【经验】ESD产生原理、危害及防护原则方法详解

静电是一种处于静止状态的电荷。在干燥和多风的秋天，在日常生活中，人们常常会碰到这种现象：晚上脱衣服睡觉时，黑暗中常听到噼啪的声响，而且伴有蓝光；见面握手时，手指刚一接触到对方，会突然感到指尖针刺般刺痛，令人大惊失色； 早上起来梳头时，头发会经常“飘”起来，越理越乱；拉门把手、开水龙头时都会“触电”，时常发出“啪、啪、啪”的声响，这就是发生在人体的静电。

静电产生的原理

摩擦、碰撞、剥离、流动带电、喷出带电、搅拌带电如滚轮移动、人员走动、油罐车泄油时、喷嘴喷出之溶剂、搅拌机静电是由于处于不同带电序列位置的物体之间接触分离，使物体上正负电荷失去平衡而发生的现象。

两种介电系数不同的物质磨擦时，正负极性的电荷分别积累在两个物体上而形成：当两个物体接触时，其中一个趋于从另一个吸引电子，因而二者会形成不同的充电电位。两个带上电荷的物体也就成了静电源。就人体而言，衣服与皮肤之间的磨擦发生的静电是人体带电的主要原因之一。

摩擦起电是一个机械过程，依靠相对表面移动传送电量。传送的电量取决于接触的次数、表面粗糙度、湿度、接触压力、摩擦物质的摩擦特性以及相对运动速度。

静电源跟其它物体接触时，依据电荷中和的原则，存在着电荷流动，传送足够的电量以抵消电压。这个高速电量的传送过程中，将产生潜在的破坏电压、电流以及电磁场，严重时将其中物体击毁。这就是静电放电。

静电感应带电：CRT显示器电容改变压电效应电磁辐射感应静电只存在于物体表面，而非物体内部，绝缘体中的电荷只保持在产生静电的那些区域，而不会出现在整个表面。因而绝缘体接地后不会失去这些电荷。与绝缘体相反，充电导体接地后便会失去自身电荷。

如果将导体瞬间接地（例如，该物体被站立在地上的人触摸），那么远离带电体表面的电荷就会释放，则导体将带正电荷。

ESD定义

ESD，即静电放电，具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移。ESD会导致电子设备严重地损坏或操作失常。半导体专家以及设备的用户都在想办法抑制ESD，静电的产生是由于电子在外力的作用下，从一个物体转移到另一个物体或者是受外界磁场的影响而产生的极化现象。

ESD危害

· 环境安全

· 危险场合的爆炸起火等

· 对精密设备的工作要求

· 产品性能及可靠性

· 抗干扰能力，影响产品销售

· 产品的潜在损伤

随着高科技的发展，静电所造成的后果已突破了安全问题的界限。静电放电造成的危害是在电子、通信、航空以及一切应用现代电子设备、仪器的场合下导致设备运转故障、信号丢失、误码的直接原因之一。静电放电电流有可能被直接耦合到电子设备的数据线、信号线、控制线等的总线上。在这种情况下，集成电路和特殊用途的集成电路就受到静电放电的影响。

在1970年以前，很多静电问题都是由于人们没有ESD意识而造成的，即使现在也有很多人怀疑ESD会对电子产品造成破坏。这是因为大多数ESD损害发生在人的感觉以下，因为人体对静电放电的感知电压为3KV，而很多电子元件在几百伏甚至几十伏时就会损坏，通常电子器件被ESD损坏后没有明显的界限，把元件安装在PCB上以后再检测，结果出现很多问题，分析也相当困难。特别是潜在的损坏，即使使用精密仪器也很难测量出其性能有明显的变化，所以很多电子工程师和设计人员都怀疑ESD，但近年试验证明，这种潜在损坏在一定时限以后，电子产品的可靠性明显下降。

ESD对产品的危害

静电的基本物理特性为：吸引或排斥，与大地有电位差，会产生放电电流。

· 静电吸附灰尘，降低元件绝缘电阻（缩短寿命）。

· 静电放电破坏，使元件受损不能工作（完全破坏）。

· 静电放电电场或电流产生热，使元件受伤（潜在损伤）。

· 静电放电产生的电磁场幅度很大（达几百伏/米）频谱极宽（从几十兆到几千兆），对电子产品造成干扰甚至损坏（电磁干扰）ESD引起的器件击穿，是电子工业最普遍，最严重的静电危害。

· 静电对电子产品损害的特点隐蔽性：人体不能直接感知静电，除非发生静电放电。人体也不一定能有电击的感觉，这是因为人体感知的静电放电电压为2~3KV，所以静电具有隐蔽性。

· 潜在性：有些电子元器件受到静电损伤后的性能没有明显的下降，但多次积累放电会给器件造成内伤而形成隐患。因此静电对器件的损伤具有潜在性。

· 随机性：电子元件什么情况下会遭受静电破坏呢？可以这么说，从一个元件产生以后，一直到它损坏以前，所有的过程都受到静电的威胁，而这些静电的产生也具有随机性，其损坏也具有随机性。

· 复杂性：静电放电损伤的实效分析工作，因电子产品的精，细，微小的结构特点而费时费事，要求较高的技术并往往需要使用扫描电镜等高精密仪器。

ESD实验介绍

直接通过能量交换引起半导体器件的损坏。放电所引起的电场与磁场变化，造成设备的误动作。

对不同试验结果，可以根据该产品的工作条件和功能规范按以下内容分类：

A：技术要求范围内的性能正常；

B：功能暂时降低或丧失，但可自行恢复性能；

C：功能暂时降低或丧失，要求操作人员干预或系统复位；

D：由于设备（元件）或软件的损坏或数据的丧失，而造成不可恢复的功能降低或丧失。

符合A的产品，试验结果判合格。这意味着产品在整个试验过程中功能正常，性能指标符合技术要求。

符合B的产品，试验结果应视其产品标准、产品使用说明书或者试验大纲的规定，当认为某些影响不重要时，可以判为合格。

符合C的产品，试验结果除了特殊情况并且不会造成危害以外，多数判为不合格。

符合D的产品判别为不合格。

符合B和C的产品试验报告中应写明B类或C类评判依据。符合B类应记录其丧失功能的时间。

ESD防护主要目的

· 增加生产量（IncreasedYields）

· 节省成本（Cost Saving）

· 产品可靠性较佳（BetterProduct Reliability）

· 产品寿命较长（ExtendedUsage Life)

ESD防护方法介绍

· 四大原则

1、环境控制

2、人员控制

3、包装材料控制

4、人员训练

· 基本方法

1、接地：接地就是将静电通过一条线的连接放入大地，这是防静电措施中最直接最有效的。导体常用的接地方法有带防静电手腕及工作表面接地等。

2、静电屏蔽：静电敏感元件在储存或运输过程中会暴露于有静电的区域中，用静电屏蔽的方法可削弱外界静电对电子元件的影响。最通常的方法是用静电屏蔽袋作为保护。

3、离子中和：绝缘体往往是易产生静电的，对绝缘体静电的消除，用接地方法是无效的，通常采用的方法是离子中和， 即在工作环境中使用离子风机，离子气枪。

4、电路设计：I/O口电路的设计同样受到PCB布局及接地设计的影响。如图第一幅图的端口防护器件的接地和后端被保护的IC的地进行共地设计，这种设计一旦瞬态脉冲被钳位卸放到地上面，由于这个地同时也是IC的参考地，很容易导致IC地电位抬高而出现异常。

改善方案主要有两种：如果系统是两线制设备（无地线）系统外壳也是非金属材质，此地线设计也必须将IC的参考地和防护器件的地分开，不能共用在一起，但是由于此系统属于无地线系统，可以采用这两个部分分别铺设不同的接地区域，然后使用Y电容将两个区域的地线连接在一起。另外一种是系统有设计地线或者外壳属于金属外壳，这种情况就可以将防护器件的接地直接连到外壳地或者通过Y电容连接到外壳地，但是一定要和IC的参考地分开。

上面提到的PCB走线的设计导致防护电路失效的问题，通过图就可以看到端口设计了TVS管防护ESD，但是如果布线按照第一幅图这样走线，极易导致IC损坏，但是TVS管还没有动作的，主要是由于现有的ESD或者EFT都是高频干扰，走线阻抗大，所以对于端口的防护电路设计一定要遵守靠近端口的原则进行设计PCB。

在具体的实际生产过程中，可以从人、机、法、料、环五个方面来谈谈ESD防护。 

一谈人。人体可以说是一个高静电源，人体静电的防护，借助的是屏蔽及释放静电。严格来说要求做到“全副武装”，即要戴防静电工帽、防静电口罩、防静电手套、指套等, 要穿防静电服、防静电鞋，同时还要戴上手腕带等来屏蔽及导走静电。总之，尽量不要让人的皮肤外露。

二谈机器。机器也是一个高静电源，因为机器机械部件，特别是马达等，易产生EMI（电磁感应），所以对机器静电的防护，也是非常必要的。对于机器静电的防护，一般通过电磁场的消除、高静电部位的屏蔽、机器接地等来实现。一般消磁借用的是消磁器，消除电荷用的是离子风机。离子风机可产生丰富的正离子和负离子，将这些离子吹向高静电物体，那么物体静电将被中和。这些离子是由离子风机内部的离子发生元件，将空气电离而产生。该离子发生元件由低电流、高电压的变压器来激励空气电离。而变压器内又包含电流限制性电阻器，它能加强电离的稳定度及安全度。作用于不锈钢离子发射点圆形电路上的高压交流电使发射点顶部形成一个强烈的交变电场，就是这个电场将空气电离，产生变极离子。当电磁场无法消除或较难消除时，我们就借助静电屏蔽设备来屏蔽高静电设备或设备的高静电部位，比如，马达易产生EMI，但机器要运转又离不开马达，所以不妨把它屏蔽起来。还有工作台、电源线、电脑键盘等都可以接用静电屏蔽的方法来做ESD防护，这方面可用的屏蔽产品有防静电台垫、防静电薄膜、防静电帘、防静电屏蔽袋、防静电胶带等。最后，不管机器屏蔽或消磁效果如何，给机器接上ESD地线是很必要的。

三谈料，即材料。一般来说，如果产品对静电很敏感，那么生产线上是不能有高静电材料出现的，特别是离产品较近的区域，要尽可能用防静电材料，比如元件盒、货架、工作台、运输设备、清洗设备、化学试剂等。如果对静电敏感程度不是很高，可以酌情处理，但最好借助ESD实验来证明。

四谈环，即工作区域的环境。一个良好的防静电的工作环境对于生产来说是很重要的。首先, 建立ESD安全操作区域,即EPA(ESD Protection Area)，最好是在相应的位置贴上ESD防护警示标志等。 

在通常的电子设备生产、组装和维护现场，各种静电产生材料和由它们所产生的电场是很普遍的现象，这些静电产生材料和由其所产生的电场有可能导致静电敏感器件的损伤。因此，在静电敏感器件的整个使用过程都要对其进行保护。 在静电敏感器件的存储和转送过程中，具有屏蔽性能的导体容器可以提供必要的保护。但是，对于静电敏感器件也还存在着屏蔽容器外的操作。在这种情况下，静电敏感器件非常容易受到损伤，因此，有必要提供一个安全的工作区域。防静电工作区（EPA）正是为此目的而设计。为了确保工作台的防静电安全，它必须满足以下要求： 

⑴、防静电区域内的所有电子元器件都要视为静电敏感器件对待。 

⑵、对于任何在保护状态之外（处于法拉第笼之外）的静电敏感器件的操作，都必须在防静电工作区内进行。 

⑶、在防静电工作区之间的非防静电区域传送的静电敏感器件必须处于安全的保护状态。 

⑷、防静电工作区的设计应能保证静电敏感器件不易接触到仪器设备的金属接地外壳。 

⑸、防静电工作区内禁止放置工作不必须的静电产生材料，如未作防静电处理的塑料袋、盒子、泡沫、带子、笔记本、纸片、个人用品等物品，这些材料必须距离静电敏感器件30厘米以上。 

其次，就是ESD安全操作区域的安置，我们从防静电地板系统、除尘系统、接地系统及空气的温湿度三方面来谈。防静电地板系统，最主要的是在普通地板上再铺防静电地板，一般这方面的地板有防静电PVC地板、防静电环氧树脂地板等，对于防静电地板，要求必须达到国际防静电协会标准，当然，防静电地板还必须和ESD地线连接起来。

一个防ESD的工作环境，做到无尘是相当关键的，因为空气中的尘埃在运动的过程中相互碰撞，也会产生ESD。一般借助除尘系统来解决这个问题。首先要求有空气尘埃过滤系统，如风淋室、风淋通道、货淋室、沾尘垫、沾尘滚筒、空气过滤器、无尘传递窗、无尘室风淋传递窗等。其次尽可能设立净化灯具、无尘室净化玻璃、无尘室彩钢板天花、无尘室彩钢板包墙角、无尘室彩钢板包柱等。以上设备的选用，各企业要根据产品对ESD的敏感程度而定，最好能借鉴专业人士的意见。一个完善的ESD防护工作环境，建立独立完善的ESD接地系统也是非常重要的。并且，工作场所中的各设备、工作台面等均需接至ESD接地系统。另外，，对于温湿度都有一定的要求，从ESD防护角度来说，湿度越高越好，但湿度太高，又会腐蚀设备，所以一般来说，40%-60%的湿度是最理想的。当然，各企业也要根据自己公司产品的特性而定，毕竟这方面的工作做起来较繁琐。另外，还要设立天花、墙体送风口，并且经常用除尘器对无尘室进行净化处理等。

五谈法。谈起法，首先要明确以上四点，其实法就是建立合理的方法及规范以保证以上四点有效实现。另外，需要补充的是，当产生ESD原因不能明确时要根据生产工艺，设计相应的ESD实验，来仔细查找产生ESD问题的原因。最终要建立相应的ESD操作规程及纪律规范来规范生产。当然，ESD防护系统建立起来以后，对于工作人员来说，所要做的是经常检测这个系统，以不断的发现有不完善的地方，并做相应的改善，以保证系统长期有效的维持其ESD的防作用。这样，建立相应的ESD职能部门，并不断的培养其专业技能，提高其ESD防护意识，也都是ESD防护中不可缺少的一部分。

 
近年来，随着科学技术的飞速发展，微电子技术的广泛应用及电磁环境越来越复杂，ESD问题越来越严重，问题越来越突出，企业也越来越重视ESD防护。