隨著微電子技術的快速發展，靜電放電（ESD）對電子設備的危害日益嚴重。闡述了ESD產生的途徑及特點，詳細分析了ESD對電子設備的危害機制和途徑，在此基礎上，提出了電子設備的ESD防護原則和防護措施。

　　隨著科學技術的不斷發展及微電子技術的迅猛進步，電子儀器儀表和設備等電子產品日趨小型化、多功能及智能化，半導體、大規模和超大規模集成電路、高密度集成電路已成為電子工業中不可缺少的器件，并在各種電子設備的設計制作中得到廣泛應用。這些元器件都具有其特殊的功能和特性，然而，這些高集成度的電路元件都可能因靜電電場和靜電放電（ESD）引起失效，導致電子設備鎖死、復位、數據丟失而影響設備正常工作，使設備可靠性降低，造成損壞。因此，研究電子設備所造成的ESD危害過程或原理，避免ESD的發生，防止靜電對各種電子設備的損害具有重要意義。

　　1 ESD的產生及特點

　　1.1 ESD的產生

　　ESD是“ElectroStaticDischarge”簡寫，即“靜電 放電”。根據國家標準，靜電放電是指“具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉移”。簡單地說，ESD是指處于不同靜電電位的兩個物體之間電荷的轉移，亦即ESD是指帶電體周圍的場強超過周圍介質的絕緣擊穿場強時，因介質產生電離而使帶電體上的靜電荷部分或全部消失的現象。

　　ESD的產生途徑，一般可分為2種情況。

　　1）摩擦帶電。當2種不同介電常數的材料相 互摩擦時，由于摩擦運動，其中的一種材料把電荷傳給了另一種材料，由此在這兩種材料中產生了靜電。摩擦產生的電荷大小與空氣相對濕度、摩擦材料的介電常數，兩種材料的相對運動速度及兩者的壓力等有關;

　　2）感應帶電。感應帶電就是帶電荷物體的電場在其相鄰的物體上造成電荷分離，靠近帶電物體會出現與該電荷極性相反的感應電荷。只要物體帶有電荷，就會在其周圍產生靜電場，就會使周圍的物體感應帶電。導體帶電電壓超過它們之間的空氣或其他絕緣介質的擊穿電壓時，就會產生靜電放電，激發出電弧火花，并伴隨噼啪的爆裂聲，直到兩個導體接觸短路或者電流低到不能維持電弧火花為止。

　　1.2 ESD的特點

　　當兩個帶靜電的物體或一個帶靜電的物體與不帶電的導體靠近或接觸時，就會發生ESD現象。ESD的特點主要有以下兩點 ［1］ 。

　　1）ESD一般是高電位、強電場，可以瞬時形成 脈沖大電流的過程;

　　2）ESD會產生強烈的電磁輻射形成電磁脈沖場。

　　2 ESD危害電子設備的機制、途徑

　　ESD產生的放電電流及其電磁場經傳導耦合和 輻射耦合進入電子設備，引起電子設備的故障或損壞，尤其是計算機芯片、集成電路等。ESD主要的破壞機制有兩種：由于ESD電流產生的熱量導致電路元件的熱失效;由于ESD感應出高電壓導致絕緣擊穿。兩種破壞可能在同一設備中同時發生，例如，感應電壓導致絕緣擊穿，同時激發大的電流，而激發的大電流又進一步導致熱失效。

　　ESD危害電子設備途徑包括：放電輻射、靜電感 應、電磁感應和傳導耦合等。ESD屬于脈沖式干擾，它對電子電路的干擾一般取決于脈沖幅度、寬度及脈沖的能量。據有關資料報道，一般的TTL電路翻轉的脈沖能量大致為32×10 -12 J。當人手接觸電子設備時，靜電放電所含能量約為7.5×10-3 J，通 過人體電阻（約為150Ω）放電時，放電脈沖寬度為22.5ns，瞬間的功率十分巨大，峰值高達667kJ。 有時帶電電壓或能量雖不很大，但由于在極短時間內起作用，其瞬間能量密度也會對器件和電路產生危害。

　　電子設備的大規模集成電路內部線路之間的間距短、面積小，其耐壓、耐流參數必然受到影響。隨著微電子技術的發展，電子電路所設計的工作電壓越來越低，器件的柵極氧化膜變得更薄，因而其耐壓界限很低，微小的電荷就能導致器件損壞。電子工業中，MOS器件的柵氧化膜厚度為10-7 m數量級， 100V的靜電電壓加在柵氧化膜上，就會產生106 kV/m的強電場，超過一般MOS場效應器件的柵氧 化膜的絕緣擊穿強度（0.8～1.0）×106 kV/m，導致 MOS場效應器件的柵氧化膜被擊穿，使器件失效。 即使是在電路的設計中設有保護措施，耐擊穿電壓遠高于100V，但危險靜電源的電位高達幾千伏，甚至幾萬伏，因此，高壓靜電場的擊穿效應給MOS電路構成了嚴重威脅。ESD可使器件內部極間電容立即被充到高電壓，使得氧化物遭到破壞，以致造成短路、開路、擊穿和金屬化層的熔融現象。如：CMOS電路對靜電極為敏感，其敏感度電壓范圍一般為0～2000V，最易因ESD導致失效。

　　ESD過程是電位、電流隨機瞬時變化的電磁輻 射過程，主要是在極短的瞬間其放電電流對電路的感應產生噪聲，以及放電電流使基準地電位如機殼 地、信號地的電位發生偏移波動，從而導致對電路正常工作的干擾。這種電磁干擾有可能引起電子產品的誤動作以及信息的丟失。例如：放電火花產生的電磁干擾有可能使器件管腳電位發生翻轉，使計算機程序出錯或數據丟失，導致測量和控制系統失靈或發生故障。

　　一般因ESD損壞，造成電子元器件突發性完全失效的只占10%，表現為短路、開路以及參數的嚴重變化，器件完全喪失了其功能。突發性完全失效的有如下例子：MOS結構氧化層被擊穿，CMOS器件觸發門鎖;PN結嚴重漏電、二次擊穿、肖特基器件形成熱斑、硅片局部區域熔化、電流增益顯著下降、鋁條損傷和鋁條熔斷;薄膜電阻熔斷;壓電晶體破碎。另外，因ESD危害的器件約有90%不會完全失效，而是潛伏下來，發生潛在性失效。亦即，ESD在器件中造成的損傷是一定的，

　　器件內部會出現某種程度的輕微損傷，不足以引起器件立即完全失效，器件的功能仍滿足要求。若這種元器件繼續帶傷工作，隨著ESD次數的增加，積累效應愈加明顯，其損傷程度逐漸加劇，最終必將導致完全失效。潛在性失效的例子有：二極管反向電流增加、擊穿電壓降低、金 屬電極變質;三極管EB結反向漏電流增大、β值減小、噪聲系數增大、金屬電極變質;雙極數字電路輸入漏電流增加;雙極線性電路輸入失調電壓增大、失調電流增大;場效應管柵2源或柵2漏漏電;MOS集成電路輸入或輸出端與源或漏間漏電流增大、參數退化;薄膜電阻阻值漂移。

　　3 電子設備的ESD防護

　　對電子設備的ESD防護，應遵循如下所述的電子產品靜電安全防護原則［1］ 。

　　1）控制靜電起電量和電荷積聚，防止危險靜電源的形成，亦即抑制ESD;

　　2）使用靜電感度低的物質，降低電子設備工作場所的危險程度;

　　3）采用綜合防護加固技術，阻止ESD能量耦合。

　　針對上述3條原則，電子設備的ESD防護措施主要有如下方面。

　　3.1抑制ESD的形成

　　ESD的產生是造成電子設備ESD危害的根源， 因此，電子設備ESD的防護對策，首先要抑制ESD的形成，措施如下［1-2，4］ 。

　　1）采用接地防止電子設備帶電。將設備通過金屬導線直接接地，或通過緊密結合在金屬以外導體上的金屬導體進行間接接地。采用這種辦法，將所產生的靜電迅速向大地泄漏，以防止其靜電電壓的上升而防止靜電帶電。

　　2）提高環境的濕度。環境的濕度影響材料導電性能和保持電荷的能力。當相對濕度增加到50%時，一般物體的靜電帶電量明顯減少，當相對濕 度在65%以上時，大部分物體的表面電阻率都減小，使得靜電電荷不易積聚。

　　3）提高電子設備表面的絕緣能力。人手經常接觸的地方，如操作按鈕、開關等元器件與機殼之間應留有一定的間隙;設備機柜表面應涂有絕緣漆或覆蓋一些絕緣物質，使得靜電荷不易積聚。

　　4）電子設備所處的工作臺可采用防靜電桌面、防靜電墊和導電地板來保護。工作人員可通過穿防靜電服，帶防靜電手套，防靜電環接地的方法來防止靜電。另外，鋪設防靜電地毯，能十分有效地抑制由于人體的運動而產生的靜電。一般要求抗靜電 地板的表面電阻為105～108 Ω。

　　5）在必須使用絕緣材料的場所，可使用離子 風等靜電消除器，中和絕緣材料上積累的電荷，使危險靜電源不能形成。

　　3.2 采用抗ESD設計和防護加固技術提高

　　電子設備的抗電磁干擾能力

　　從電子設備的結構設計和電路設計角度講，常 用的抗ESD措施［3，5-6］ 如下。

　　1）屏蔽機箱。利用金屬機箱和屏蔽罩可以使放電電流局限在機箱的外表面，阻止ESD電弧以及相應的電磁場，并且保護設備免受間接放電的影響，目的是將全部靜電阻隔在機箱之外。

　　2）孔洞/縫隙的處理。當機箱表面孔洞/縫隙不可避免時，ESD一旦發生，放電電流會順暢的通過線路板與機箱之間的寄生電容提供的通路，對線路板造成威脅。針對這一問題，可以在線路板與機箱之間加一塊屏蔽板，屏蔽板與電路地連接起來。另外，通過孔縫進入的電磁輻射也會對電路產生影響。為解決這個問題，可以通過增加縫隙深度，用多個小孔代替一個大孔，在金屬構件的結合處使用電磁密封襯墊減小或消除縫隙等措施，加大電磁輻射的衰減。在結構和電氣設計時，要使敏感電子器件、電路、電纜遠離孔洞/縫隙。

　　3）信號地與機箱單點連接。如果電路與機箱連在一起，則只應通過一點連接，可防止電流流過電路，否則機箱上的電流會流進電路，造成干擾，另外，將信號地與機箱連接起來的意義還有機箱由ESD發生時，機箱的電位升高，由于線路板與機箱連接在一起，電路板的電位也同時升高，從而防止了線路板與機箱之間由于電位差而引起的二次放電。

　　4）對電纜的設計。ESD輻射噪聲在大多數系統內的電纜上感應出高電壓或電流，電纜是接收ESD輻射噪聲的最大天線。電纜保護系統正確設計 與否，可能成為提高系統抗ESD干擾的能力的關鍵。為減小ESD輻射耦合到電纜，線長和回路面積應盡量小，電纜盡量采用屏蔽電纜。兩個機箱之間通過屏蔽電纜互連時，通過電纜的屏蔽層將兩個機箱連接在一起，電纜屏蔽層與機箱應盡可能采用360°搭接，以保持低阻抗。這樣可以使兩個機箱的 電位同升同降，防止一臺機箱發生ESD時，較高的共模電壓傳到另一臺機箱。

　　5）電路設計中采用添加保護電路的方法。保護電路的基本原理是，使用電壓箝位電路阻止高壓進入電路，同時提供大電流分流通道。ESD保護電路有多種設計方法，但選用時必須考慮以下原則：速度要快，這由ESD干擾的特點決定;能應付大的電流通過;考慮瞬態電壓會在正、負極性兩個方向發生;對信號增加的電容和電阻效應應控制在允許范圍內;考慮體積因數;考慮產品的成本因數。較為常用的ESD保護電路有：箝位二極管保護電路、壓敏電阻保護電路、穩壓管保護電路、VS（瞬態電壓抑制器）二極管。

　　6）印制電路板設計。良好的印制電路板設計在提高ESD抗擾度方面起到重要作用。在印制電路板上的引線是接收ESD輻射場的天線。與高阻抗器件相連的那些引線是接收電場的天線，而在低阻抗環路中那些引線是接收磁場的天線。為使這些天線的耦合減至最小，線的長度必須盡可能短，并且環路面積必須盡可能小。長于幾厘米的線和大于幾平方厘米的環面積會接收到很大的ESD噪聲。

　　4 結語

　　ESD是造成各種電子儀器設備工作失常或功能 失效的一個重要原因，隨著電子產品自動化和復雜度的提高，ESD對電子設備的危害日趨嚴重并越來越受到人們的重視。在電子產品研制、生產、調試的整個過程中，盡可能避免或減少靜電的產生或ESD的發生。針對文中所指出的電子設備的ESD防護措施，需要把握電子系統整體的ESD防護架構。電子設備的ESD防護設計，是一個系統問題，在提高局部電路ESD防護能力同時，注重系統ESD防護能力的提高。