吳白丁/浙江省計量科學(xué)研究院

0 引言

早期常用各類電子組件體積大且頻寬窄，因此靜電對這些大體積的組件來說，幾乎不造成什么影響。隨著IC 制造技術(shù)的不斷進(jìn)步和μm(微米)時代的到來，常用電子組件的尺寸大大縮小，已可以完全縮放到一個小小的芯片里面。在這種情況下，靜電對現(xiàn)代數(shù)字儀器使用的如此小且頻寬很寬的前端取樣電路而言，造成的影響和傷害是難以想象的。本文旨在闡述ESD(Electrostatic Discharge)對所使用的電子組件的影響和提供一些控制ESD傷害的措施。雖然無法完全解決問題(ESD是在任何地方都會產(chǎn)生的)，但可以把ESD所帶來的影響和傷害減少到最小。

1 關(guān)于靜電

眾所周知，物質(zhì)由分子構(gòu)成，分子又由原子構(gòu)成，而原子則由帶負(fù)電荷的電子和帶正電荷的質(zhì)子構(gòu)成。在正常狀況下，一個原子的質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)的數(shù)量相同，正負(fù)平衡，所以對外表現(xiàn)出不帶電的現(xiàn)象。但是環(huán)繞于原子核周圍的電子，一旦受到外力作用即脫離軌道，離開原來的A原子而侵入其他的B原子。這時A原子因正常電子數(shù)減少而帶有正電，稱為陽離子；B原子因正常電子數(shù)增加而帶負(fù)電，稱為陰離子。造成不平衡電子分布的原因是電子受外力作用而脫離軌道，這個外力可以是各種形式的能量（如動能、勢能、熱能、化學(xué)能……等）。在日常生活中，任何兩個不同材質(zhì)的物體接觸后再分離，即可產(chǎn)生靜電。

一般根據(jù)防范要求可將靜電分成4個等級，如表1所示。

表1

各等級有不同的靜電電壓防范要求，Class 0等級雖然電壓較低(0～199 V)，但并不表示它的殺傷力最小。因為殺傷力的大小，還與放電時間長短有關(guān)。所以，如果認(rèn)為防范等級做到Class 3就不會有任何靜電傷害的話，那就大錯特錯了。實際工作中，可以根據(jù)各種電子敏感組件對靜電的忍耐程度（參見表2）和實際工作要求，確定合適的Class，以求有效防范。

表2

2 靜電危害成因

靜電對數(shù)字儀器產(chǎn)生危害有幾大原因，其一是數(shù)字儀器本身的制造工藝，其二是人為因素。

原因之一：制造工藝。

現(xiàn)在的一些數(shù)字儀器為了能在功能上更加強(qiáng)大，技術(shù)指標(biāo)上更加先進(jìn)，勢必會在制造工藝上進(jìn)行重大變革。

以示波器為例，普通的數(shù)字示波器，信號都是先經(jīng)過“衰減器”衰減，再到“取樣電路”取樣。這種電路構(gòu)造的優(yōu)點是，“取樣電路”的高頻二極管有“衰減器”的保護(hù)，不會輕易受到過大電壓的傷害。比如在阻抗為50 Ω或1 MΩ的情況下，最大可輸入500V的電壓。但因此會損失示波器的頻帶寬度。而取樣數(shù)字示波器為了得到更寬的頻帶寬度（一般的取樣數(shù)字示波器能做到10 GHz甚至高達(dá)50 GHz的頻帶寬度），就不能在取樣電路前面再加入一個衰減器。既然沒有衰減器的保護(hù)而直接輸入信號，那么取樣電路就很容易受到過大電壓的傷害。以泰克TDS/CSA8000 的取樣頭80E04來說，頻寬高達(dá)20 GHz，當(dāng)輸入阻抗為50 Ω時，它的容許輸入電壓只有3 V。

原因之二：人為因素。

一般人在穿脫毛衣時就會產(chǎn)生很大的靜電，這是因為對人體來說，人體本身就是一個大約為160 pF的電容，它可以儲存約35000 V的靜電。但人們卻不會注意到這些靜電對數(shù)字儀器或組件所造成的傷害。這是因為使人有感覺的靜電放電電壓約在3500 V左右，讓人能看到的靜電放電電壓約在5000 V左右。哪怕只有100 V的靜電放電電壓，就可以傷害到80E04取樣頭，更不用說是更大的放電電壓了。此外，目前數(shù)字儀器內(nèi)的μm組件，由于面積非常小，使得組件單位面積所承受的功率非常大。以一個人體的電容160 pF為例，按其儲存約15000 V的靜電計算（這是很普遍且正常的），當(dāng)它對一個0.1μm2接口(junction)的組件放電時，組件接收的功率為：

因為這個功率能量分布在0.1μm2(即1×10-7cm2)接口(junction)的組件上，所以單位面積所承受的功率為:

顯然，這么大的能量加入到組件上，必然會使組件受到影響。一般半導(dǎo)體硅會在200℃融化，如果有這么大的能量加入到組件的接口上，必然使接口受到傷害，從而失去肖特基二極管的功能，不能正常工作。

3 ESD的控制措施

ESD的控制措施主要分為兩個方面，其一是必須用導(dǎo)體材料將靜電引導(dǎo)至標(biāo)有接地的地方，其二是數(shù)字儀器電源本身，應(yīng)具備良好的接地條件。

措施之一：用導(dǎo)體材料將靜電引導(dǎo)至標(biāo)有接地的地方。這些導(dǎo)體材料包括：防靜電桌毯、防靜電地毯、防靜電手環(huán)、防靜電袋、防靜電椅蓋、防靜電保護(hù)手袖、防靜電鞋帶等。其中最重要的3種材料是防靜電桌毯、防靜電手環(huán)和防靜電地毯，其具體作用如下：

a) 防靜電桌毯接地，可導(dǎo)去工作臺面上的任何靜電；

b) 防靜電手環(huán)接地，可導(dǎo)去人體的任何靜電；

c) 防靜電地毯接地，可導(dǎo)去任何靠近工作臺人員身上所帶的靜電。

靜電放電并非一定要在直接接觸的情況下才會發(fā)生。如果人體帶有足夠的靜電，也可以遠(yuǎn)距離放電。防靜電地毯的作用，就是避免當(dāng)有很多人靠近工作臺時，發(fā)生遠(yuǎn)距離放電的危險。當(dāng)人員進(jìn)入實驗室或靠近工作臺時，穿著的橡膠底鞋子在系上靜電鞋帶后，就可以將走路時產(chǎn)生的靜電導(dǎo)去，以免帶到工作臺產(chǎn)生靜電危害。

措施之二：在使用數(shù)字儀器時，首先要確認(rèn)實驗室的電源是否接地良好。最簡單的方法是用多用電表量取三相電源的零線和地線壓差。通常情況下壓差不能大于2 V。其次所用的儀器電源插頭的地線必須要有接地端，不能使用沒有接地端的兩端插頭。具有接地端的三端電源插頭可以使接地的電位穩(wěn)定，如果使用沒有接地端的兩端插頭會使電路電位浮動，這種浮動電路常會引起共模電壓，有的可能高達(dá)幾百伏。再次同一工作臺面上的所有儀器與靜電防范器具，都必須接在同一接地點，以免產(chǎn)生電位差。以一個實驗室來說，最好只有一個電源接地點。如果有兩個配電盤的電源，則會因接地點的不同而產(chǎn)生電位差，而這種電位差常?？梢赃_(dá)到幾十伏。此外還有一些可能的情況則是儀器浮地或者是防靜電器具浮地等，也一樣會產(chǎn)生電位差，所以實驗人員必須注意每一樣器具的接地都必須是確實做到并且是正確無誤的。

4 結(jié)束語

隨著目前高端精密數(shù)字儀器在大中院校、科研機(jī)構(gòu)、認(rèn)可實驗室和IT行業(yè)工廠的應(yīng)用越來越多，靜電對這些數(shù)字儀器的危害可能是致命的，所以應(yīng)把ESD問題當(dāng)做一件很嚴(yán)肅、重要的事情對待，應(yīng)與ISO核驗程序一樣制定周期性的督察計劃，即要有相應(yīng)的實施計劃、標(biāo)準(zhǔn)程序、核驗計劃、核驗記錄、核驗人員、改善與預(yù)防程序等，這樣才能使靜電危害降至最小。