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什么是ESD及ESD保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2017-04-27 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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察覺地通過最后測(cè)試,而只在發(fā)貨到顧客之后出現(xiàn)過早的現(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,它是不可見的,但又能達(dá)到損壞電子元件的地步。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(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(dòng)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(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或踵帶和合適的衣服,都是設(shè)計(jì)用來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。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(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,來中和累積在絕緣材料上的任何電荷。
 
一個(gè)常見的謬論是認(rèn)為因?yàn)樵诠ぷ髡編狭送霂В搮^(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。
 
什么是ESD及ESD保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
 
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:
 
  1. 桌面型(單個(gè)風(fēng)扇)
  2. 過頂型設(shè)備(在單個(gè)過頂?shù)膯卧獌?nèi),有一系列的風(fēng)扇)
  3. 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,如果沒有對(duì)ESD設(shè)備有效性的正常測(cè)試和監(jiān)測(cè),那么沒有一個(gè)保護(hù)計(jì)劃是完善的。一流的ESD控制和離子化專家報(bào)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(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)器可通過消除許多日常任務(wù)來簡(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,但常常可以看到操作員因?yàn)橥霂啥蛘咄ㄟ^測(cè)試或者失效。許多操作員企圖通過用另一只手簡(jiǎn)單抓著測(cè)試儀靠近其手腕來通過測(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?。ESD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。不過到那時(shí),IC通常早已因過熱而燒毀了。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)問題。
 
一個(gè)問題是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)。如果供電電源沒有吸入電流的能力(通常來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。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,無線和紅外線方式。
 
以上內(nèi)容轉(zhuǎn)載自電子工程專輯。
 
 
 
 
 
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