静电危害分析及预防措施

丁 涛

（新疆空管局，乌鲁木齐 830016）

随着科技进步，高分子材料、大规模集成电路广泛应用于各种行业，静电带来的危害日趋凸显。在生活生产中最主要的静电源是人体所携带的静电，由于人体自身动作或与物体摩擦可以存储成千上万伏的静电，碰到放电体就发生ESD，产生宽频带电磁辐射干扰，干扰电子设备或仪器仪表、放电电流致使电子元件失效甚至损伤，也可能引发危险品事故[1-3]。在航空航天工业中，ESD、电子电气（EOS）、电磁干扰（EMI）和电磁兼容（EMC）对于飞机、飞船和卫星都是十分重要的。静电防护的本质是降低静电电荷累积和安全泄放问题。

1 静电问题及典型放电事件

静电放电（ESD）是过电应力的一个分类，会导致器件立即失效、永久的参数改变，以及引起退化EMI、ESD加速潜在损伤。其至少由3种因素之一引起：局部发热，高电流密度和高电场梯度，或几安培电流的持续存在将能量转移到器件结构中导致损坏。ESD危害元器件的常见形式包括人体对器件放电、机器对器件放电，都会瞬间导致器件损坏。根据资料统计静电放电的损害约10%造成电子元器件当时失效，而90%会造成积累效应。通常，一次ESD元件内部会存在轻微损伤，随着ESD次数的增加，积累效应越来越明显，最终导致元件失效。有些静电损伤现象很难区别于其他原因造成的损伤，掩盖了失效的真正原因。

电缆放电事件（Cable Discharge Event，CDE）正成为不同规模系统日益关注的事件。CDE事件是可控制的，在大型计算机系统中，在电缆与系统电连接之前，通过严格的步骤并使用防静电手环和“触摸板”按钮对电缆进行放电。ESD和EMI均是系统级需要关注的问题，带电电缆放电是电气系统需要关注的问题。电缆作为传输线，即具有电容特性、电感特性。储存在电缆中的电荷可通过单位长度的储存电容量来计算。随着电缆长度的增加，电缆储存电荷数量也随之增加。在未连接插座的电缆中，电荷隔着绝缘层储存于中心导体和外层导体之间。当绝缘层两侧电压超过其击穿电压时，外层与内层导体之间就会放电。若绝缘层2侧电压一直低于其击穿电压，那么储存的电荷将继续保留在电缆中，使电缆带电。当带电电缆中心导体接近某系统时，中心导体和电气系统的输入端就会发生电弧放电。当电缆对系统级输入端放电时，将产生大电流并流入信号引脚，导致集成在系统器件内部的半导体芯片发生互补金属氧化物半导体（CMOS）闩锁效应。

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。静电放电产生的原因在于带电物体周围所产生的磁场强度已经超过了周围其他介质的绝缘体，同时还击穿了这些介质的磁场强度。静电不仅会使计算机运行时出现随机故障、误动作或运算错误，而且还可能会导致某些元器件，如CMOS、金属半场效晶体管（MOS）电路及双级性电路等的击穿和毁坏。静电还会造成网卡、传真等工作失常，打印机的打印不正常等故障。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。

在静电放电的过程中，电磁辐射在电子元件中会产生干生电流导致元件的极性发生翻转，还会产生一定的电磁杂波，虽然对设备硬件带来的损伤较小，但是对电路处理会带来较大的影响，导致通信设备间接性失效以及数据丢失[4]。

静电放电产生电磁场，近距离会有较大的寄生电容和较小的耦合阻抗，更容易被干扰。CPU散热器容易成为对主IC干扰的“路径”，如图1所示。

图1 静电干扰CPU

放电点1和放电点2，都可以通过寄生电容C1和C4耦合到散热器上，散热器上面的静电又会通过C3和C2耦合到CPU内部和引脚上面，以及外围布线。CPU的引脚对于高频干扰来说，阻抗很大，将产生脉冲电压会造成CPU逻辑翻转。

2 静电相关因素

2.1 静电载体

当物体之间互相摩擦、碰撞或发生电场感应时，都会引起物体表面的电荷积聚产生静电。人体是一种特殊的静电载体，是一种最典型的静电危险源。人体行走或者与其他物体摩擦导致电荷积累，积聚在人体上的电荷称为人体静电。干燥的季节，人体静电可达几千伏甚至几万伏，低电压静电不会对人体有什么害处，但过大就有可能会造成严重危害。当人体与大地绝缘时，人体就好像电容。当环境干燥湿度低于30%时，人体对地电阻很大，更容易积聚静电。在电位小于等于50 kV时放电而形成的火花，瞬时输出功率可高达几十千瓦[5]。人体正常速度行走静电积累情况如图2所示。

图2 人体正常速度行走静电积累情况

2.2 环境静电

环境静电只受相对湿度影响。环境湿度对人体静电积聚有很大影响，增大湿度会显著减小人体静电的最大电位。空气湿度大时，服装表面会形成一层水膜，水膜溶解空气中的CO等物质形成导电水溶液，人体积聚的电荷消散很快[6]。在高湿度条件下，物体表面凝结或吸附一层薄薄的水膜增强了材料的导电性[5]，湿度（RH）对静电感应电压的影响见表1。

表1 分光测色仪测试结果

表1 湿度对静电感应电压的影响 V

2.3 半导体器件静电敏感度等级

静电放电使人体仅仅感觉不舒服并无大碍，但电子元器件绝大多数均对静电敏感，ESD会影响电子产品质量。因此对半导体元器件的静电放电敏感（ESDS）有专项要求，GJB 1649—93《电子产品防静电放电控制大纲》规定ESDS的分类，见表2。

表2 常见半导体器件静电敏感度阈值 V

2.4 ESD模型

静电放电ESD（Electro Static Discharge），是指具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触时所引起的电荷转移。静电放电是一个复杂多变的过程，人们通过研究静电产生原因、放电特性，生产出各种ESD模拟器，可以直观地进行静电放电实验和抗静电检测与评估。目前IEC国际电工委员会对这些ESD模型都给出了相应的电路参数和标准的实验方法。由于人体是主要的静电危险源，下面仅对人体静电模型作以下介绍。

人体放电模型（Human Body Model，HBM）。这种模型用于表示带电人体放电时与器件或物体的相互作用。模型假设人体带电为初始状态，然后用手指接触了器件或物体，带电人体与器件或物体的物理接触使得两者之间发生了电流转移。HBM事件的特征时间与模拟人体的电子元器件有关。在HBM标准中，模拟带电人体的电路元件是一个与1 500 Ω电阻器串联的100 pf电容器，等效电路模型包括1个电容和1个电阻。这个电路有特征上升时间和延迟时间[7]。特征延迟时间与下列电路时间相关

式中：RHBM是串联电阻；CHBM是充电电容，τ是充电电源的特征时间。人体放电模型（HBM）的脉冲波形如图3所示，等效电路模型如图4所示。

图3 人体放电模型（HBM）的脉冲波形

图4 人体模型（HBM）等效电路模型

3 静电的预防办法

3.1 接地

对于生产环境来说，在适当位置有一个有效的接地及连接系统，以避免有害的静电放电（ESD）失效非常重要，ANSI/NFPA 70《美国国家电气规范》等为正确接地提供了指导。在ESD防护工作区，建立“公共接地点”用于ESD防护工作台面、ESD防护垫、桌子抽屉、固定装置和人员的接地。为验证“公共接地点”的符合性，需要使用交流电插座分析仪、交流电路测试仪。作为验证ESD安全区的一种手段，人员接地点与公共接地点之间的连接及电插座必须经过检查以防失效。等电位连接对于消除2个物体间的静电放电也很重要。当操作者区域的所有物体和敏感零部件处于等电位时，就不会发生ESD事件。静电接地是静电泄放的主要方法，而且是最简单有效的方法，接地/等电位连接要求见表3。优先选择电源保护接地系统，既没有电源保护接地系统又没有功能接地装置可利用时，应使ESD电子产品、人员和其他导体进行等电位连接。

表3 接地/等电位连接要求

3.2 使用人体静电消除器释放静电

静电防护是在有效降低静电累积基础上的安全泄放。根据人体放电模型，放电时间（t≤1 s）9 000 V静电压人体放电冲击程度，手腕和胳膊感觉到疼痛和感到麻痹，对敏感器件放电太快也易受ESD损害。放电慢（t≥1 s）静电泄放缓慢，高电压对敏感器件造成损伤。试验证明放电电压释放至100 V所需时间t=1 s，电路是安全的[6]。人体静电消除器如图5所示，设计参考GB 12158—2006《防止静电事故通用导则》，特点是设计合理的人体静电释放电阻，合理有效控制人体静电释放，延长人体静电释放时间、降低瞬间人体静电释放能量。此设备使用简单安全度高，已在乌鲁木齐区管中心设备大厅入口处安装使用。设备维护人员进入机房前手先触摸静电触摸球释放人体静电，守好静电防护的重要关口。

图5 人体静电消除器

3.3 泄漏法

调节环境湿度和抗静电添加剂都能使静电电荷从绝缘体上消散。增加空气湿度，绝缘体表面电阻随着湿度上升而变小，增强其导电性，减小绝缘体通过本身泄放电荷的时间常数，阻碍静电的积累。湿度的允许范围一般为保持通信机房合理的温度18～26℃，湿度85%以下，可以减少静电的危害。对于不导电或低导电性的物质可加入防静电剂，有的添加剂加入绝缘材料以后可以大幅度降低材料的电阻率，增加材料的吸湿性或离子性，减少静电积聚。

3.4 防静电服装

防静电工作服是用防静电织物为面料而缝制的工作服，防止人体的静电积聚。在纺织防静电织物时，均匀地混入导电纤维的织物。导电纤维是指全部或部分使用金属或有机物的导电材料或亚导电材料制成的纤维的总称。防静电工作服，通过泄漏与中和2种原理减少静电。织物上的静电不但可以通过导电纤维的电晕放电中和，接地时还可由导电纤维向大地泄放。防静电工作服是对应人体ESD的一种很好的措施，除了服装，鞋子和手套也不可忽视，同样需要防静电材质。

3.5 火花隙新技术应用

在PCB板设计中，传统的解决方案因不再适用而被抛弃，一些新的ESD方案将被使用，比如火花隙的应用，如图6所示。

图6 PCB火花隙应用

火花隙是基于空气击穿原理，其可以在印制电路板（PCB）、模块和多芯片系统上实现。在封装或衬底材料上，可通过紧邻的间隔金属线形成的金属化图形来制作火花隙。在陶瓷基板上实现的火花隙受到金属线间距大小的限制。火花隙的可靠性是至关重要的，这表现在其放电的能力上；当火花隙用作ESD保护电路时，其可重复性也是一个重要问题。火花隙的另外一个限制因素是其反应时间，火花隙内部发生的气体放电具有纳秒级的反应时间。同时，击穿电压也是火花隙的限制因素之一。在放电事件中，火花隙的电极会遭到电气损坏，进而影响其可靠性。此外，对于电磁频率（RF）应用而言，与击穿、气体电离和电离气体的反向恢复时间相关的时间常数会大于RF电路的电路响应时间。火花隙的启动时间是碰撞和电离化时间的函数，气体分子开始电离的时间常数与雪崩倍增相关。气体内部的击穿是由载流子加速产生的二次载流子的反馈所启动的。

4 结束语

随着半导体由微电子学范畴向纳电子学范畴转变，新的问题与不确定性相继产生，一个崭新的时代也随之开启。当进入纳米电子时代，器件尺寸变得越来越小，但对ESD现象的关注越来越多。本文分析了静电产生的原理、防护措施，来降低静电的危害程度，为电子产品质量提供有效的保障。