電路設計與制造過程中的靜電防護

張毅 徐漢揚

中圖分類號：TN108文獻標識碼： A

摘要：文章指出了靜電的危害，并說明了靜電的防護機理，電路設計中的靜電防護措施，并探討了電子工廠生產過程中是如何進行有效的防靜電管理。

靜電防護就是通過有效的控制手段來預防靜電對靜電敏感元器件造成傷害，它需要從電路設計、元器件選擇、生產制造、搬運與存儲以及使用等等全過程的方方面面加以防護和控制，才能達到有效預防靜電對電子產品造成傷害。

一、靜電的危害

隨著科技的進步和工業的高速發展，一方面，許多高分子材料被迅速推廣應用，一些電阻率很高的高分子材料（如塑料、橡膠等）制品的廣泛應用以及現代生產過程的高速化，使得靜電能積累到很高的程度；另一方面，靜電敏感材料的生產和使用（如輕質油品、火藥、VMOS/CMOS電路芯片等），工礦企業受靜電的危害越來越突出，靜電危害造成了的后果和損失也就相當嚴重。

人們的日?；顒蛹纯僧a生高達幾萬伏的靜電，而人手的神經可感覺到靜電的最低電壓也在3000V以上，但卻只需要10V的靜電釋放就可毀壞某些對靜電極度敏感的電路芯片。如果不加以防護，電子產品即可在不知不覺的過程中就被靜電釋放造成傷害，釀成無法彌補的損失。據統計分析有 59%的電子元器件損壞是由于靜電釋放造成的，這種損壞有兩種形式，一種是災難性的損壞，它造成元器件功能喪失，這種情況約占靜電對元器件造成的總損壞的10%；另一種是潛在性損壞，這種損壞雖然沒有喪失元器件應有功能，但卻使元器件的性能下降，或降低元器件使用壽命，這種情況約占靜電對元器件造成的總損壞的90%。據統計美國電子工業一年的靜電損失就超過100億美元，日本超過80億美元，中國目前還沒有這方面的權威統計數據，估計會更高。因此，在電子制造行業內保護電子元器件免受靜電釋放的損壞是非常重要的。

二、靜電的防護機理

病毒對人體的感染必須具備三要素：感染源、感染途徑、易感人群。同樣地，靜電對電子元器件的損壞也必須具備三要素：靜電電勢、釋放途徑、敏感元器件，三者缺一不可。因此，我們在進行靜電防護時，只需要消除三個因素中的一個因素即可起到靜電防護的作用。但靜電無處不在，我們要想消除靜電電勢幾乎是不可能，唯一的辦法是削弱靜電電勢，靜電電勢與空氣濕度有關（如表1所示），空氣濕度越大，靜電電勢就越低，但我們又不能無限制地增加空氣濕度，因為空氣濕度越大，濕敏元器件就越容易受潮，元器件一旦受潮，通過高溫焊接就極易損壞元器件（這就是所謂的“爆米花”現象），因此，我們需要將環境濕度控制在一定的范圍內（一般在40%RH～70%RH）。

靜電產生的方法 靜電電壓（V）

10%RH 40%RH 55%RH

人在地毯上行走 35000 15000 7500

人在塑料地板上行走 12000 5000 3000

坐在椅子上的工人 12000 5000 3000

從包裝箱上拿出泡沫 26000 20000 7000

無接地措施時人體的運動 6000 800 400

穿著合適的腳帶在靜電地板上行走 ＜15

表1各種動作產生靜電電壓

其二，是保護靜電敏感元器件，部分電子元器件的靜電擊穿電壓如表2所示，我們在進行電路設計時，在這些容易被靜電擊穿的電子元器件外圍設計一些保護電路，就可以起到保護靜電敏感元器件的作用。

再者，就是控制靜電釋放途徑，這是電子產品生產制造過程中普遍采取的措施，讓產生的靜電安全釋放。那么，在電子制造業究竟如何保護電子元器件才能使電子元器件免受靜電釋放的損壞呢？一提及該問題，人們往往只想到在生產制造過程中的靜電防護，常常會忽略如何在電路設計過程中通過設計一些保護電路來達到靜電防護的目的。本文就從電路設計和生產制造兩個方面來淺析靜電防護措施。

器材類型 ESD最小敏感電壓（V）

VMOS 30～1800

MOSFET 100～200

砷化鎵FET 100～300

EPROM 100以上

JFET 140～7000

SAW(聲表面濾波器) 150～500

運算放大器 190～2500

CMOS 250～3000

靜電對部分肖特基二極管的擊穿電壓 300～2500

SMD薄膜電阻器 300～3000

雙極性晶體管 380～7800

射極耦合邏輯電路 500～1500

可控硅 680～1000

肖特基TTL 100～2500

表2部分電子元器件的靜電擊穿電壓

三、電路設計中的靜電防護措施

在進行電路設計時，盡可能選用靜電敏感度電壓伏值高的電子元器件。特別是接口電路，應盡可能選用靜電敏感度為3級（靜電損傷閾值電壓大于4000V）或對靜電不敏感的電子元器件。否則應在輸入輸出接口電路上應采取保護措施。保護電路的放置位置，對于布置在PCB板周邊或靠近連接器的接口電路，其保護電路應緊靠外圍地線或連接器放置，其余的保護電路應緊靠被保護的芯片放置。

對于容易受到靜電損傷的電子元器件，如NMOS、CMOS類電子器件或其它一些靜電敏感度為1、2級的電子元器件，應該盡量遠離易受靜電沖擊的區域，且每一個電路應盡可能緊靠。容易受到靜電干擾的信號線（如時鐘線、復位線等）應盡可能短而寬，多層板中的時鐘線、復位線應在兩地平面之間走線。

圖1基本控制電路

在PCB的電路周圍設置一個環形地，如圖1所示。環形地線寬應大于 3mm，分別鋪設于 PCB 板的兩個表層（頂層Toplayer 和底層Bottomlayer）上，內層上可以不鋪設環形地，并每間隔13mm 用過孔將各層的環形地連接在一起。兩個表層的環形地銅皮上不要覆蓋阻焊層（綠油），而采用裸銅或同焊盤一樣做噴錫處理，以保證兩個表層環形地表面良好的導電性能。環形地與PCB板內部線路應保證3mm 以上的間距，工作地匯聚后可最終與環形地相連，環形地可通過安裝孔用螺釘與金屬機殼相連。盡可能使用多層PCB，將電源層和地線層獨立鋪設在PCB板的內層，這樣可以有效減小信號線與地線之間共模阻抗和感性耦合，并且盡量地將每一個信號層都緊靠一個電源層或地線層。對于較復雜的電路板或高密度電路板，還可以考慮使用內層信號線層，但兩信號層之間應用電源層或底線層來隔開。對于雙面PCB來說，要采用緊密交織的電源和地柵格，電源線緊靠地線，在垂直和水平線或填充區之間，要盡可能多地連接。

CMOS器件及其它重要IC芯片所不用的輸入輸出引腳最好不要獨立懸空，應視引腳不同功能將其單獨或相連后分別接到地線、電源的Vcc、Vss、VDD上，CMOS器件的輸入端如果接的是高阻源，則應設計上拉或下拉電阻。兩塊或兩塊以上電路板的接地線通過連接器進行連接時，最好有多個插針接地，以保證靜電泄放地回路的通暢。電源輸入端應加入瞬態過壓抑制器件（TVS），PCB板上電源走線過長時，應每隔50mm 在電源線與地線之間安裝一個0.1uF的陶瓷濾波電容器。信號線過長時，應與信號線平行布一條地線。

安裝在印制板上或安裝在機殼與操作面板上容易被人體接觸的部件（如復位按鈕、撥碼開關、小面板、按鈕、鍵盤、旋鈕等）應采用絕緣物，如帶有金屬外殼，其金屬外殼應盡可能有良好的接地，優先接靜電保護地形環，如沒有設置靜電保護地形環，則接工作地。

四、電子工廠生產過程中如何進行有效的防靜電管理

1、 EPA區域的靜電防護等級確定

為了全面的產品靜電防護等級靜電防護小組應收集公司產品的類型、靜電敏感器件的類型、靜電敏感器件的防護等級、每種產品占總產品的比重;同時靜電防護小組應該關注不同客戶的需要確定EPA區域的靜電防護等級;第三，對于目前電子企業特別是國內企業領導層的意見往往起著關鍵作用，因為每個公司即使相同的器件，由于用途不一樣對于器件失效的比例接受度不一樣。領導層對于器件失效的比例接受度有很大的決定作用，因此充分了解領導層的期望是項目組在靜電防護區域等級分類確定時必須考慮的一個環節。

2、建立靜電防護規范體系

首先，為了便于電子企業能快速制定出靜電防護規范體系，并且規范出完全滿足電子產品生產的防靜電要求，項目經理應組織對相關國際、國內靜電防護標準學習特別是對于最新的國際標準。為了使靜電防護體系能夠有效運行在建立靜電防護體系基本框架結構之后，需要對各個過程及所涉及的相關活動進行描述。因此，應高度重視靜電防護體系規范文件編制這一環節。規范的內容應體現協調性、可操作性和可檢查性編制規范應特別注意保持完整性、系統性和層次性規范的內容應當具有完整性和可行性，因為靜電防護體系是有關人員從事靜電防護活動的依據所在。

3、靜電防護區域建設

首先是環境建設，要依照靜電防護區域的具體要求和防護等級制定相應防靜電環境。我們可以用魚骨圖分析法來定義靜電防護環境建設的影響因素，并從中挖掘出主要因素環境建設一般包含以下幾個方面：防靜電的標識、防靜電地板、環境的溫濕度、EPA區域接地、環境離子濃度、防靜電工作臺其次是設備控制，由于靜電敏感器件在生產過程中接觸最多的就是電子工廠的生產設備，因此設備的漏電將對靜電敏感器件造成巨大的影響，且這種影響是以批量單位計算的，因此，在EPA建設中設備的控制也是一項重要的環節。一般我們從設備中與靜電敏感器件接觸材料方面、設備的接地等方面來考慮設備控制問題找出引起器件失效的設備是設備控制的關鍵所在，我們還是可以采用魚骨圖分析法來進行設備控制分析。第三是人員控制主要應從人員的操作過程、人員的穿著以及人員靜電防護規范的遵守等方面來考慮。第四是材料控制主要從電子產品的使用環境以及靜電敏感器件的包裝方式入手。一般來說，直接接觸比間接接觸要求要高，靜電防護區域外部比靜電防護區域要求較高。

結束語

靜電防護是電子工業永恒的話題，也是電子設計與制造工程師們不斷探索和研究的課題。大量的事實告訴我們，在設計、制造以及使用電子產品時，必須高度關注靜電防護，只有加強了靜電防護，才能減少靜電對電子產品造成的傷害。

參考文獻

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文章所參考文獻皆來源于中國知網