静电放电的防护

五、静电放电的防护

在生产、研制电子设备时，首先要了解所用电子元器件的静电放电(ESD)敏感度的情况，然后进行适当防护。对于大多数人来说是如何用好电子元器件，在设计、试验、维修、生产、组装或操作中，了解如何防护和使用即可。可不必太关心电子元器件的本身是如何防静电放电(ESD)设计的。因此，这里只涉及在应用电子元器件时，如何防止静电放电。

对电子元器件进行静电防护的基本思想是:①在可能产生静电的地方阻止静电的积累;②迅速可靠地泄放已存在的电荷;③泄放静电电荷的手段，随电荷带电体是导体还是非导体(绝缘体)而定。

对电子仪器或设备进行静电防护的措施，主要是通过两条途径来进行:①设计难以引起误动作以及元器件难以击穿的逻辑回路，同时在仪器或设备的组装上加以必要的考虑。②从运用的方面，将仪器或设备置于难以发生静电的场所，或者难以受到静电影响的场所。

上述①的问题是属于电子回路中一般的防噪声危害的问题;上述②是属于设置和运用方面的问题。

(一)一般措施

1.基本要求

(1)防止静电的产生;

(2)防止静电场，在可能产生静电的地方阻止静电的积累，迅速可靠而又有控制地泄放已存在的电荷，要求静电电位泄放至100V以下的时间小于1s;

(3)防止由于与带电的人或带电的物体接触而引起的直接放电;

(4)绝缘体上静电采用中和法;

(5)为使静电放电(ESD)操作人员安全，整个防护系统的泄漏电流不允许超过5mA;

(6)运动或感应而带电的设备，其导电部分必须进行接地，不包括安装时的接地(如设备埋设在地下或安装在接地桩上);

(7)利用工具操作或修理有带静电危险的设备时，工具应接地;

(8)由于润滑油是绝缘体，所以旋转部分必须接地。必要时应采用接触电刷或导电润滑剂以保证接地;

(9)在管道、设备的法兰盘之间连接，至少有两个良导体的螺栓保证电传导性，否则应有专用的分路跨接线。

2.管理

(1)操作人员要经静电知识培训，考试合格后持证上岗;

(2)元器件在包装盒上有明确的防静电放电(ESD)的标志除外，在组装车间应有明显的防静电标志，有关部门应制订静电放电(ESD)敏感器件的操作规则;

(3)设置防静电工作区，并应有明显的标志。

3.静电防护材料的主要性能

(1)静电防护材料的主要性能有三个(但不限于);

1)防止由于带电的人体或带电的物体接触引起直接放电。当发生直接放电现象时，由于会产生一定大小的电流，该电流可能会刺痛人体、损害元器件和干扰电路工作。

2)防止摩擦起电的产生;

3)防止静电场。

要找一种提供全部上述性能的材料是困难的。通常，需要使用不同材料的复合去达到设计效果。使材料减少静电荷产生的主要特征之一为表面光滑，其表面越光滑，摩擦力越小，因此产生的电荷也越少。

(2)用于静电防护材料，按其表面电阻分为三类，即导电型、导(静)电型和耗散型。其划分的依据是表面电阻系数和体电阻系数。

表面电阻系数用于厚度一定的薄膜材料，其定义为表面上单位长度的直流压降与单位宽度流过电流之比。它指正方形两对边之间的阻值，只要面积远远大于薄膜厚度，则该阻值与正方形的大小无关。表面电阻率的单位是欧姆。体电阻系数是指某材料单位厚度上的直流压降与单位面积上通过的电流之比。体电阻系数是材料的基本参数之一，表示其导电性能，单位为欧姆/厘米。与表面电阻系数和体电阻系数相关的还有表面电阻和体电阻。表面电阻根据EOS/ESD S11.11“静电释放平面材料的表面电阻测量”中的定义，是指材料某个面上两点间的直流电压与通过的电流之比，以欧姆表示。表面电阻值与材料的结构无关。体电阻根据ESD DS11.12“静电释放平面材料的体电阻测量”中的定义，是指材料两端之间的直流电压与通过电流的比值，它的单位也是欧姆。

三类静电防护材料电阻率范围如下:

1)导电型静电防护材料

　表面电阻率小于或等于10⁵Ω;

　体电阻率小于10⁴Ω/cm。

2)导(静)电型静电防护材料

　表面电阻率小于10⁵Ω;

　体电阻率不小于10⁴Ω/cm。

3)耗散型静电防护材料

　表面电阻率不小于10⁵Ω，但小于10¹²Ω;

　体电阻率不小于10⁴Ω/cm。

　但小于10¹¹Ω/cm。

导电材料电阻小，电子在其表面及内部流动非常容易，可流向任何接触到的其他导体或大地。绝缘材料的表面电阻系数在1×10¹²Ω或体电阻系数在1×10¹¹Ω/cm以上。绝缘材料的表面或内部基本上没有电流流动，它的电阻很大，难于接地。这种材料内的静电荷会在上面保留很长时间，因此绝缘材料不能用做静电防护材料。静电屏蔽材料指导电层每毫米厚度的表面电阻系数小于1×10⁴Ω，或体电阻系数小于1.0×10³Ω/cm的材料，采用这种材料制作的法拉第保护罩可防止静电敏感器件受到静电的影响。

这三种材料的一般应用见表2－21。

表2－21　不同材料静电放电(ESD)防护的一般应用

4.人员

(1)经静电知识培训、考试合格后持证上岗;

(2)穿戴防静电工作服、防静电鞋，并带好腕带。且不准佩带金属戒指、手镯等物。

5.防静电地板

计算机房等房间大多使用防静电地板，如何测量其性能是人们十分关注的。

对于防静电地板的选用主要是个测量问题，原电子部标准SJ/T11159—1998《地板覆盖和装配地板静电性能的试验方法》是等效采用国际电工委员会标准IEC1340－4－1(1995)。本方法除了电阻测量以外，关心的是起电性测量。但由于IECl340－4－1还没有给出，这里只能介绍电阻测量。

“起电性”主要用于难起(静)电地板(Astatic floor:由于接触分离或与其他材料如鞋底、车轮等摩擦所产生的电荷极小，不需要耗散或导静电)的测量，表征电压应不大于2kV。

对于电阻测量，施加电压为:对电阻不大于10⁵Ω的为10V，大于10⁵Ω的为100V。

需要测量:表面电阻R _S、体积电阻R _V、对能接地的点的电阻R _G和对保护地的电阻R _E。

6.防静电操作系统

(1)防静电操作系统由工作台、限流电阻与台垫等组成，如图2－67所示。

图2－67　典型的静电放电(ESD)防护工作台

台垫的材料是由上面所述的静电防护材料组成，不得用绝缘材料。

因测量仪器等是使用交流电源的，防止人员触电必须使安全电流小于5mA。因此，从台垫接限流电阻至地，称为软接地。

限流电阻通常取10⁶Ω。

7.湿度的考虑

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，容易被水分润湿，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，表面电阻与相对湿度关系见表2－22，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。有些抗静电表面活性剂就是利用其吸湿来增加静电泄漏的。

表2－22　表面电阻与相对湿度关系

其次，当湿度增高时，空气中离子的浓度有所增加，也能促进静电的中和和消散。

从消除静电危害的角度考虑，保持相对湿度在70%以上较为适宜。当相对湿度低于30%时，产生的静电放电(ESD)是比较强烈的。

应当注意，空气的相对湿度在很大程度上受温度的影响。当绝对湿度不变时，相对湿度随温度升高而降低。例如，空气在－1℃时相对湿度为100%，若加热到21℃时，则相对湿度大大降低，仅略高于20%，这种增湿的方法不宜用于消除高温环境里的绝缘体上的静电。通常，相对湿度控制在45%～75%范围内。

8.采用静电消除器

有感应式静电消除器、高压静电消除器、离子流(离子风)静电消除器。

感应式静电消除器使空气电离是最简单、最便宜的设备。适用于带电物体的电位很高(如10 000V以上)。高压静电消除器是用外电压使放电管针尖周围的空气电离。适用于带电物体的任意电位，且均有良好效果。

离子流(离子风)静电消除器是利用高压电源接引放电针，放电针产生电晕放电，使空气电离，再用压缩空气将离子经过喷嘴送到带静电的物体，使电荷中和，适用于防爆的场所、电子元器件与设备制造场所。

9.其他

(1)对电烙铁要求，电烙铁热头与地之间的电阻应不大于2Ω、电烙铁热头与地之间的电位差不大于2mV(有效值);

(2)局部区域可采用电离器，中和静电的能力应大于250V/s;

(3)设施的接地系统要符合要求。

(二)仪器和设备的防静电措施

1.一般要求

(1)优先选用静电放电(ESD)敏感度应不低于2级的电子元器件。

(2)若必须采用静电放电(ESD)敏感度为1级的元器件时，其保护电路应设置在仪器或设备的最低层次上。

(3)在设计文件和图样中应明确标明:①混合电路和仪器设备的静电放电(ESD)敏感度的级别和标志;②电子元器件静电放电(ESD)敏感度级别要求:③对生产方和使用方静电放电(ESD)控制和保护的技术要求。

2.通常采取的措施

(1)在MOS器件的每个输入端外部串联电阻器。

(2)MOS器件所有不同的输入端引线不能悬空。应视不同电路接到电源地、电源(源极)V _SS或电源(漏极)V _DD上。

(3)CMOS器件的输出端(模拟开关除外)可用一个电阻器把每个输出端与电缆线路隔开，并用两个高速开关二极管把电路钳位在V _SS或V _DD上。

(4)使用长输入电缆时，应采用滤波网络。

(5)在静电放电(ESD)敏感双极元器件的输入端，外接由一个电阻值较大的电阻器和一个容量不小100pF的电容器组成的RC网络，以降低静电放电(ESD)的影响。当电路特性有规定时，也可用两个并联二极管在每个极性上钳位0.5V电压，将输入分流到地。

(6)不准将安装在印制电路板上的静电放电(ESD)敏感元器件的引线，不经任何保护电路直接与电连接器端子相连。

(7)仪器和设备的接口电路尽量采用静电放电(ESD)敏感度为3级或不敏感的元器件。

(8)与静电放电(ESD)敏感电路连接的仪器和设备外接电连接器上应有静电放电(ESD)保护帽(盖)。

(9)与静电放电(ESD)敏感产品连接的键盘、控制面板、手控装置、开关及锁定装置等，应设计成能通过机壳地线直接泄放人体上的静电荷。

(10)元器件和混合电路布置应将静电放电(ESD)敏感元器件远离产生静电场的部件，如排风扇等，必要时应采用静电抑制技术和静电屏蔽技术。

(11)静电放电(ESD)敏感产品应设置与大地或船舰、航天飞行器、火箭及导弹的金属壳体相连接的接地端子。

(12)机箱壳体如有搭接，即使为0.1Ω的搭接电阻，如有放电电流30A，搭接处就有3V电压，即不同电路的参考电位会相差3V。解决办法为采用单点接地，尽量避免搭接。

(三)防静电保护区

(1)对静电放电(ESD)敏感的电子产品应在防静电保护区内操作，该区域内是一个配备有各种防静电设备和器材、能限制静电电位、具有确定边界和专门标记的适于从事静电防护操作的场所。

(2)防静电保护区应具有为控制或减少静电电荷(静电电压)所需的器材、设备和程序。

(3)防静电保护区是限制静电电压电平，在该区域内操作最敏感的静电放电(ESD)敏感产品时，使其静电电压降至安全阀值以下。

(4)设计防静电保护区的考虑包括适当的接地措施、人员、电气安全和与操作程序相联系的改进要求。

(5)当静电放电(ESD)敏感产品在去掉静电放电(ESD)防护罩或防护装置的情况下，若必须在防护区之外接受操作时，需要规定更详细的静电放电(ESD)防护操作程序。

(6)与防静电保护区相关的要素也要考虑，如尽量减少人体服装、头发和动作所产生的静电荷。

(7)应有清晰的防静电保护区标志和接地连接点的标志。

(8)静电保护区入口处应设置接地杆，人员进入静电保护区前，先触摸接地杆，以泄放人员带的静电。

(四)接地考虑

防静电放电(ESD)保护区和防静电操作系统的安全性及接地的考虑如下:

(1)通过足够高的阻抗接地，把电流限制在人身安全的电平5mA下。电缆和电阻器应具有足够的载流能力，由于工作台地线仅为泄放静电电荷用，通常用0.5W电阻器已足够。

(2)接地电缆连接应该是连续的、永久性的。

(3)考虑到所有并联通路，故要求对地电阻足够大，以便工作人员接近最高电压源时能把漏泄电流限制在5mA或以下，上述电压源包括电源和试验设备。

(4)接地电缆和接线的材料应具有足够的机械强度，以避免偶然断开。

(5)工作台表面、地垫、接地搭扣和其他用来耗散静电的防静电保护区，均应通过电阻接到大地或电源系统地线，或者是其他适合的安全地线上。腕带应通过操作系统的工作台表面接地点连接，如图2－67所示。工作台不应该相互串联，因为串联电阻能引起较长的静电放电(ESD)耗散时间。此外，一条接地电缆断开，会引起另外工作台接地电缆断开。

(6)接地手腕带和脚腕带的佩戴应直接与人体的皮肤接触、不得戴在衣服上，工作台表面应该通过一接地电缆与地连接。考虑到在接地的人体所能触及的范围内的最高电压源和所有诸如腕带、工作台表面及导电地板等与地平面的电阻，表面接地电缆的电阻要放置在与工作台表面相接触的点上，并且应足够大，以便把泄漏电流限制在5mA或5mA以下，如图2－67所示。

(7)在静电放电(ESD)敏感元器件从一个地方转移到另一个地方之前，运输工具、夹具或容器应按电气连接方式连接在一起，防止摩擦起电，始终保持等电位。

(五)信息技术设备的静电放电(ESD)防护

1.静电放电(ESD)耦合途径

(1)直接传导;

(2)电容耦合;

(3)电感耦合。

2.防静电放电(ESD)的原理

(1)消除产生静电放电(ESD)的源;

(2)隔离导体，阻止放电;

(3)为放电电流提供替换通路，使其旁路;

(4)屏蔽电路，以阻止由放电产生的电场进入;

(5)保护电路，以阻止由放电产生的磁场进入。

3.采用金属屏蔽体

(1)用一个接地金属盒完全罩在一个电路上，并使两者之间相互分离。该电路与金属盒外面没有任何接触，放电电流从接地金属盒很快泄放到地，保护了里面的电路，这实际上是电场屏蔽的原理在此处的应用。当放电发生时，由于存在接地引线电感，金属盒的电势就会上升，即使这样，在电路的内部连接点或者电路与金属之间不会产生电势差，因为放电时间极短，无法在电路和金属盒之间形成电位差，或者虽形成了电位差，但很快消失，因此，只要金属盒能够将电路完全屏蔽，电路就不会损坏。

(2)如果金属屏蔽盒不连续(如接缝或孔洞)，能够形成屏蔽盒表面的电势差。这种屏蔽盒内各部分与电路之间的分布电容形成的电压，会在电路中产生新的电压。这样也许会影响电路的正常工作，解决这种问题有两种方法:一种为尽可能地完全将电路屏蔽，另一种为在屏蔽体和电路之间增加二次屏蔽，消除电容耦合，第二层屏蔽体应接到电路的公共接地点上。

(3)对于电路与金属盒的连接，可采用单点连接。

4.输入/输出电缆的处理

为使接口电缆免遭静电放电(ESD)的损坏，可采取如下办法:

(1)使用屏蔽电缆，屏蔽电缆的搭接好坏将决定放电性能，要求电缆屏蔽层与金属盒的连接采用360度连接。

(2)过压钳位电路和电缆旁路电容，500pF的旁路电容(或电涌二极管)可放置在输入引线上，以使瞬态电流旁路到地。保护器件对电压在瞬态时的响应时间应小于纳秒级。电缆输入保护方法可以防止元件的损坏，但不能保证不出现损坏或瞬间失灵，因为噪声电压有可能仍然保留在输入端。可以在输入电路中增加附加的噪声抑制元件，附加滤波器，采用平衡输入，选通输入电路或软件设计等。

5.电路设计和印刷电路板布线

(1)不选用脉冲边沿触发方式(如D触发器、K触发器都属于脉冲边沿触发方式)，可采用门电路和选通脉冲。

(2)印刷电路的布置应避免将敏感的MOS器件直接连到容易发生静电放电(ESD)的连接器引入端。如果一定要这样做，则在上述内引线上增加串联电阻器、分流或电压钳位措施，或者采用对静电放电(ESD)敏感度较低的逻辑电路，使其得到保护。对MOS器件的附加保护可通过在其输入端增加串联电阻来实现。大多数CMOS门电路允许连接1kΩ或者更大的串联输入电阻。

(3)印制电路上所有的回路面积都应尽可能地小;且在印制电路板周围加保护环，并接地，可防止由于人体静电的传入。

6．防静电产品简介

防静电产品有很多，如防静电工作台、防静电工作鞋、防静电工作大褂、防静电工作手套、防静电工作指套、防静电工作服、防静电工作袋、防静电工作腕带、脚带、防静电工作椅、防静电窗帘、防静电地板等。此处只对防静电地板作一些简介。

防静电地板又叫做耗散静电地板。它是一种地板，当它接地或连接到任何较低电位点时，使电荷能够耗散，电阻在1.0×10^5－10Ω之间为特征。

计算机房的防静电技术，是属于机房安全与防护范畴的一部分。由于种种原因而产生的静电，是发生最频繁，最难消除的危害之一。静电不仅会对计算机运行出现随机故障，误动作或运算错误，而且还会导致某些元器件，如CMOS、MOS电路、双极性电路等的击穿和毁坏。此外静电对计算机的外部设备也有明显的影响。带阴极射线管的显示设备，当受到静电干扰时，会引起图像紊乱，模糊不清。静电还将造成Modem、网卡、Fax等工作失常，打印机的走线不顺等故障。

静电引起的问题不仅硬件人员很难查出，有时还会使软件人员误认为是软件故障，从而造成工作混乱。此外，静电通过人体对计算机或其他设备放电(即所谓的打火)时，当能量达到一定程度，也会给人以触电的感觉。所以，计算机房用防静电地板是其防静电重要措施之一。

防静电地板的主要类别有:

1.三防防静电活动地板

此地板采用高强度、防火、防水材料为基材，双抗静电贴面。防水、防潮、防火性能优良，承载力强，适用于大中型机房。

2.全钢抗静电活动地板

此地板以优质钢板经冲压焊接后，注入高强度轻质材料制成。强度高，防水、防潮、防火性能优良，适用于承载要求很高的大型机房。

3.复合防静电地板

此地板是以木质刨花板为基材，重量轻，价格便宜，防火、防潮性能较低，适用于中小机房使用。

4.铝合金防静电地板

此地板是铝合金材料熔炼后经机械加工而成，强度高，防火、防水性能优良，板基有回收价值，在电力行业应用比较多。

5.仿进口木质防静电地板

此地板依照进口地板制造加工而成，外形美观，性能优良，适用于各类机房。

6.PVC防静电地板

该产品是以PVC树脂为主体，经特殊加工工艺制作而成，PVC粒子界面间形成导静电网络，具有永久性防静电功能。外观似大理石，具有较好的装饰效果。适用于电信、电子行业程控机房、计算机房、洁净厂房等要求净化及防静电场所。

静电干扰问题的研究是以静电学为基础的。静电学是18世纪以前以库仑定律为基础建立起的以研究静止电荷及场作用规律的学科，是物理学中电磁学的一个重要组成部分。

静电工程学是指从19世纪初到现在形成的以静电学为基础而研究静电危害及其防护(即消除其不利的一面)和静电应用技术的专门科学(即利用其有利的一面)。其主要研究内容有静电应用技术如静电除尘、静电复印、静电生物效应等，以及静电防护技术，如电子工业、石油工业、兵器工业、纺织工业、橡胶工业以及航天与军事领域等防静电危害问题。任何事物都是具有两面性，科学研究要利用其有利的一面，抑制或消除其不利的一面。