静电对家电制造的影响以及设计预防

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 引言

  人们对静电现象并不陌生,当你看电视接触屏幕时会有电击麻木的感觉;当你脱下化纤毛衣时,可以听到“劈啪”的放电声,在黑暗中甚至会看见火花;你在日常生活中所感觉到、听到甚至看到的其实就是静电在放电,大自然中的雷电实质也是一种强大的静电放电现象。

  现在,静电已成了人们的亲密“伴侣”,对这种放电现象已经习惯,尽管它有时给人们带来不适,但这一切对人体来说并没有产生什么直接的危害。但对于电子设备而言却不同了,半导体器件的高密度、高增益对静电放电越来越敏感,MOS 电路的击穿仅为100 V,而新的器件仅为30 V 左右。静电放电(ESD)的危害性及静电防护的重要性,在现代电子制造业,越来越被人们所重视。事实上,ESD有关的损害继续给世界的电子制造工业带来每年数十亿美元的代价。

  静电产生的原因

  静电

  我们知道,物质都是由分子组成,分子是由原子组成,原子中有带负电的电子和带正电的质子组成。在正常状况下,一个原子的质子数与电子数量相同,正负平衡,所以对外表现出不带电的现象。但是电子环绕于原子核周围,一经外力即脱离轨道,离开原来的原子而进入其他的原子,使原子因缺少电子数而带有正电现象,另外的原子因增加电子数而呈带负电现象。这种物体表面所带过剩或不足的相对静止不动电荷,称之为静电。引起静电的方式通常有固体起电、感应起电、摩擦起电、人体带电等等。

  人体带电主要有三种形式。一是接触分离带电,即人在活动中衣服之间,与外界物质之间的摩擦,鞋与地面接触分离。二是感应带电;三是吸附带电,当人体在具有带电微粒空间活动时,由于带电微粒被人体所吸附,使人体带电。某些外界因素对静电产生的影响非常大,最主要的要数人体和湿度了。

  人为因素

  由于人在不停地运动,人的身体很容易带上静电荷;人的皮肤、头发和身体这样的绝缘材料会储存相当大数量的静电荷;由于人在操作,会将人体的静电传输(发射)电荷到元器件或设备上。

  低湿度(空气干燥)

  湿度对静电的积累和消散的影响很大,湿度较低时,静电电位高;湿度较高时,静电电位低。这主要因为湿度较高时,绝缘材料表面吸附了水分子(有时还有导电杂质)而降低了绝缘,便于静电泄漏。不同物质受湿度影响不同,吸湿性大的,容易被水份润湿,受湿度影响较大;吸湿性小,受湿度影响也小。如玻璃表面,易被水润湿,而石蜡、聚四氟乙烯等不易被水润湿的物质,受湿度的影响较小。

        所接触的材料类型

  不同的材料产生静电的大小不一样,特别是合成材料、普通塑料和绝缘体更容易产生或存储静电。

  静电放电(ESD)

  所谓静电放电,指具有不同静电电位的物体,由于直接接触或静电感应引起物体间的静电电荷转移。这是在静电场的能量达到一定程度后,击穿其间介质而进行放电的现象。

  静电在电子工业中的危害

  静电的危害

  静电放电对人体的影响似乎并不明显,但在电子元件的生产过程中,或在电子产品的安装、调试及检验过程中,如不消除静电,将会影响生产或降低产品质量。尤其是半导体器件和微电路生产行业,由于静电放电更会引起器件失效。

  随着科学技术的飞速发展,电子、邮电通讯、航天航空等高新产业的迅速崛起,尤其需求电子仪器仪表和设备等电子产品日趋小型化,多功能及智能化。高密度集成电路(如MCU)已成为电子工业对上述要求中不可缺少的器件。这种器件具有线间距短、线细、集成度高、运算速度快、低功率、低耐压和输入阻抗高的特点,因而导致这类器件对静电越来越敏感。静电放电(ESD)的能量,对传统的电子元件的影响甚微,人们不易觉察,但是这些高密度集成电路元件中,不论是MOS 器件,还是双极型器件都可能因静电电场和静电放电电流引起失效,或者造成难以被人们发现的"软击穿"现象,给整机留下潜在的隐患,直接影响着电子产品的质量、寿命、可靠性和经济性。

  静电放电引起的元器件击穿损害是电子工业最普遍、最严重的静电危害,它分即时失效和延时失效。

  即时失效是一次性造成元器件介质击穿、烧毁或永久性失效。延时失效是造成器件的性能劣化或参数指标下降,也就是说即使产品已经通过了所有的检验和测试,仍然有可能在送到客户手中后失效。

  下面是引起失效的的几种情况:

  对PN 结造成软击穿,产品可靠性下降;

  芯片内单晶硅金属镀模击穿,产品废品率上升;

  芯片内引线击穿使产品废品率上升。

  电子元件与ESD电压损害的关系

  不同的器件对静电放电(ESD)敏感程度不同。这种差别是由于器件的设计和掺入器件内的杂质成分不同而造成的。常见的元件与ESD电压损害关系见表1。

  从表1可以看出,VMOS 器件是对静电较敏感的器件之一,通常将这类器件称为静电敏感元件(SSD)。将30V称为静电安全电压。

  人是电子产品生产工作中的主体,由于人体的不停运动,加上人与地板、衣服等其他物体之间的摩擦、接触与分离,是主要的静电源,人体因各种活动而产生的静电电压约0.5~2kV,在湿度较低的环境中,其静电电压会增加10多倍。

  静电对家电制造的影响以及设计预防

  可以说静电是无处不在,这样就对家电制造提出了较高要求。

  机器产生的静电,我们可以通过让机器接地,这样可以有效解决机器产生的静电对制造中家电的损坏。

  对于人为产生的静电,可以查找到其产生的源头,从而从源头上解决。我们的思路很简单,就是给源头静电提供一个泄放通道,让其能够在到达敏感元件前将静电消耗掉。通过分析以及实际生产经验总结,最容易受到静电损伤的是MCU,而且危害也最大,一旦损坏,则整个家电都失去功效。所以我们一般会针对MCU采取以下一些简单方法来解决静电。

        RC电路或者单电阻、单电容电路

  我们知道,电阻是耗能元件,那么在静电的通路上放置一个合适大小的电阻将是一个理想的选择,而且成本也不高。

  该电路(图1)的设计思路就是将抗静电能力强的元器件放置在静电高的地方,将抗静电能力弱的元器件远离静电源,MCU放置在静电敏感器件端。

 

  单二极管电路

  对于部分电路,在通路上增加电阻可能会影响其固有功能的,可以采用对电源上拉或者下拉一个二极管(图2)。我们知道,静电是非常快速的,所以要求这个二极管反应速度也要快,否则,起不到泄放静电的作用。我们通常使用性价比比较高的IN4148(当然采用TVS管效果会更好,不过成本需要高一些)。


        RCD电路

  对于静电较大,或者希望达到更高的抗静电能力的,可以采用RCD(电阻、电容、二极管组合)电路(图3),但该电路成本比上面两种要高。

 

  除了在电路上采取一些措施外,我们还可以在设计PCB板时,在PCB板上采取些措施:

  地线采用单点共地的方式;

  如果可能,尽量每一个信号线附近都有地线,这样方便通过寄生电容来释放静电;

  静电一般都是尖端放电,所以可以在电路中故意设置一个锐角走线,然后在此锐角处设计静电防护;其它走线尽量宽而短;

  在线路上有意的预留一些安装电阻、电容位置,在生产中无法消除静电时,增加电阻、电容等消除静电。

  结语

  静电是无处不在的,其时时刻刻都影响着我们的生活,包括我们的身体、产品;只有我们充分认识了静电,才能避免其造成的影响,甚至可以利用其为我们服务。