靜電放電對(duì)試驗(yàn)任務(wù)測(cè)試設(shè)備的影響及防護(hù)

丁 磊 徐慧娟 潘 濤

（1.中國人民解放軍63601部隊(duì)，酒泉 735000；2.中國人民解放軍63620部隊(duì)，蘭州 732750）

1 引 言

隨著光電技術(shù)的快速發(fā)展，光耦器件廣泛應(yīng)用于信號(hào)隔離、開關(guān)電路和驅(qū)動(dòng)電路等電路集成度高的試驗(yàn)任務(wù)測(cè)試設(shè)備中。測(cè)試設(shè)備的電路集成度越高，體積越小，從而導(dǎo)致導(dǎo)線間距越小，絕緣膜越薄，致使耐擊穿電壓越低。理論分析表明，試驗(yàn)任務(wù)測(cè)試中存在靜電釋放（ESD）現(xiàn)象，且產(chǎn)生足夠高的電壓。例如，對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行插拔電纜、人體接觸設(shè)備的I/O端口、移動(dòng)設(shè)備、靜電場(chǎng)及電磁干擾等所產(chǎn)生的ESD現(xiàn)象遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其擊穿電壓閾值，從而造成光耦器件擊穿或失效。

在某試驗(yàn)任務(wù)發(fā)射模飛流程測(cè)試中，遠(yuǎn)程控制臺(tái)點(diǎn)火按鈕按下后，靶場(chǎng)地面T0臺(tái)未收到遠(yuǎn)程控制臺(tái)發(fā)出的T0時(shí)統(tǒng)信號(hào)，導(dǎo)致發(fā)射推遲。遠(yuǎn)程控制臺(tái)內(nèi)部點(diǎn)火信號(hào)示意圖如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程控制臺(tái)內(nèi)部點(diǎn)火信號(hào)示意圖

試驗(yàn)結(jié)果分析表明，ESD現(xiàn)象導(dǎo)致控制臺(tái)T0驅(qū)動(dòng)支路光耦輸出發(fā)生可逆性故障，造成遠(yuǎn)程控制臺(tái)與靶場(chǎng)T0的時(shí)統(tǒng)信號(hào)不通。在試驗(yàn)任務(wù)測(cè)試中，如果采取的防靜電放電的安全防護(hù)措施不當(dāng)，極可能出現(xiàn)因靜電放電或靜電場(chǎng)作用，導(dǎo)致電子設(shè)備失靈或產(chǎn)生誤動(dòng)作。因此，試驗(yàn)任務(wù)中必須高度重視靜電放電對(duì)測(cè)試設(shè)備的危害并采取合理的防護(hù)措施，以防止測(cè)試設(shè)備故障對(duì)試驗(yàn)流程所產(chǎn)生的影響。

2 故障分析

2.1 光耦器件工作原理

遠(yuǎn)程控制臺(tái)T0驅(qū)動(dòng)支路光耦器件采用的是ASSR-1611型，當(dāng)按下點(diǎn)火按鈕后，遠(yuǎn)程控制臺(tái)內(nèi)部線性穩(wěn)壓器輸出3.3V控制電壓控制反向器內(nèi)部接通，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）器件輸出高電壓控制反向器正向?qū)āｋ娐分泄怦钇骷_1、引腳2接通，同步點(diǎn)火指令輸出為500ms開關(guān)量信號(hào)，控制光耦器件輸入級(jí)紅外發(fā)光二極管工作，并光耦合到高輸出電壓檢測(cè)電路，使檢測(cè)電路閉合工作，此時(shí)整個(gè)通路閉合500ms。檢測(cè)電路由1個(gè)高速光伏二極管陣列和驅(qū)動(dòng)電路組成，用于控制2個(gè)獨(dú)立的高電壓場(chǎng)效應(yīng)管（MOS）。控制臺(tái)T0輸入5V電壓，由光耦器件引腳4、引腳6進(jìn)入，分別通過2個(gè)MOS管至光耦器件引腳5輸出5V電壓，通路閉合的同時(shí)控制臺(tái)T0檢測(cè)到基準(zhǔn)電壓降為0V，此時(shí)遠(yuǎn)程控制臺(tái)發(fā)出500ms的T0信號(hào)至控制臺(tái)T0。其中，兩路MOS管在電路中起到雙冗余作用。ASSR-1611型光耦在電路中的工作原理圖如圖2所示。

圖2 ASSR-1611型光耦在電路中的工作原理圖

2.2 失效機(jī)理

靜電是一種處于靜止?fàn)顟B(tài)的電荷或不流動(dòng)的電荷，當(dāng)電荷聚集在某個(gè)物體時(shí)就形成了靜電。當(dāng)帶靜電的物體接觸到零電位物體（接地物體）或與其有電位差的物體時(shí)都會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，該過程可能會(huì)損傷元器件[1]，其損傷程度與靜電放電模式有關(guān)。

在靶場(chǎng)測(cè)試過程中，靜電放電對(duì)光耦器件造成損傷的主要有3種模式：人體放電模式、機(jī)器放電模式和充放電模式。

2.2.1 人體放電模式

因靶場(chǎng)天氣干燥，濕度不足20%，人體極易通過衣物摩擦等原因攜帶靜電，人體靜電可能經(jīng)由時(shí)統(tǒng)線傳遞至光耦引腳而進(jìn)入光耦次級(jí)的MOS管內(nèi)。一般情況下，靜電場(chǎng)感應(yīng)出的電位差不會(huì)導(dǎo)致器件失效，但器件管腳可能出現(xiàn)短路，引起與管腳相連的導(dǎo)電部分電場(chǎng)發(fā)生畸變，導(dǎo)致MOS器件的柵氧化物被擊穿[2]。當(dāng)引起擊穿的能量不足以使被擊穿的電極材料熔化時(shí)，靜電放電結(jié)束后，需要經(jīng)過一個(gè)上電周期來使器件恢復(fù)至正常工作模式。人體靜電放電等效電路圖如圖3所示。

圖3 人體靜電放電等效電路圖

2.2.2 機(jī)器放電模式

大多數(shù)機(jī)器都是用金屬制造的，機(jī)器放電模型的等效電阻極小，電容相對(duì)較大，故其放電過程更短，在幾納秒到幾十納秒之間會(huì)產(chǎn)生數(shù)安培的瞬時(shí)放電電流。在金屬機(jī)器與遠(yuǎn)程控制臺(tái)相互接觸、分離的瞬間，遠(yuǎn)程控制臺(tái)可能會(huì)有瞬態(tài)放大電流能量被集中注入，導(dǎo)致其內(nèi)部集成電路的耦合器件有所損壞，機(jī)器放電模式相比于人體放電模式來說對(duì)光耦器件的破壞力會(huì)更大。放電機(jī)器靜電放電等效電路圖如圖4所示。

圖4 放電機(jī)器靜電放電等效電路圖

2.2.3 充放電模式

遠(yuǎn)程控制臺(tái)在裝配、運(yùn)輸、儲(chǔ)存及靶場(chǎng)測(cè)試過程中，由于殼體與其他材料摩擦使得其表面產(chǎn)生靜電或電荷，從而使遠(yuǎn)程控制臺(tái)內(nèi)部集成電路積聚靜電或電荷。當(dāng)遠(yuǎn)程控制臺(tái)連接地線時(shí)，光耦器件引腳間接接地，靜電放電產(chǎn)生的微秒寬的窄脈沖在耦合器件的響應(yīng)時(shí)間之內(nèi)，即使感應(yīng)產(chǎn)生較低的電壓，耦合器件也可能被損壞。將攜帶靜電的電纜插到遠(yuǎn)程控制臺(tái)插座上，內(nèi)部集成電路光耦器件受到ESD現(xiàn)象沖擊，此時(shí)放電回路的電阻幾乎為零，使得幾十安培的瞬間放電尖峰電流流入光耦器件引腳，導(dǎo)致產(chǎn)生的靜電放電電磁脈沖能量損壞集成電路中的光耦器件。充放電模式靜電放電等效電路圖如圖5所示。

圖5 充放電模式靜電放電等效電路圖

2.3 故障復(fù)現(xiàn)及可逆現(xiàn)象

為了驗(yàn)證光耦器件靜電敏感性，試驗(yàn)人員使用靜電放電發(fā)生器模擬操作人員或物體在接觸設(shè)備時(shí)產(chǎn)生的放電，以檢測(cè)光耦芯片1號(hào)、2號(hào)的抗靜電電平抗干擾能力。試驗(yàn)參考靶場(chǎng)環(huán)境濕度參數(shù)，搭建光耦測(cè)試環(huán)境，將光耦引腳1串聯(lián)250Ω電阻后引出，將光耦引腳6與引腳4跨接后引出，同時(shí)引出光耦引腳2與引腳5。靜電測(cè)試光耦引腳接線圖如圖6所示。

圖6 靜電測(cè)試光耦引腳接線圖

先將直流電源（3.3V）接入2個(gè)光耦芯片的初級(jí)引腳1與引腳2間，次級(jí)導(dǎo)通，引腳5接地；再使用靜電放電發(fā)生器對(duì)光耦芯片進(jìn)行測(cè)試。靜電放電測(cè)試過程如表1所示。

表1 靜電放電測(cè)試過程

對(duì)2個(gè)光耦芯片靜置約16h后進(jìn)行性能測(cè)試：光耦1號(hào)次級(jí)開路，初級(jí)導(dǎo)通時(shí)次級(jí)不導(dǎo)通，未恢復(fù)；光耦2號(hào)次級(jí)短路，未恢復(fù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，2kV多次放電光耦芯片不會(huì)損壞，4kV少次放電光耦芯片產(chǎn)生不可逆損壞，2~4kV間存在可逆損壞的電壓區(qū)間。理論分析證明，靜電放電失效的原因取決于光耦器件承受外界瞬時(shí)放電應(yīng)力及集成電路對(duì)地的絕緣程度。只有確定靜電放電敏感區(qū)間，才能制定合理的消除靜電措施，選擇具體的靜電放電控制流程或電路設(shè)計(jì)方案。

3 消除靜電危害

3.1 消除靜電危害的基本原則

任何靜電危害的發(fā)生，都必須同時(shí)具備3個(gè)基本要素：靜電源、耦合路徑、敏感器件。只有這3個(gè)要素同時(shí)滿足時(shí)，才能形成靜電危害。因此，只要控制3個(gè)要素中的任何一個(gè)，就能夠完全消除靜電危害。消除靜電危害的基本原則有：（1）控制靜電電荷聚積，防止危險(xiǎn)靜電源的形成；（2）切斷靜電源和敏感器件之間的耦合路徑，減小試驗(yàn)場(chǎng)所的潛藏危害；（3）加固或更換敏感器件，降低靜電對(duì)測(cè)試設(shè)備的損害。

3.2 消除靜電危害的措施

根據(jù)靜電安全防護(hù)原則，結(jié)合靶場(chǎng)技術(shù)陣地測(cè)試廠房和發(fā)射陣地測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，保證靶場(chǎng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)具備防靜電的設(shè)施及相關(guān)措施安排。具體消除靜電危害的措施主要有控制靜電源、切斷耦合路徑及加固或更換耦合器件等方式。

3.2.1控制靜電源

3.2.1.1 靜電接地措施

（1）測(cè)試設(shè)備良好接地。靶場(chǎng)技術(shù)陣地測(cè)試廠房和測(cè)試大廳墻壁上，通常設(shè)置嵌入式固定防靜電接地端，分為測(cè)試接地、產(chǎn)品接地和設(shè)備接地。設(shè)備接地是連接出來供操作人員釋放身體靜電和連接防靜電手環(huán)使用的專用地。測(cè)試期間為了保證測(cè)試設(shè)備性能正常，選擇連接設(shè)備接地端，以便于因各種原因在測(cè)試設(shè)備上形成的電荷可以直接釋放到地，從而保證測(cè)試設(shè)備接地良好。在發(fā)射陣地測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，常見防靜電接地樁有移動(dòng)式和固定式兩種，根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境決定采用相應(yīng)形式。

（2）按規(guī)定穿著防靜電工作鞋、襪和工作服，戴防靜電手環(huán)。具有導(dǎo)電性的工作鞋、襪、衣服和防靜電手環(huán)，可以隨時(shí)隨地釋放掉人體上附著的靜電，防止絲綢或合成纖維衣料的衣服摩擦形成的靜電荷，防止靜電在衣服或人體上積累。防靜電工作鞋、襪和工作服，戴防靜電手環(huán)必須與皮膚緊密接觸，以保證其上附著的電荷可以通過人體向大地釋放。防靜電手環(huán)的選擇，應(yīng)該考慮手環(huán)的舒適性、耐用性、接地線長度和接地線延展性等方面。在使用時(shí)，要按正確方法佩戴手環(huán)，手環(huán)插頭應(yīng)該與手環(huán)接地點(diǎn)直接相連，不可與測(cè)試設(shè)備串聯(lián)接地，應(yīng)確保手環(huán)接地線可靠接地。在任何情況下都不允許佩戴不接地的自感應(yīng)放電式手環(huán)。

（3）設(shè)置人體靜電泄放裝置。人體靜電泄放裝置具備低阻值接地電阻通路。在工作區(qū)入口處設(shè)置人體泄放靜電的接地棒，操作人員進(jìn)入工作區(qū)前、后通過觸摸接地棒釋放靜電，能夠迅速將人體靜電導(dǎo)向大地，防止人體帶靜電進(jìn)出工作區(qū)，減少因?yàn)殪o電而導(dǎo)致的損失。

3.2.1.2泄漏導(dǎo)走措施

（1）調(diào)節(jié)環(huán)境濕度。靶場(chǎng)的冬季和春季比較干燥，由靜電所產(chǎn)生故障的概率較大。靜電的積累和消散主要取決于周圍空氣的濕度，若濕度較低，則靜電電位高；若濕度較高，則靜電電位低。這主要是因?yàn)闈穸容^高時(shí)，絕緣材料表面吸附了水分子而降低了表面電阻率，增加靜電沿絕緣體表面的泄漏，帶靜電區(qū)的靜電荷則能較容易地進(jìn)行中和或?qū)氪蟮?。所以在靶?chǎng)技術(shù)陣地測(cè)試廠房和測(cè)試大廳應(yīng)考慮保持一定的濕度。從消除靜電危害的角度考慮，保持相對(duì)濕度在70%以上較為適宜。

（2）加抗靜電添加劑?？轨o電添加劑是一種減少靜電雜質(zhì)的化學(xué)藥劑，具有很好的導(dǎo)電性及較強(qiáng)的吸濕性。在容易產(chǎn)生靜電的高絕緣材料上，加入微量抗靜電劑之后，能增加材料的吸濕性或離子性，降低材料的體電阻或表面電阻，加速靜電釋放，消除靜電危害。

（3）選用導(dǎo)電材料、絕緣材料制作元器件或測(cè)試設(shè)備。測(cè)試設(shè)備可采用絕緣材料制成容器內(nèi)層，襯以導(dǎo)電層或金屬網(wǎng)絡(luò)，并予以接地；對(duì)于易產(chǎn)生靜電的元器件，盡可能采用導(dǎo)電材料代替普通橡膠，加速靜電電荷的釋放。

3.2.2切斷耦合路徑

（1）安全操作。在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，一般不得穿化纖工作服，不得攜帶/穿戴與工作無關(guān)的金屬物品，如手表、硬幣、鑰匙、戒指等；操作人員不能用手或身體各部位直接接觸測(cè)試設(shè)備的外露引線；插拔電纜或連接測(cè)試設(shè)備前，先進(jìn)行釋放靜電操作；明確測(cè)試設(shè)備上電順序，設(shè)備連接好后再上電。

（2）減少摩擦。在操作測(cè)試設(shè)備時(shí)，應(yīng)輕拿輕放，切忌撞擊和摩擦。在測(cè)試設(shè)備上操作，如測(cè)試設(shè)備出箱或裝箱、連接高/低頻電纜和包蓋各種罩布等均應(yīng)盡量減少摩擦，最大限度地避免摩擦起電效應(yīng)。

（3）測(cè)試設(shè)備接地、屏蔽。測(cè)試設(shè)備展開后，用地線串聯(lián)或并聯(lián)接在每臺(tái)設(shè)備外殼上，保證大量的電荷能通過地線釋放到地。接地良好的測(cè)試設(shè)備外殼對(duì)內(nèi)部起到屏蔽作用，對(duì)測(cè)試設(shè)備內(nèi)敏感的器件均應(yīng)該采取合適的屏蔽措施。

3.2.3加固或更換耦合器件

采用兩路電磁繼電器代替一路光耦繼電器設(shè)計(jì)方案，利用電磁繼電器的電磁感應(yīng)原理，通過電磁鐵的力量來控制電路通斷。在遠(yuǎn)程控制臺(tái)上增加時(shí)統(tǒng)信號(hào)指示燈，在時(shí)統(tǒng)線纜連接T0設(shè)備的散線端上增加接線端子，并從接線端子處引出時(shí)統(tǒng)信號(hào)監(jiān)控線，監(jiān)控線連接三用表，用于時(shí)統(tǒng)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。具體設(shè)計(jì)方案是將遠(yuǎn)程控制臺(tái)T0驅(qū)動(dòng)電路支路內(nèi)部FPGA通過通用輸入/輸出口（GPIO）輸出的1路脈沖信號(hào)分成3路，驅(qū)動(dòng)3個(gè)三級(jí)管，當(dāng)使能高電平觸發(fā)后，2路繼電器和1路LED同時(shí)導(dǎo)通500ms，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制臺(tái)發(fā)出500ms的T0信號(hào)至控制臺(tái)T0。更改設(shè)計(jì)方案示意圖如圖7所示。

綜上所述，按照消除靜電危害的基本原則，分析靶場(chǎng)存在物的不安全狀態(tài)和人的不安全行為，可以對(duì)靜電危害形成的考慮更加全面、更加嚴(yán)謹(jǐn)，能夠準(zhǔn)確定位靜電危害形成原因，并采取有效的管理措施和技術(shù)手段，防止靜電危害的發(fā)生。

圖7 更改設(shè)計(jì)方案示意圖

4 結(jié)束語

通過對(duì)某試驗(yàn)任務(wù)中遠(yuǎn)程控制臺(tái)T0驅(qū)動(dòng)支路光耦器件失效故障和機(jī)理進(jìn)行分析，確定光耦器件是在試驗(yàn)測(cè)試過程中引入靜電和靜電放電所致。航天靶場(chǎng)各型號(hào)試驗(yàn)任務(wù)都包含大量集成電路設(shè)備、計(jì)算機(jī)等ESD敏感設(shè)備，加上常年環(huán)境濕度偏低，更加誘發(fā)了靜電放電的可能。為了確保試驗(yàn)任務(wù)順利進(jìn)行，需要有效地消除靜電危害，為此，本文針對(duì)性地提出了靜電防護(hù)措施和改進(jìn)方案，為靶場(chǎng)靜電防護(hù)工作提供了有益參考。