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[电磁兼容]浅谈静电(ESD)解决办法 [复制链接]

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只看楼主 倒序阅读 使用道具 楼主  发表于: 2023-07-05
关键词： 静电ESD电磁兼容元件
静电放电(ESD)是大家熟知的电磁兼容问题，它可引起电子设备失灵或使其损坏。当半导体器件单独放置或装入电路模块时，即使没有加电，也可能造成这些器件的永久性损坏。对静电放电敏感的元件被称为静电放电敏感元件(ESDS)。 HoM8V"8B  
\}qv}hU  
    如果一个元件的两个针脚或更多针脚之间的电压超过元件介质的击穿强度，就会对元件造成损坏。这是MOS器件出现故障最主要的原因。氧化层越薄，则元件对静电放电的敏感性也越大。故障通常表现为元件本身对电源有一定阻值的短路现象。对于双极性元件，损坏一般发生在薄氧化层隔开的已进行金属喷镀的有源半导体区域，因此会产生泄漏严重的路径。 gD fVY%[Z  
:(x 90;DW  
    另一种故障是由于节点的温度超过半导体硅的熔点(1415℃)时所引起的。静电放电脉冲的能量可以产生局部地方发热，因此出现这种机理的故障。即使电压低于介质的击穿电压，也会发生这种故障。一个典型的例子是，NPN型三极管发射极与基极间的击穿会使电流增益急剧降低。     %^ E>~  
器件受到静电放电的影响后，也可能不立即出现功能性的损坏。这些受到潜在损坏的元件通常被称为“跛脚”，一旦加以使用，将会对以后发生的静电放电或传导性瞬态表现出更大的敏感性。     要密切注意元件在不易察觉的放电电压下发生的损坏，这一点非常重要。人体有感觉的静电放电电压在3000 — 5000V之间，然而，元件发生损坏时的电压仅几百伏。     z<P#dj x  
静电放电的危害效应是在二十世纪七十年代开始认识到的，这是由于新技术的发展导致元件对静电放电的损坏越来越敏感。静电放电造成的损失每年可达到几百万美元以上。因此，许多大型的元件和设备制造厂引进专业技术以减小生产环境中的静电积累，从而使产品合格率和可靠性提高了许多。用户根据自己的经验也懂得了防治静电放电损害的重要性。 :Ws3+OI'm3  
      如何对付静电放电？     5 4LCoG/  
控制静电积累的第一步是要弄清楚静电荷的产生机理。           4]8PF  
静电电压是由不同种类的物质相互接触与分离而产生。尽管摩擦能够使电荷积累得更多，但是摩擦并不是必要的。这种效应即是大家熟知的摩擦起电，所产生的电压取决于相互摩擦的材料本身的特性。磨擦起电序列表列出了各类物质的带电难易程度。对于相互接触的两种物质，电子会从序列表较上的物质转向较下的物质，这样就会使两种物质分别带正负电荷。序列表中的物质离得越远，各自所带的电荷数量也越大。常见物质的磨擦起电 AB#hh i#  
电荷也可通过感应产生，这是带电体使其附近的另一物体上的电荷发生分离的结果 ~GY;{  
     实际问题解决     问题的解决包括：如果静电放电敏感元件(ESDS)在生产和维护期间暴露在外面，那么在这些元件附近，应防止电荷的积累，并且在运输和保管过程中，将这些元件按防静电放电的方法包装。   vqxTf)ys  
    防止静电放电，有许多方法可以采用。最好的办法是满足要求且成本最低的方法，这样的方法对于不同的产品和不同的场合都是不同的。 ]X _&  
    静电放电保护区域(EPA)     静电放电保护区域(EPA)，有时指安全操作区，是任意一种静电放电控制措施的核心所在。在此区域中，静电放电敏感元件(ESDS)或电路板，或包含这些的组件，都可以很安全地工作，因为电荷的数量得到控制，而不会产生破坏性电压。这种区域中通常包含工作台或工作台组、工作站、自动插件机一类的处理设备或者一块生产区。EPA的范围必须清楚的标明，最好设置一围栏以防止未经允许的无关人员入内。EPA区域内应使用静电荷积累最小的材料，并且可使电荷以受控制的方式泄入到大地中。   +Q_Gm3^  
表２ 静电放电保护区   ;j_#,Da9<  
  A1接地轮 Yc5$915  
A2接地滑片 %I=J8$B]f  
A3接地面 C,z]q$4  
B1腕套测试器 @',;/j80  
B2脚跟接地测试器 F;NZJEy  
B3脚跟接地底板   {DO9{96w4  
C1腕套和腕套绳 U&a] g kr  
C2接地线 ohyUvxvj  
C3静电放电接地设施 bU,& |K/  
C4地 =gqZ^v&5U  
C5接地搭接点 4'8.f5  
C6大地接地点   C Ud'*Ewu  
C7手套 Bms?`7}N  
C8脚趾和脚跟带箍 tw')2UGg  
D1电离剂 : R&tO3_F  
E1工作面 Te/)[I'Tn  
F1腿和座套已接地的转椅 zc(7p;w#p  
G1人体接地地板   `'QPe42  
H1工作服 0?sp  
H2工作帽 $_UF9 l0  
I1具有接地面的搁板 +Snjb0  
I2接地机架 yiUdUw/  
J1静电放电保护区标志 ),Rj@52l  
　     典型的静电放电保护区如图1所示，此图摘自EN100015-1，其中许多是新近的。该图给出了各种可能的措施，但并没有必要全部使用这些措施，这主要由特定的环境决定。所采用的其本原理就是等电位搭接，即将所有表面连接在一起，防止不同物体之间产生电位差。     工作面[E1]是静电损耗性的，通过静电放电的接地设施[C3]连接到地[C4]。工作站的操作人员通过导电腕[C1]上的导线和地电位点相连，然而，对于活动频繁的人员，最好是通过脚跟和脚趾带箍[C8]与静电损耗地板[G1]相通(即接地)。腕套的接地导线在接地点[C5]处进行端接。   ij),DbWd  
   ;vx9xs?6  
    操作人员所穿的破旧工作服[H1、H2]也应是静电损耗性的，并在靠近静电放电敏感元件附近遮住工作人员自己的衣服，所有破旧的手套也应是导电材料的。     转椅[F1]不应视为操作人员接地的基本方法，但值得注意的是，转椅上必须铺一层抗静电的材料，使座套、靠背和扶手均有与地相通的路径。     元件应存放在带有接地面的搁板[I1]上，或者是接地的机架[I2]上。这些东西与工作台都应通过接地导线[C2]与静电放电的地面相接。   nNKL{Hp  
   *%e#)sn*  
    当用手推车装运元件或子配件时，其表面导电性能应与工作面和导电机架的导电性能相似。如果接地轮[A1]导电性良好，且与手推车车架电气连接，那么不再需要使用接地滑片了。如果EPA的地板没有接地，那么当手推车停下来装卸东西时，则应将其接地点[C6]与大地接地点[C5]相连。   WveFB%@`;  
   ?~{xL"  
    在操作人员的正常工作期间，对所采用的这些措施的效果应该用静电伏特计测量其静电势和静电场来评估。     在保护区内和进出口处，应使用标志[J1]来提醒他们注意。     应对腕套及其接地导线用导通测试仪定期进行检测。导电轮和脚趾带箍也应作类似的检测[B2，B3]。 9+']`=a:  
    安全性     EPA内一般有加电的工具和设备。在这种环境中，将单个物件或设备直接连接到地是很危险的。正是由于此原因，腕套接地导线、转轮及脚趾带箍的连接处均要串入一只不低于1M的电阻。有些腕套接地导线的每端均有一只这样的电阻，因此，即使腕套接地导线接在加电维修的产品的带电接线端，也不会有危险。   ^s*} 0  
   CAA~VEUL  
    腕套接地导线测试仪是一种检测电阻的阻值是否合适(如果太高 ，不可能实现等电势搭接；如果太低，会出现安全危害)的仪器。   1d"P) 3dQ  
   SOL=3hfb^  
    腕套接地导线要配以可快速拔下的与其它电气插座不兼容的插头，这样可以保证它不会误插到其它电气插座上，并且，在紧急情况下容易拔下。 IY&a!  
    静电放电保护区内的实际工作     在静电放电保护区内，如果不遵守明确的工作规范，电荷和电势就不能保持在允许的范围内。一些会导致问题的例子包括：将装在不抗静电的塑料封面内的文件、塑料容器、杯子等带进静电放电保护区内，使用会破坏地板或工作表面静电特性的清洁剂。   [8w2U%}]  
   P.:T zk6  
    有关人员应接受足够的训练，不仅学习需要遵守的规程，还要了解必须遵守这些规程的理由。了解可能损坏的元件的有关参数也是有用处的。   '3Ie0QO]"%  
应指定专人负责静电放电保护区的保养与维护，同时还要对规程的执行情况进行检查。这些检查也应作为质量管理体系认证的一部分加以核查。 AngwBZ@  
    运输与存放     运输带引脚的元件时，通常使用导电泡沫材料。这可以防止元件引脚间出现较高的电势差，对于双列直插式封装的元件，在散装运输过程中常采用静电损耗性管。     对于线路板组件，当位于静电放电保护区外时，应将其置于静电屏蔽袋或导电搬运箱内进行运输。有的包装袋使用导电材料制成，它可确保所有元件在稳定条件下处于同一电势，同时将偶然跑到袋上的静电荷耗散掉。这种方法不能用于带电池的电路板，对于这种情况，应采用衬里是静电损耗性材料的，而外层是导电材料的包装袋。这种袋子的价格更高，但可对加电和未加电的组件提供极好的保护作用。同样，内部装有固定电路板的导轨的导电箱不能与边缘上有裸露连接器的加电电路板一起使用。 (YOgQ)},  
   现场维修   8gNEL+  
   hz%I xI9  
    现场需要维修的产品上要设置一个静电连接点，这样，维修技术人员在打开设备的盖子之前，可以将腕套的接地导线连上。备件应放在静电屏蔽袋或箱子中进行运输，除非备件中不包含静电放电敏感元件。如果模块工作在暴露状态下，应将静电损耗性地板垫连接到产品的静电搭接点上，作为工作面使用。 EiUV?Gvz  
   有关标准   M}Mzm2d#`  
   Ev16xL8B  
    1987年，英国进行了将实践规程编制成文件的第一次尝试，其成果是BS5783。与其说这是一个关于应该进行哪些检测的标准，更不如称其为一个实践规范条款。这项工作的第二阶段是将这个标准转换欧洲组织中的一个规范，其编号是CECC 000151，其标题为：“基本规范：静电敏感元件的保护第一部分：总体要求”。该标准1991年出版，1992年重新编号为EN 1000151。其它部分在1993年(第二部分：低湿度条件要求)和1994年(第三部分：清洁区要求，第四部分：高压环境要求)出版。这些部分的内容超出本文讨论范围。   )QD}R36Ic  
   @\?f77O f6  
    标准不仅包括安装、维护和检验本文所述的措施方面的要求，而且也详细阐述了包括测试方法在内的静电保护器件自身的详细要求。   ;>9pJ72r  
   eZi<C}z  
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只看该作者 沙发  发表于: 2023-07-05
    技术和工艺的不断发展和执行标准中积累的经验，以及自动化机械设备的普遍使用，使这些标准得到不断完善，包括使其结构更加合理化，同时将用户指南从标准化版本中分离出来。修订工作已纳入国际电工委员会所组织的国际论坛中，新制定的标准将在IEC 1340系列中发布，毫无疑问，这与欧洲标准是相辅相成的。有关标准部分如表2示： 表2 国际电工委员会1340方案结构   fJ)N:q`  
IEC 1340-1 {J,6iP{>ZN  
概要   eeW' [  
IEC 1340-1-1 U,Z"G1^  
静电原理指南   5 l41Q  
IEC 1340-1-2  ?YqJ.F;  
定义与术语   AVXX\n\_  
IEC 1340-2 tmO;:n<N  
静电测量方法   CY*ngi&  
IEC 1340-2-1 xn(+G$m  
静电荷的消耗   7"ylN"syZ  
IEC 1340-2-2 T)WZ_bR  
可充电性   \*f;!{P{  
IEC 1340-2-3 mD9STuA$H  
电阻及电阻系数   _9D|u<D  
IEC 1340-3 N H'1rt(w  
静电效应模拟方法   [f<"p[  
IEC 1340-3-1 `kv1@aQPL  
人体模型   IE& _!ce  
IEC 1340-3-2 n!GWqle  
机器模型   `5~7IPl3  
IEC 1340-3-3 充电元件模型   C&=x3Cz  
IEC 1340-3-4 CV'&4oq  
场效应模型   hlX>K  
IEC 1340-4 \X&]FZ(*  
特殊场合下的标准测试方法   S[v Rw]*  
IEC 1340-4-1 i-`,/e~XT  
地板垫子的估测   XJe/tR  
IEC 1340-4-2 x_yF|]aI!  
包装   vCj4;P g  
IEC 1340-4-3 sF y]+DB  
鞋类   l$F_"o?&S@  
IEC 1340-5 ASR-a't6  
静电敏感元件的防护细则   QV0M/k<'  
IEC 1340-5-1 ?4,@, ae&  
总体需求   D-6  
IEC 1340-5-2 V{!lk]p}a  
用户指南   [eyb7\#   
IEC 1340-6 >)LAjwhBp  
静电控制技术及评测其效应的方法   ,(P %z.P@  
IEC 1340-6-1 z=qWJQ  
电离剂 电子行业防静电措施 ZW>o5x__b  
生活,生产中静电可谓无处不在,无时不在,从举手投足间服装的磨擦,到干燥空气的流动,都是静电产生的青萍之末.如果条件适宜,发端乎几伏,登峰造极于几百上千伏,瞬间亦可实现.这些都对CMOS等静电敏感电路造成极大威胁,更不待说设备漏电造成的危害了,故电子行业无不将静电当成大敌,尽一切努力将之柜之门外. \*uugw,\y  
静电是相对于“动电”,即导体中的流动电荷而言,是一般情况下不流动的电荷.多由绝缘体物体间互相磨擦或干燥空气与绝缘物磨擦产生.当它能量积累到一定程度,防碍它中和的绝缘体再也阻挡不住时,即发生剧烈放电,即静电放电(ESD),这时的最高电压可达几千乃至几万伏.势必对静电敏感组件造成损害(见表1﹑表2) /jR8|sb  
表1  生产现场易产生的静电电压. mbyih+amCr  
生产场合 Tv\HAK<N  
静电电压   DcN"=Y  
湿度10~20% G]-%AO{K  
湿度65~90% `y2ljIWJ  
在地毯上走动时 ;|!MI'Af  
35000V +#~O'r]%GG  
1500V >yKpM }6l{  
在乙烯树脂地板上走动时 &Pq\cNYzW  
12000V 3p_b8K_bG  
250V KzG_ <<  
手拿乙烯塑料袋装入器件时 .b,~f  
7000V yp p4L|R  
600V 6.'$EtH  
在流水线工位接触聚酯塑袋时 Fc'[+L--Q  
20000V 4gOgWBv  
1200V 1i'Z ei)  
在操作工位与聚胺酯类接触时 Fg=v6j4W  
18000V rz.IoQo  
1500V X`1p'J D  
表2  静电对部分电子器件的击穿电压. Lm|al.Z  
器件类型 6m+W#]^  
EOS/ESD的最小敏感度 &SmXI5>Bo0  
(以静电电压V表示) h<Wg3o  
VMOS @.ZL7$|d  
MOSFET Gw{+xz KJ  
砷化镓FET RZh}:  
EPROM tS<h8g_  
JFET TQJF+;%  
SAW(声表面波滤波器) 1lcnRHO  
运算放大器 ?Y3@"rdR  
CMOS z0Xa_w=  
肖特基二极管 s$GF 95^  
SMD薄膜电阻器 8lwM{?k$  
双极型晶体管 ~`R1sSr"  
射极耦合逻辑电路 H$tb;:  
可控硅 D|Si )_ Iz  
    雷电是气流与云层中水滴磨擦产生的高压静电放电而形成,高压带电云层经过建筑物附近时,可由避雷针的"尖端放电"效应中和掉一部分电荷;当云层中电荷量太大,或云层移动太快而来不及全部中和时,将通过避雷针剧烈放电形成雷击.这两种情况下,尤其是雷击时,整个建筑物及附近地面都是带电的,雷击的危害主要是直击雷和雷电感应.由于人在建筑物中处于"等电位"状态,象鸟儿落在高压线上一样,所以一般不会受到雷击.但雷电感应(超高压静电感应和强电磁感应)会对静电敏感器件造成损害. Rp/-Pv   
    设备漏电,尤其是不会对人造成触电伤害的徽小漏电并不属于静电.虽然大多数情况下人们几乎感觉不到,但由于其普遍性(任何电器设备多少总有些漏电)和高内阻的特点,产生最高近似于电源电压(100~400V),时间很短的尖峰电脉冲,仍足以对静电敏感器件造成电气过载(EOS)损害.所以也是静电防护体系中极为重要的一个方面.
 
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Z.Pi0c+  
  静电放电(ESD)及电气过载(EOS)对电子元器件造成损害的主要机理有:热二次击穿;金属镀层熔融;介质击穿;气弧放电;表面击穿;体击穿等等。见附表3 M#M?1(O/NE  
元器件类别 zM59UQU;  
元器件组成部分 ~B_ D@gV|  
失效机理 MsjnRX:c3u  
失效标志 9} *$n&B  
MOS结构 v~5<:0dL  
MOSFET(分立) IVteF*8hU  
MOS集成 cyMs(21  
数字集成 [hU=m S8=^  
线性集成 (,LL[&;:  
混合电路 V2<i/6~  
  电压引起的介质击穿和接着发生的大电流现象 ;$;rD0i|  
短路漏电大 Gvn: c/m;  
半导体结 5Y-2 #  
二极管(PN.PIN肖特基) AZ wa4n}"  
双极晶体管 g1qi\axm  
结型场效应管 kCp)!hVQ  
可控硅 A&l7d0Z^j5  
双极型集成电路,MOSFET和MOS集成电路 !K\itOEP-  
  电过剩能量和过热引起的微等离子体二次击穿和微扩散 k4R4YI"jV  
由Si和AL的扩散引起电流束增大(电热迁移) /{we;Ut=g  
失效 e\.HWV]I  
薄膜电阻器 ifrq  
混合集成电路(厚膜、薄膜)电阻单片集成电路薄膜电阻器 C BlXC7_Mi  
密封薄膜电阻器 ^zeL+(@r/  
  介质击穿,与电压有关的电流通路与焦尔热量有关的微电流通路的破坏 q^6N+^}QN  
电阻漂移 .e$%[ )D  
金属化条 CB]l[hM$  
混合IC ;+/NjC1  
单片IC x@Vt[}e  
梳状覆盖式晶体管 V{$Sfmey  
  与焦尔热能量有关的金属烧毁 +2y&B,L_Wh  
开路 CWvlr nv  
场效应结构和非导电性盖板 ,Hh*3rR^  
存贮器 !x_t`78T  
EPROM等 Bb_Q_<DTs  
  由于ESD使正离子与表面积垒.引起表面反型或栅阀值电压漂移 :<UtHf<=k  
性能退化、失效 0etwz3NuW  
压晶体管 -lnevrl   
晶振声表面波 `WlH*p)z9  
电压过高产生的机械力使晶体破裂 tQ[]Rc  
性能退化、失效 w&C1=v -h  
电极阀的间距较小部位 -p^'XL*Z  
声表面波器件 "ZqEP R)  
IC内各种微电路 6Ty 3e|do  
电孤放电使电极材料熔融 U1kh-8  :  
性能退化、失效 Pl?}>G  
    防静电应以防止和抑制静电荷的产生,积聚,并迅速安全﹑有效地消除已产生的静电荷为基本原则.但防静电诸多措施实为一套系统工程,一个环节的疏漏可能就有千里之堤溃于蚁穴之臾,不可不慎 m:"+J  
,\}k~ U99  
  来源：世科网 o"4E+1qwM  
文章出自: 世科网 _[%n ~6  
 
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