电子设备静电放电危害及防护技术分析

2022-07-21王挺

无线互联科技 2022年9期

王挺

(福建华通电讯工程有限公司,福建福州 350000)

0 引言

电子设备是现代技术的成果,电子设备在集成化发展进程中,受到的静电破坏的影响也持续加剧,扩大了静电影响。电子设备在静电放电环境中,会表现出高感度特点,导致电子设备损坏和失效。人们必须做好科学防护与干预,减小静电放电对电子设备的伤害,保障电子设备应用的安全性。

1 静电形成与不良危害

1.1 静电形成

基于微观角度分析,以原子理论为依据,技术人员可以判断出电中性物质处于平衡状态。当原子核电子受到环境影响时,则会导致电子脱离轨道,原子缺少电子并带有正电时,物体获得电子带负电。不同介质系数的物体接触与摩擦,会加剧电子转移,当电荷持续积累后,会加剧物体带电效应。图1 为静电形成原理图。基于宏观角度分析可知,物体间摩擦会产生电子转移,比如不同材料摩擦分离,都会出现带有正电荷与负电荷的现象。当处于静电状态时,由于材料性质不同,电量会受到材料性质、摩擦力、摩擦频率的影响。综合分析可知,社会生产与日常生活都会产生静电,为了防护静电危害,技术人员需要综合考虑静电电量大小与感知情况。

图1 静电形成原理

1.2 静电放电对电子设备的危害影响

第一,静电危害的隐蔽性:静电对电子设备的危害影响大,但由于静电具备隐蔽性特点,因此电子设备危害的随机性较强。在操作电子设备时,由于人体对静电感知的敏感度较弱,只有大于3 000 V 的静电,才会被人体感知。但是,电子设备元件受到微小静电影响后,就会发生损毁问题,因此静电对电子设备的危害具备隐蔽性特点。第二,静电对系统的干扰影响:静电放电过程中,极易产生宽频谱、高幅值的磁辐射,所以电磁脉冲会干扰电子设备,并且通过多途径耦合到电子控制设备中,造成电子设备误动,引发间歇式干扰影响、系统混乱等问题。对于电子计算机设备,当瞬间流过机柜静电电流较大时,会引发信号线、电流线噪声,从而影响中央处理器性能,还会降低处理能力,产生数据影响。静电放电干扰脉冲、静电放电,属于接触型电磁辐射,会加剧辐射噪声,干扰信号线运行,同时会导致电子缓存器数据丢失[1]。

1.3 电子器件损毁

电子设备内部,主要为集成电路、场效应晶体管,属于高敏感度电子元件,当受到静电放电侵害后,会出现性能减弱、击穿等现象,加剧电子设备损毁危害。静电放电所致电气元件损坏的机理如下:金属导电层出现烧毁、热击穿、介质击穿、电弧放电等现象。电子设备的集成电路、半导体元器件,都会由于毁坏机理而失效。分析计算机维修记录可知,设备损坏多是由静电放电所致,在特殊环境下,静电所致电子设备损坏率高达80%。

2 电子设备静电防护机理

第一,为了降低静电危害,必须控制静电产生。将屏蔽装置安装在电子设备上,此时静电放电过程只会影响设备防护罩,不会对电子设备造成影响。在静电放电过程中,会产生放电能量、电磁脉冲,虽然静电会影响屏蔽装置,但是却不会影响内部电子器件,所以降低静电放电危害影响的意义显著。当无法应用屏蔽、接地措施,则需要改变空气离子状态,避免对静电生成造成影响。电子设备的绝缘要求高,但是如果无法应用屏蔽设备时,则要增加环境湿度,从而中和电荷,减少静电产生。通过减少材料的摩擦与接触,也能够有效控制静电产生,比如属于不容易起静电的材料。第二,控制静电放电危害时,注重静电聚集控制。为了防止静电聚集,需要应用接地处理措施,将防静电设备、大地进行等电位连接。针对摩擦所致静电影响,也可以采用接电方式,将静电电荷泻放到大地中。应用防静电地垫、腕带,防静电剂等方式,也可以有效控制静电积聚[2]。

3 静电放电试验

3.1 试验原理

优化设计静电放电的试验装置,利用充电电容器、放电电极头,模拟受试设备的放电情况,模拟操作主要是在受试设备表面形成火花间隙。针对电子设备,实施静电放电测试,有助于掌握机箱屏蔽层、线路板外层的缺陷。静电放电试验包括接触放电和空气放电形式。其中,接触放电属于优先选择的试验方法;空气放电可以应用到接触放电无法使用的场所。采用静电放电试验时,必须遵循标准技术要求实施。图2 为静电放电试验操作图。

图2 静电放电试验操作

3.2 试验实施与操作

被试产品直接施加放电:静电放电,只是施加在操作人员正常操作的电子设备上,集中在可接触点与表面,提供允许用户维修的点与面。为了明确故障临界值,试验电压应当从最小值开始,逐渐上升至选择试验值,但试验值不能大于产品规范值,防止损坏产品。试验操作期间,静电放电发生器放电极,应当垂直于被试产品表面,优化试验结果的可重复性。发生器放电回路电缆、受试产品的间距应当控制在20 cm。被试产品间接施加放电:针对受试产品周边物体放电,使用静电放电发生器,模拟耦合板接触放电方式。耦合板包含水平耦合板、垂直耦合板。

静电放电试验时,极易出现以下现象:高静电电压、低静电电压,更容易引发电路干扰影响。引发此种问题的原因,多是由于电压水平较低时,带电体接触接地导体后,产生放电情况。放电具备突发性特点,上升陡峭幅度比较大,因此整体干扰频率较高。当电压中等时,带电体与接地导体接近,由于二者电压较高,会出现气电分离、辉光放电现象。在放电时,电流脉冲上升沿较长,整体效率低。当电压较高时,尽管会出现辉光发电现象,但是放电次数比较多,并且在多次放电序列中,也会产生低电压放电,上升时间快,且高峰值电流大,严重干扰电路。

4 电子设备防静电危害的对策措施

4.1 接地措施

接地防静电措施的应用效果显著,可以确保金属导体接地,采用紧密连接方式,连接电子设备外壳与接地网络,将静电泻放到大地。应用此种方式,可以获得显著应用效果,避免静电电压上升,抑制静电产生。操作要点如下:第一,连接电子设备接地时,需要应用多股铜芯电线,截面积大于4 mm2,机械强度、耐腐蚀度较强。应用接地处理措施时,严禁使用铝制导线、非正规导线,同时要优化设计敷设方式,避免受到外部机械损伤影响,提升检查便利性。第二,防静电接地、其他接地:工作接地,保护接地。公用接地网络应当注重接地电阻平衡问题。优化安装设计,科学设置电阻值,以此确保接地有效性。第三,防静电接地可以应用到大型移动电子设备上,通过大铜芯绞线、橡胶套铜芯电缆,将其作为接地支线。安装小型移动电子设备时,应用4 mm2电线。第四,接地电缆应当与设备、接地网络相连接,借助机械外力作用,可以加强线路与网络的连接牢固性[3]。

4.2 屏蔽措施

应用金属材料包裹设备表面,同时做好接地处理,实现静电控制效果。设备的屏蔽效果,并非防止静电产生,而是通过屏蔽方式,避免带电物体与设备接近。使用屏蔽措施时,必须深入分析设备使用情况。如果操作频繁,则无法起到组合屏蔽效果。所以在具体操作时,必须确保操作满足标准化接地要求。

4.3 防静电地板

工作人员使用流动带静电体或导体,利用人体将设备静电传导至大地。设备机房地面使用高电阻材料,比如防静电地板。一般情况下,电子设备机房地面泄流电阻应当低于100 Ω。

4.4 加湿处理

增加湿度不仅可以降低静电产生量,还可以提升物体导电率。随着湿度率的增加,静电产生量逐渐减少。当前,可用的加湿设备比较多,比如超声波加湿器实用性与经济性高,可以推广应用。但是,并非所有场合都可以应用加湿处理法,需要依据具体情况合理使用。

4.5 液相法、气相法、固相法的使用

液体游离子可以中和空气内的静电荷,从而起到防护静电效果。液相法是使用特质液体药剂,充分接触空气后,可以形成游离状态带电离子。气相法是使用带电离子发生器,将带电离子送入空气内,中和空气游离静电荷。固相法是对设备、人体、静电物体实施的防静电处理。低导电率材料可以加速电荷扩散,因此被称为固相法。

4.6 串联接地、并联接地、网状接地

在电子设备静电防护中,设备外壳接地为常见措施。在接地方法上,可以划分为串联接地、并联接地、网状接地。第一,串联接地:串联接地为常见方法,尽管会产生电位差,存在电位间放电现象。然而,接地电子较小,可以确保点位放电的可能性。所以,当系统要求较低时,则采用简单的接地方式。第二,并联接地:并联接地可以连接电子设备与地线,处理好串联接地的电位差问题,相应增加工程量。考虑到项目要求、成本预算要求,选择并联接地方式。第三,网状接地:此种方式是结合并联方式、串联方式,形成网状接地方式。电子设备接地线可以连接地下网状地线路格,尤其是交叉节点。此种接地方式不仅能够均衡电位差,还可以加强系统设备的电磁干扰防护效果。然而,由于前期工程量较大,成本预算高,因此多应用到大型重点项目中。

4.7 专用静电防护设备

静电防护设备可以中和空气中的带电离子。在电气设备运行过程中,此种防静电设备效果显著。同时,做好人体静电预防,人体是静电的重要携带者,所以在电子设备工作间入口处放置导电体接地,进出人员手持导电体,排除人体所带静电,同时要穿戴工作服、防静电服[4]。

4.8 信号地与机箱单点连接

当电路、机箱连接在一起,采用1 点连接方式,避免电流流经电路。当机箱电流流经电路时,会产生较大的干扰影响。此外,连接信号地、机箱操作,当静电放电时,机箱电位升高,线路板、机箱连接在一起,电路板电位持续升高,可以避免线路板、机箱电位差所致放电影响。

4.9 优化电缆设计

技术人员利用系统内的电缆可以感应出高电流与高电压。电缆接收静电放电辐射噪声,优化电缆保护系统设计,能够加强系统抗静电放电干扰效果。为了避免静电放电辐射耦合到电缆,电缆要采用屏蔽电缆方式。两机箱采用屏蔽电缆互连,利用电缆屏蔽层将两个机箱连接在一起。电缆屏蔽层、机箱采用360°搭接,以此确保低阻抗效应。此种方式可以使两组机箱电位同升、同降,避免一台机箱静电放电。然而,共模电压升高时,会影响另一台机箱。