靜電危害分析及預防措施

丁 濤

（新疆空管局，烏魯木齊 830016）

隨著科技進步，高分子材料、大規模集成電路廣泛應用于各種行業，靜電帶來的危害日趨凸顯。在生活生產中最主要的靜電源是人體所攜帶的靜電，由于人體自身動作或與物體摩擦可以存儲成千上萬伏的靜電，碰到放電體就發生ESD，產生寬頻帶電磁輻射干擾，干擾電子設備或儀器儀表、放電電流致使電子元件失效甚至損傷，也可能引發危險品事故[1-3]。在航空航天工業中，ESD、電子電氣（EOS）、電磁干擾（EMI）和電磁兼容（EMC）對于飛機、飛船和衛星都是十分重要的。靜電防護的本質是降低靜電電荷累積和安全泄放問題。

1 靜電問題及典型放電事件

靜電放電（ESD）是過電應力的一個分類，會導致器件立即失效、永久的參數改變，以及引起退化EMI、ESD加速潛在損傷。其至少由3種因素之一引起：局部發熱，高電流密度和高電場梯度，或幾安培電流的持續存在將能量轉移到器件結構中導致損壞。ESD危害元器件的常見形式包括人體對器件放電、機器對器件放電，都會瞬間導致器件損壞。根據資料統計靜電放電的損害約10%造成電子元器件當時失效，而90%會造成積累效應。通常，一次ESD元件內部會存在輕微損傷，隨著ESD次數的增加，積累效應越來越明顯，最終導致元件失效。有些靜電損傷現象很難區別于其他原因造成的損傷，掩蓋了失效的真正原因。

電纜放電事件（Cable Discharge Event，CDE）正成為不同規模系統日益關注的事件。CDE事件是可控制的，在大型計算機系統中，在電纜與系統電連接之前，通過嚴格的步驟并使用防靜電手環和“觸摸板”按鈕對電纜進行放電。ESD和EMI均是系統級需要關注的問題，帶電電纜放電是電氣系統需要關注的問題。電纜作為傳輸線，即具有電容特性、電感特性。儲存在電纜中的電荷可通過單位長度的儲存電容量來計算。隨著電纜長度的增加，電纜儲存電荷數量也隨之增加。在未連接插座的電纜中，電荷隔著絕緣層儲存于中心導體和外層導體之間。當絕緣層兩側電壓超過其擊穿電壓時，外層與內層導體之間就會放電。若絕緣層2側電壓一直低于其擊穿電壓，那么儲存的電荷將繼續保留在電纜中，使電纜帶電。當帶電電纜中心導體接近某系統時，中心導體和電氣系統的輸入端就會發生電弧放電。當電纜對系統級輸入端放電時，將產生大電流并流入信號引腳，導致集成在系統器件內部的半導體芯片發生互補金屬氧化物半導體（CMOS）閂鎖效應。

計算機房的防靜電技術，是屬于機房安全與防護范疇的一部分。靜電放電產生的原因在于帶電物體周圍所產生的磁場強度已經超過了周圍其他介質的絕緣體，同時還擊穿了這些介質的磁場強度。靜電不僅會使計算機運行時出現隨機故障、誤動作或運算錯誤，而且還可能會導致某些元器件，如CMOS、金屬半場效晶體管（MOS）電路及雙級性電路等的擊穿和毀壞。靜電還會造成網卡、傳真等工作失常，打印機的打印不正常等故障。靜電引起的問題不僅硬件人員很難查出，有時還會使軟件人員誤認為是軟件故障，從而造成工作混亂。

在靜電放電的過程中，電磁輻射在電子元件中會產生干生電流導致元件的極性發生翻轉，還會產生一定的電磁雜波，雖然對設備硬件帶來的損傷較小，但是對電路處理會帶來較大的影響，導致通信設備間接性失效以及數據丟失[4]。

靜電放電產生電磁場，近距離會有較大的寄生電容和較小的耦合阻抗，更容易被干擾。CPU散熱器容易成為對主IC干擾的“路徑”，如圖1所示。

圖1 靜電干擾CPU

放電點1和放電點2，都可以通過寄生電容C1和C4耦合到散熱器上，散熱器上面的靜電又會通過C3和C2耦合到CPU內部和引腳上面，以及外圍布線。CPU的引腳對于高頻干擾來說，阻抗很大，將產生脈沖電壓會造成CPU邏輯翻轉。

2 靜電相關因素

2.1 靜電載體

當物體之間互相摩擦、碰撞或發生電場感應時，都會引起物體表面的電荷積聚產生靜電。人體是一種特殊的靜電載體，是一種最典型的靜電危險源。人體行走或者與其他物體摩擦導致電荷積累，積聚在人體上的電荷稱為人體靜電。干燥的季節，人體靜電可達幾千伏甚至幾萬伏，低電壓靜電不會對人體有什么害處，但過大就有可能會造成嚴重危害。當人體與大地絕緣時，人體就好像電容。當環境干燥濕度低于30%時，人體對地電阻很大，更容易積聚靜電。在電位小于等于50 kV時放電而形成的火花，瞬時輸出功率可高達幾十千瓦[5]。人體正常速度行走靜電積累情況如圖2所示。

圖2 人體正常速度行走靜電積累情況

2.2 環境靜電

環境靜電只受相對濕度影響。環境濕度對人體靜電積聚有很大影響，增大濕度會顯著減小人體靜電的最大電位。空氣濕度大時，服裝表面會形成一層水膜，水膜溶解空氣中的CO等物質形成導電水溶液，人體積聚的電荷消散很快[6]。在高濕度條件下，物體表面凝結或吸附一層薄薄的水膜增強了材料的導電性[5]，濕度（RH）對靜電感應電壓的影響見表1。

表1 分光測色儀測試結果

表1 濕度對靜電感應電壓的影響 V

2.3 半導體器件靜電敏感度等級

靜電放電使人體僅僅感覺不舒服并無大礙，但電子元器件絕大多數均對靜電敏感，ESD會影響電子產品質量。因此對半導體元器件的靜電放電敏感（ESDS）有專項要求，GJB 1649—93《電子產品防靜電放電控制大綱》規定ESDS的分類，見表2。

表2 常見半導體器件靜電敏感度閾值 V

2.4 ESD模型

靜電放電ESD（Electro Static Discharge），是指具有不同靜電電位的物體相互靠近或直接接觸時所引起的電荷轉移。靜電放電是一個復雜多變的過程，人們通過研究靜電產生原因、放電特性，生產出各種ESD模擬器，可以直觀地進行靜電放電實驗和抗靜電檢測與評估。目前IEC國際電工委員會對這些ESD模型都給出了相應的電路參數和標準的實驗方法。由于人體是主要的靜電危險源，下面僅對人體靜電模型作以下介紹。

人體放電模型（Human Body Model，HBM）。這種模型用于表示帶電人體放電時與器件或物體的相互作用。模型假設人體帶電為初始狀態，然后用手指接觸了器件或物體，帶電人體與器件或物體的物理接觸使得兩者之間發生了電流轉移。HBM事件的特征時間與模擬人體的電子元器件有關。在HBM標準中，模擬帶電人體的電路元件是一個與1 500 Ω電阻器串聯的100 pf電容器，等效電路模型包括1個電容和1個電阻。這個電路有特征上升時間和延遲時間[7]。特征延遲時間與下列電路時間相關

式中：RHBM是串聯電阻；CHBM是充電電容，τ是充電電源的特征時間。人體放電模型（HBM）的脈沖波形如圖3所示，等效電路模型如圖4所示。

圖3 人體放電模型（HBM）的脈沖波形

圖4 人體模型（HBM）等效電路模型

3 靜電的預防辦法

3.1 接地

對于生產環境來說，在適當位置有一個有效的接地及連接系統，以避免有害的靜電放電（ESD）失效非常重要，ANSI/NFPA 70《美國國家電氣規范》等為正確接地提供了指導。在ESD防護工作區，建立“公共接地點”用于ESD防護工作臺面、ESD防護墊、桌子抽屜、固定裝置和人員的接地。為驗證“公共接地點”的符合性，需要使用交流電插座分析儀、交流電路測試儀。作為驗證ESD安全區的一種手段，人員接地點與公共接地點之間的連接及電插座必須經過檢查以防失效。等電位連接對于消除2個物體間的靜電放電也很重要。當操作者區域的所有物體和敏感零部件處于等電位時，就不會發生ESD事件。靜電接地是靜電泄放的主要方法，而且是最簡單有效的方法，接地/等電位連接要求見表3。優先選擇電源保護接地系統，既沒有電源保護接地系統又沒有功能接地裝置可利用時，應使ESD電子產品、人員和其他導體進行等電位連接。

表3 接地/等電位連接要求

3.2 使用人體靜電消除器釋放靜電

靜電防護是在有效降低靜電累積基礎上的安全泄放。根據人體放電模型，放電時間（t≤1 s）9 000 V靜電壓人體放電沖擊程度，手腕和胳膊感覺到疼痛和感到麻痹，對敏感器件放電太快也易受ESD損害。放電慢（t≥1 s）靜電泄放緩慢，高電壓對敏感器件造成損傷。試驗證明放電電壓釋放至100 V所需時間t=1 s，電路是安全的[6]。人體靜電消除器如圖5所示，設計參考GB 12158—2006《防止靜電事故通用導則》，特點是設計合理的人體靜電釋放電阻，合理有效控制人體靜電釋放，延長人體靜電釋放時間、降低瞬間人體靜電釋放能量。此設備使用簡單安全度高，已在烏魯木齊區管中心設備大廳入口處安裝使用。設備維護人員進入機房前手先觸摸靜電觸摸球釋放人體靜電，守好靜電防護的重要關口。

圖5 人體靜電消除器

3.3 泄漏法

調節環境濕度和抗靜電添加劑都能使靜電電荷從絕緣體上消散。增加空氣濕度，絕緣體表面電阻隨著濕度上升而變小，增強其導電性，減小絕緣體通過本身泄放電荷的時間常數，阻礙靜電的積累。濕度的允許范圍一般為保持通信機房合理的溫度18～26℃，濕度85%以下，可以減少靜電的危害。對于不導電或低導電性的物質可加入防靜電劑，有的添加劑加入絕緣材料以后可以大幅度降低材料的電阻率，增加材料的吸濕性或離子性，減少靜電積聚。

3.4 防靜電服裝

防靜電工作服是用防靜電織物為面料而縫制的工作服，防止人體的靜電積聚。在紡織防靜電織物時，均勻地混入導電纖維的織物。導電纖維是指全部或部分使用金屬或有機物的導電材料或亞導電材料制成的纖維的總稱。防靜電工作服，通過泄漏與中和2種原理減少靜電?？椢锷系撵o電不但可以通過導電纖維的電暈放電中和，接地時還可由導電纖維向大地泄放。防靜電工作服是對應人體ESD的一種很好的措施，除了服裝，鞋子和手套也不可忽視，同樣需要防靜電材質。

3.5 火花隙新技術應用

在PCB板設計中，傳統的解決方案因不再適用而被拋棄，一些新的ESD方案將被使用，比如火花隙的應用，如圖6所示。

圖6 PCB火花隙應用

火花隙是基于空氣擊穿原理，其可以在印制電路板（PCB）、模塊和多芯片系統上實現。在封裝或襯底材料上，可通過緊鄰的間隔金屬線形成的金屬化圖形來制作火花隙。在陶瓷基板上實現的火花隙受到金屬線間距大小的限制?；鸹ㄏ兜目煽啃允侵陵P重要的，這表現在其放電的能力上；當火花隙用作ESD保護電路時，其可重復性也是一個重要問題?；鸹ㄏ兜牧硗庖粋€限制因素是其反應時間，火花隙內部發生的氣體放電具有納秒級的反應時間。同時，擊穿電壓也是火花隙的限制因素之一。在放電事件中，火花隙的電極會遭到電氣損壞，進而影響其可靠性。此外，對于電磁頻率（RF）應用而言，與擊穿、氣體電離和電離氣體的反向恢復時間相關的時間常數會大于RF電路的電路響應時間?；鸹ㄏ兜膯訒r間是碰撞和電離化時間的函數，氣體分子開始電離的時間常數與雪崩倍增相關。氣體內部的擊穿是由載流子加速產生的二次載流子的反饋所啟動的。

4 結束語

隨著半導體由微電子學范疇向納電子學范疇轉變，新的問題與不確定性相繼產生，一個嶄新的時代也隨之開啟。當進入納米電子時代，器件尺寸變得越來越小，但對ESD現象的關注越來越多。本文分析了靜電產生的原理、防護措施，來降低靜電的危害程度，為電子產品質量提供有效的保障。