當(dāng)濕度。甚至工人在臺上的自然移動所形成的摩擦都可產(chǎn)生4006000伏。如果在拆開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危害來源，所有進入靜電保護區(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，防止ESD發(fā)生。用來防止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

5、。另外的輔助物諸如耗散性鞋類或踵帶和合適的衣服，都是設(shè)計用來防止人員在靜電保護區(qū)域(EPA)移動時累積和保持凈電荷。在裝配期間和之后，PCB也應(yīng)該防止來自內(nèi)部和外表運輸中的ESD。有許多電路板包裝產(chǎn)品可用于這方面，包括屏蔽袋、裝運箱和可移動推車。雖然以上設(shè)備的正確使用將防止90%的ESD有關(guān)的問題，但是為了達(dá)到最后10%，需要另一種保護：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，來中和累積在絕緣材料上的任何電荷。一個常見的謬論是認(rèn)為因為在工作站帶上了碗帶，該區(qū)域的絕緣體，如聚苯乙烯杯或紙板盒，所帶的電荷

6、將安全地消散。按定義，絕緣體不會導(dǎo)電，除了通過離子化不可能放電。如果一個帶電荷的絕緣體保留在EPA，它將輻射一個靜電場，引發(fā)凈電荷到任何附近的物體上，因此增加對產(chǎn)品的ESD損壞的危險性。雖然許多制造商企圖從其EPA禁止絕緣材料，但這個方法是很難實施的。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。因為離子發(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，所以對于任何的ESD計劃，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(單個風(fēng)扇)過頂型設(shè)備(在單個

7、過頂?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，而過頂式離子發(fā)生器將覆蓋兩或三個。另一個優(yōu)點是離子發(fā)生器也可防止灰塵靜電附著于產(chǎn)品，可能使外觀降級?？墒?，如果沒有對ESD設(shè)備有效性的正常測試和監(jiān)測，那么沒有一個保護計劃是完善的。一流的ESD控制和離子化專家報告了使用失效的(因此是無用的)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)測器，如果一項表現(xiàn)超出規(guī)定即自動報警。監(jiān)測器可用作一個獨立單元或在網(wǎng)絡(luò)中連接在一起。也有自動數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)軟

8、件，實時顯示有關(guān)操作員和工作站的系統(tǒng)表現(xiàn)。監(jiān)測器可通過消除許多日常任務(wù)來簡化ESD計劃，如保證碗帶每天適當(dāng)測量，離子發(fā)生器的平衡與正確維護，工作臺接地點沒有損壞。結(jié)論防止ESD的第一步是正確評價如果忽視，怎樣小的細(xì)節(jié)可能造成不可修復(fù)的損壞。一個有效的計劃要求不僅使用有效的ESD保護設(shè)備，而且嚴(yán)密的運作程序來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碗帶測試儀，但常?？梢钥吹讲僮鲉T因為碗帶太松而或者通過測試或者失效。許多操作員企圖通過用另一只手簡單抓著測試儀靠近其手腕來通過測試。ESD保護電路的設(shè)計靜電放電（ESD）會給電子產(chǎn)品帶來致命的危害，它不僅降低了產(chǎn)品的可靠性，增加

9、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售。所以電子設(shè)備制造商通常會在電路設(shè)計的初期就考慮ESD保護。本文將討論ESD保護電路的幾種方法。ESD的危害ESD基本上可以分為三種類型：一是各種機器引起的ESD，二是家俱移動或設(shè)備移動引起的ESD，三是人體接觸或設(shè)備移動引起的ESD。這三種種ESD對于半導(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立即損壞，而是性能下降

10、導(dǎo)致產(chǎn)品過早出現(xiàn)故障。當(dāng)集成電路（IC）經(jīng)受ESD時，放電回路的電阻通常都很小，無法限制放電電流。例如將帶靜電的電纜插到電路接口上時，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。瞬間大電流會嚴(yán)重?fù)p傷 IC，局部發(fā)熱的熱量甚至?xí)诨杵苄?。ESD對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還會引起IC的死鎖（LATCHUP）。這種效應(yīng)和CMOS器件內(nèi)部的類似可控硅的結(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。死鎖電流會一直保持，直到器件被斷電。不過到那時，I

11、C通常早已因過熱而燒毀了。ESD沖擊后可能存在兩個不易被發(fā)現(xiàn)的問題，一般用戶和IEC測試機構(gòu)使用傳統(tǒng)的“環(huán)路反饋方法”和“插入方法”進行測試，通常檢測不出這兩個問題。一個問題是RS-232接口電路中接收器對發(fā)送器產(chǎn)生交叉串?dāng)_。同類產(chǎn)品RS -232接口電路中的ESD保護結(jié)構(gòu)可能對某種波形的ESD或某個ESD沖擊電壓失效，經(jīng)過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，使對方RS-232處

12、在接收狀態(tài)。另一個問題是RS-232接口電路對電源產(chǎn)生反向驅(qū)動。某些RS-232接口電路中的ESD保護結(jié)構(gòu)經(jīng)過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），對供電電源產(chǎn)生反向驅(qū)動。如果供電電源沒有吸入電流的能力（通常來講電源輸出回路里有一個正向二極管），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。因為RS-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保護電路最有效的保護措施是介質(zhì)隔離：用絕緣介質(zhì)把內(nèi)部電路和外界隔離開。1mm厚的普通塑料如PVC，聚酯或ABS能夠保護8KV的ES

13、D。但是實際的介質(zhì)不可能沒有間隙和接縫，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保護的第二個方法是屏蔽，防止大的ESD電流沖擊內(nèi)部電路。ESD沖擊金屬屏蔽外殼時，最初幾毫秒會比保護地電壓高出許多，屏蔽外殼電壓會隨著ESD電荷的轉(zhuǎn)移而下降，所以最初的幾毫秒內(nèi)會對內(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

14、壓器尤其適合電源部分。信號通路最好的隔離是光纖，無線和紅外線方式。在信號通路上使用的另一種保護方法是在每條信號線上外加阻容組件。串聯(lián)電阻能夠限制尖峰電流，并聯(lián)到地的電容則能限制瞬間的尖峰電壓。這樣做的成本低，但是防護能力有限。ESD的破壞力在一定程度上得到抑制，但依然存在。因為阻容組件并不能降低尖峰電壓的峰值，僅僅是減少了電壓上升的斜率。而且阻容組件還會引起信號失真，以致限制了通訊電纜的長度和通訊速率。外接的電阻/電容也增加了電路板面積。另一種廣泛使用的方法是外加電壓瞬變抑制器或TransZorb二極管。這種防護非常有效。但仍有一些缺點：外加器件仍會增加電路板面積；防護器件的電容效應(yīng)會增加信號

15、線的等效電容；成本較高。采用內(nèi)部集成ESD防護功能的串行接口器件是一種有效的方法。這種器件比普通無防護功能的器件價格要高，但增加的費用比起外加防護二極管的費用要低。內(nèi)部集成的ESD防護電路不會增加任何輸入輸出管腳的等效電容，也節(jié)省了電路板面積。Maxim公司近幾年發(fā)展了集成ESD防護技術(shù)，可以提供全系列的ESD防護串行接口器件，包括與標(biāo)準(zhǔn)器件完全兼容的產(chǎn)品。Maxim公司還將同樣的技術(shù)應(yīng)用到仿真開關(guān)和開關(guān)去抖產(chǎn)品中。所有這些器件的ESD防護能力都符合±15kV IEC1000-4-2（氣隙放電），±8kV IEC1000-4-2（接觸放電），±15kV人體模型（H

16、BM）測試標(biāo)準(zhǔn)。Maxim公司的ESD保護技術(shù)歐洲共同體所規(guī)定的ESD保護有嚴(yán)格的測試標(biāo)準(zhǔn)：±15kV ESD人體模式測試標(biāo)準(zhǔn)；±8kV ESD IEC 1000-4-2接觸放電模式測試標(biāo)準(zhǔn)；±15kV ESD IEC 1000-4-2空氣間隙放電模式測試標(biāo)準(zhǔn)；±4kV ESD IEC 1000-4-4電氣快速瞬變/猝發(fā)模式測試標(biāo)準(zhǔn)。其中，IEC 1000-4-2與±15kV人體模式測試標(biāo)準(zhǔn)之間的主要差別在于峰值電流；相同電壓下，IEC 1000-4-2沖擊的吸收電流要比人體模式高出5倍以上。±4kV ESD IEC 1000-4-4電氣快速瞬變/猝發(fā)模式測試標(biāo)準(zhǔn)是仿真產(chǎn)生開關(guān)和繼電器的電弧放電結(jié)果。MAXIM器件可提供±4kV的保護：兩倍于IEC 1000-4-4標(biāo)準(zhǔn)的±2kV指針。由于各個器件的ESD門限不同，每個器件在正常工作狀態(tài)，關(guān)斷狀態(tài)和斷電狀態(tài)的ESD門限不同，所以Ma