電子設備靜電放電危害及防護技術分析

王 挺

(福建華通電訊工程有限公司,福建 福州 350000)

0 引言

電子設備是現代技術的成果,電子設備在集成化發展進程中,受到的靜電破壞的影響也持續加劇,擴大了靜電影響。 電子設備在靜電放電環境中,會表現出高感度特點,導致電子設備損壞和失效。 人們必須做好科學防護與干預,減小靜電放電對電子設備的傷害,保障電子設備應用的安全性。

1 靜電形成與不良危害

1.1 靜電形成

基于微觀角度分析,以原子理論為依據,技術人員可以判斷出電中性物質處于平衡狀態。 當原子核電子受到環境影響時,則會導致電子脫離軌道,原子缺少電子并帶有正電時,物體獲得電子帶負電。 不同介質系數的物體接觸與摩擦,會加劇電子轉移,當電荷持續積累后,會加劇物體帶電效應。 圖1 為靜電形成原理圖。基于宏觀角度分析可知,物體間摩擦會產生電子轉移,比如不同材料摩擦分離,都會出現帶有正電荷與負電荷的現象。 當處于靜電狀態時,由于材料性質不同,電量會受到材料性質、摩擦力、摩擦頻率的影響。 綜合分析可知,社會生產與日常生活都會產生靜電,為了防護靜電危害,技術人員需要綜合考慮靜電電量大小與感知情況。

圖1 靜電形成原理

1.2 靜電放電對電子設備的危害影響

第一,靜電危害的隱蔽性:靜電對電子設備的危害影響大,但由于靜電具備隱蔽性特點,因此電子設備危害的隨機性較強。 在操作電子設備時,由于人體對靜電感知的敏感度較弱,只有大于3 000 V 的靜電,才會被人體感知。 但是,電子設備元件受到微小靜電影響后,就會發生損毀問題,因此靜電對電子設備的危害具備隱蔽性特點。 第二,靜電對系統的干擾影響:靜電放電過程中,極易產生寬頻譜、高幅值的磁輻射,所以電磁脈沖會干擾電子設備,并且通過多途徑耦合到電子控制設備中,造成電子設備誤動,引發間歇式干擾影響、系統混亂等問題。 對于電子計算機設備,當瞬間流過機柜靜電電流較大時,會引發信號線、電流線噪聲,從而影響中央處理器性能,還會降低處理能力,產生數據影響。 靜電放電干擾脈沖、靜電放電,屬于接觸型電磁輻射,會加劇輻射噪聲,干擾信號線運行,同時會導致電子緩存器數據丟失[1]。

1.3 電子器件損毀

電子設備內部,主要為集成電路、場效應晶體管,屬于高敏感度電子元件,當受到靜電放電侵害后,會出現性能減弱、擊穿等現象,加劇電子設備損毀危害。 靜電放電所致電氣元件損壞的機理如下:金屬導電層出現燒毀、熱擊穿、介質擊穿、電弧放電等現象。 電子設備的集成電路、半導體元器件,都會由于毀壞機理而失效。 分析計算機維修記錄可知,設備損壞多是由靜電放電所致,在特殊環境下,靜電所致電子設備損壞率高達80%。

2 電子設備靜電防護機理

第一,為了降低靜電危害,必須控制靜電產生。 將屏蔽裝置安裝在電子設備上,此時靜電放電過程只會影響設備防護罩,不會對電子設備造成影響。 在靜電放電過程中,會產生放電能量、電磁脈沖,雖然靜電會影響屏蔽裝置,但是卻不會影響內部電子器件,所以降低靜電放電危害影響的意義顯著。 當無法應用屏蔽、接地措施,則需要改變空氣離子狀態,避免對靜電生成造成影響。 電子設備的絕緣要求高,但是如果無法應用屏蔽設備時,則要增加環境濕度,從而中和電荷,減少靜電產生。 通過減少材料的摩擦與接觸,也能夠有效控制靜電產生,比如屬于不容易起靜電的材料。 第二,控制靜電放電危害時,注重靜電聚集控制。 為了防止靜電聚集,需要應用接地處理措施,將防靜電設備、大地進行等電位連接。 針對摩擦所致靜電影響,也可以采用接電方式,將靜電電荷瀉放到大地中。 應用防靜電地墊、腕帶,防靜電劑等方式,也可以有效控制靜電積聚[2]。

3 靜電放電試驗

3.1 試驗原理

優化設計靜電放電的試驗裝置,利用充電電容器、放電電極頭,模擬受試設備的放電情況,模擬操作主要是在受試設備表面形成火花間隙。 針對電子設備,實施靜電放電測試,有助于掌握機箱屏蔽層、線路板外層的缺陷。 靜電放電試驗包括接觸放電和空氣放電形式。 其中,接觸放電屬于優先選擇的試驗方法;空氣放電可以應用到接觸放電無法使用的場所。 采用靜電放電試驗時,必須遵循標準技術要求實施。 圖2 為靜電放電試驗操作圖。

圖2 靜電放電試驗操作

3.2 試驗實施與操作

被試產品直接施加放電:靜電放電,只是施加在操作人員正常操作的電子設備上,集中在可接觸點與表面,提供允許用戶維修的點與面。 為了明確故障臨界值,試驗電壓應當從最小值開始,逐漸上升至選擇試驗值,但試驗值不能大于產品規范值,防止損壞產品。 試驗操作期間,靜電放電發生器放電極,應當垂直于被試產品表面,優化試驗結果的可重復性。 發生器放電回路電纜、受試產品的間距應當控制在20 cm。 被試產品間接施加放電:針對受試產品周邊物體放電,使用靜電放電發生器,模擬耦合板接觸放電方式。 耦合板包含水平耦合板、垂直耦合板。

靜電放電試驗時,極易出現以下現象:高靜電電壓、低靜電電壓,更容易引發電路干擾影響。 引發此種問題的原因,多是由于電壓水平較低時,帶電體接觸接地導體后,產生放電情況。 放電具備突發性特點,上升陡峭幅度比較大,因此整體干擾頻率較高。 當電壓中等時,帶電體與接地導體接近,由于二者電壓較高,會出現氣電分離、輝光放電現象。 在放電時,電流脈沖上升沿較長,整體效率低。 當電壓較高時,盡管會出現輝光發電現象,但是放電次數比較多,并且在多次放電序列中,也會產生低電壓放電,上升時間快,且高峰值電流大,嚴重干擾電路。

4 電子設備防靜電危害的對策措施

4.1 接地措施

接地防靜電措施的應用效果顯著,可以確保金屬導體接地,采用緊密連接方式,連接電子設備外殼與接地網絡,將靜電瀉放到大地。 應用此種方式,可以獲得顯著應用效果,避免靜電電壓上升,抑制靜電產生。 操作要點如下:第一,連接電子設備接地時,需要應用多股銅芯電線,截面積大于4 mm2,機械強度、耐腐蝕度較強。 應用接地處理措施時,嚴禁使用鋁制導線、非正規導線,同時要優化設計敷設方式,避免受到外部機械損傷影響,提升檢查便利性。 第二,防靜電接地、其他接地:工作接地,保護接地。公用接地網絡應當注重接地電阻平衡問題。優化安裝設計,科學設置電阻值,以此確保接地有效性。 第三,防靜電接地可以應用到大型移動電子設備上,通過大銅芯絞線、橡膠套銅芯電纜,將其作為接地支線。 安裝小型移動電子設備時,應用4 mm2電線。 第四,接地電纜應當與設備、接地網絡相連接,借助機械外力作用,可以加強線路與網絡的連接牢固性[3]。

4.2 屏蔽措施

應用金屬材料包裹設備表面,同時做好接地處理,實現靜電控制效果。 設備的屏蔽效果,并非防止靜電產生,而是通過屏蔽方式,避免帶電物體與設備接近。 使用屏蔽措施時,必須深入分析設備使用情況。 如果操作頻繁,則無法起到組合屏蔽效果。 所以在具體操作時,必須確保操作滿足標準化接地要求。

4.3 防靜電地板

工作人員使用流動帶靜電體或導體,利用人體將設備靜電傳導至大地。 設備機房地面使用高電阻材料,比如防靜電地板。 一般情況下,電子設備機房地面泄流電阻應當低于100 Ω。

4.4 加濕處理

增加濕度不僅可以降低靜電產生量,還可以提升物體導電率。 隨著濕度率的增加,靜電產生量逐漸減少。 當前,可用的加濕設備比較多,比如超聲波加濕器實用性與經濟性高,可以推廣應用。 但是,并非所有場合都可以應用加濕處理法,需要依據具體情況合理使用。

4.5 液相法、氣相法、固相法的使用

液體游離子可以中和空氣內的靜電荷,從而起到防護靜電效果。 液相法是使用特質液體藥劑,充分接觸空氣后,可以形成游離狀態帶電離子。 氣相法是使用帶電離子發生器,將帶電離子送入空氣內,中和空氣游離靜電荷。 固相法是對設備、人體、靜電物體實施的防靜電處理。 低導電率材料可以加速電荷擴散,因此被稱為固相法。

4.6 串聯接地、并聯接地、網狀接地

在電子設備靜電防護中,設備外殼接地為常見措施。 在接地方法上,可以劃分為串聯接地、并聯接地、網狀接地。 第一,串聯接地:串聯接地為常見方法,盡管會產生電位差,存在電位間放電現象。 然而,接地電子較小,可以確保點位放電的可能性。 所以,當系統要求較低時,則采用簡單的接地方式。 第二,并聯接地:并聯接地可以連接電子設備與地線,處理好串聯接地的電位差問題,相應增加工程量。 考慮到項目要求、成本預算要求,選擇并聯接地方式。 第三,網狀接地:此種方式是結合并聯方式、串聯方式,形成網狀接地方式。 電子設備接地線可以連接地下網狀地線路格,尤其是交叉節點。 此種接地方式不僅能夠均衡電位差,還可以加強系統設備的電磁干擾防護效果。 然而,由于前期工程量較大,成本預算高,因此多應用到大型重點項目中。

4.7 專用靜電防護設備

靜電防護設備可以中和空氣中的帶電離子。 在電氣設備運行過程中,此種防靜電設備效果顯著。 同時,做好人體靜電預防,人體是靜電的重要攜帶者,所以在電子設備工作間入口處放置導電體接地,進出人員手持導電體,排除人體所帶靜電,同時要穿戴工作服、防靜電服[4]。

4.8 信號地與機箱單點連接

當電路、機箱連接在一起,采用1 點連接方式,避免電流流經電路。 當機箱電流流經電路時,會產生較大的干擾影響。 此外,連接信號地、機箱操作,當靜電放電時,機箱電位升高,線路板、機箱連接在一起,電路板電位持續升高,可以避免線路板、機箱電位差所致放電影響。

4.9 優化電纜設計

技術人員利用系統內的電纜可以感應出高電流與高電壓。 電纜接收靜電放電輻射噪聲,優化電纜保護系統設計,能夠加強系統抗靜電放電干擾效果。 為了避免靜電放電輻射耦合到電纜,電纜要采用屏蔽電纜方式。 兩機箱采用屏蔽電纜互連,利用電纜屏蔽層將兩個機箱連接在一起。 電纜屏蔽層、機箱采用360°搭接,以此確保低阻抗效應。 此種方式可以使兩組機箱電位同升、同降,避免一臺機箱靜電放電。 然而,共模電壓升高時,會影響另一臺機箱。

5 結語

綜上所述,在使用電子設備時,基于靜電形成、放電原理分析,應用科學防護技術控制靜電危害,可以采取接地措施、屏蔽措施、防靜電地板、加濕處理、專用靜電防護設備等防護措施,確保信號地與機箱單點連接,優化電纜設計,全面保障電子設備運行安全性。