摘 要： 隨著微電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用及電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，靜電放電（ESD）對(duì)電子設(shè)備的危害日益嚴(yán)重。參照IEC61000?4?2標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)某型設(shè)備進(jìn)行間接靜電放電和直接靜電放電試驗(yàn)研究。通過對(duì)該型設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，歸納總結(jié)出其典型的結(jié)構(gòu)特征，即以金屬結(jié)構(gòu)為主體且金屬外殼接大地的設(shè)備。通過試驗(yàn)及工程經(jīng)驗(yàn)，介紹了以金屬結(jié)構(gòu)為主體且金屬外殼接大地的設(shè)備靜電放電問題，分析了可能產(chǎn)生的ESD問題的原因，并提出了相應(yīng)的整改措施，在此基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)措施。

關(guān)鍵詞： 靜電放電； 電子設(shè)備； 金屬結(jié)構(gòu)； 防護(hù)措施

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）24?0118?03

Rectification and protection of ESD problem for metal structure equipments

WU Yong1， ZHANG Jianhu1， LEI Lei1， CHEN Shichun1， ZHANG Jun2

（1. Wuhan Ordnance Noncommissioned Officers Academy， Wuhan 430075， China； 2. Unit 78618 of PLA， Chengdu 610100， China）

Abstract： With the wide application of microelectronic technology and more complication of electromagnetic environment， the harm of electrostatic discharge （ESD） to electronic equipments has become increasingly serious. According to IEC61000?4?2 standard， the indirect and direct ESD tests for a certain equipment are studied. With the analysis of the structure characteristics for this type of equipment， its typical structure feature is summarized， in which its main body is metal structure and its metal case is grounded. The ESD problem for the equipment of metal structure and case grounding are introduced by experiments and engineering experiences. The reasons that may cause ESD problem are analyzed. The corresponding rectification measures are proposed. Based on the above， the corresponding design and protection measures for ESD are presented.

Keywords： ESD； electronic equipment； metal structure； protection measure

0 引 言

靜電放電（ESD）有時(shí)可形成一個(gè)高電壓、強(qiáng)電場(chǎng)、瞬時(shí)脈沖大電流，這時(shí)ESD會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射，形成電磁脈沖。這種近場(chǎng)電磁脈沖經(jīng)常對(duì)各種電子設(shè)備造成電磁干擾。靜電放電電磁脈沖具有：陡峭的上升沿、豐富的高頻諧波、近場(chǎng)幅值很高等特點(diǎn)[1?2]。在ESD實(shí)際的近磁場(chǎng)可達(dá)數(shù)百μT，電場(chǎng)可達(dá)數(shù)kV/m。正是由于ESD的這些特性，ESD可通過傳導(dǎo)途徑對(duì)敏感設(shè)備進(jìn)行干擾，也能經(jīng)空間電磁輻射場(chǎng)將能量耦合到附近設(shè)備上，并對(duì)其造成較強(qiáng)的干擾或損傷[3?5]。此外，電子器件集成化程度越來越高，電子產(chǎn)品日趨小型化，電子器件的布置距離越來越近，尤其一些體積更小的門類的電子元器件對(duì)靜電是十分敏感。因此，對(duì)已出現(xiàn)ESD問題的設(shè)備進(jìn)行診斷及整改，并總結(jié)出防護(hù)對(duì)策，對(duì)于防止靜電對(duì)各種電子設(shè)備的干擾與損害具有重要意義。

1 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備ESD問題的整改

針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的設(shè)備，解決ESD問題的方法也不盡相同。本文重點(diǎn)討論的是以金屬結(jié)構(gòu)為主體，且金屬外殼接大地的設(shè)備。正常情況下，一臺(tái)外殼導(dǎo)電性連接良好的設(shè)備，加上設(shè)備外殼有低阻抗的接地措施，靜電放電電流能在設(shè)備外殼和地之間迅速釋放，一般情況下是不容易對(duì)設(shè)備造成干擾的。但是，如果外殼的導(dǎo)電連接不正常或是接地的低阻抗設(shè)計(jì)不夠時(shí)，在放電的最初幾μs內(nèi)，由于靜電放電電流波形中擁有豐富的高頻諧波，就可能在設(shè)備外殼建立一個(gè)高頻近場(chǎng)，對(duì)設(shè)備內(nèi)部線路造成干擾。

頻域信號(hào)由源到負(fù)載都必須有一個(gè)最低阻抗路徑，當(dāng)這個(gè)最低阻抗路徑受阻，就會(huì)形成不正?；芈罚@就是產(chǎn)生所有電磁兼容問題的本質(zhì)。同理，ESD問題也得遵循這個(gè)原則。由于這類設(shè)備金屬外殼接大地，所以處理的主要原則就是：盡可能快速地泄放靜電電流。

針對(duì)此類設(shè)備的靜電試驗(yàn)主要是針對(duì)設(shè)備的外殼、連接器外殼、撥碼開關(guān)、指示燈、復(fù)位按鈕、調(diào)節(jié)旋鈕、電源開關(guān)等部位進(jìn)行，所以在出現(xiàn)靜電問題時(shí)應(yīng)該針對(duì)這些地方進(jìn)行重點(diǎn)檢查處理。具體整改的步驟如下：

1.1 檢查外殼放電電流路徑

確定靜電泄放路徑。方法是將設(shè)備的外部殼體平鋪開，沿放電點(diǎn)到設(shè)備接地點(diǎn)畫直線，也就是釋放靜電電流的最佳途徑。一般來說，這條直線就是靜電電流的主要泄放途徑。

檢查此條泄放途徑是否通暢，是否存在結(jié)構(gòu)孔縫，當(dāng)機(jī)箱表面孔縫不可避免時(shí)，ESD一旦發(fā)生，放電電流就會(huì)尋找最低阻抗路徑進(jìn)行放電，也就是通過電路板與機(jī)箱之間的耦合等效電容提供的低阻抗通路，流入到電路板。解決方法：可以在線路板與機(jī)箱之間加一塊屏蔽板，屏蔽板與電路地連接起來；如果機(jī)箱里空間不夠，可以采用銅箔、鋁箔或?qū)щ姴紝⒋丝卓p“電堵住”；或是通過增加縫隙深度，把一個(gè)大孔分解為許多小孔，在金屬構(gòu)件的結(jié)合處使用電磁密封襯墊減小或消除縫隙，從而進(jìn)一步衰減電磁輻射的能量。

如果放電點(diǎn)和接地點(diǎn)在設(shè)備的不同結(jié)構(gòu)件部件（即兩個(gè)點(diǎn)不在一個(gè)完整的金屬體上），則檢查這兩個(gè)金屬件之間的電搭接是否良好。一般來說，要求搭接的地方應(yīng)大面積接觸，且不能噴絕緣漆。

設(shè)備接地是否可靠，如果設(shè)備接地僅僅通過螺釘?shù)穆菁y連接是不可靠的，應(yīng)該在落空四周作金屬化處理，使得金屬化面積和接地線的墊片大小一致，從而保證大面積搭接。

如果接地線在設(shè)備內(nèi)部長(zhǎng)度過長(zhǎng)，也將會(huì)導(dǎo)致靜電電流的輻射，干擾電路板正常工作；所以建議PE線最好接在設(shè)備金屬殼的外表面；如果在內(nèi)表面，長(zhǎng)度盡量短，且遠(yuǎn)離敏感電路。

1.2 檢查泄放途徑附近是否有內(nèi)部電纜、敏感電路

靜電電流泄放途徑附近是否存在設(shè)備內(nèi)走線，特別是當(dāng)放電路徑上存在結(jié)構(gòu)縫隙時(shí)，縫隙附近正好有信號(hào)線時(shí)，就得考慮內(nèi)部電纜的耦合。解決方法：可以改變此電纜的走線方式，盡可能遠(yuǎn)離放電途徑或放電途徑上的孔縫；當(dāng)此電纜走線不能繞遠(yuǎn)布線時(shí)，可以改變此電纜的布線方向，比如原來是垂直方向，可以改變水平方向，也可以起到防護(hù)的效果；最后可以在信號(hào)線上增加磁環(huán)和濾波電容，用來切斷靜電感應(yīng)的共模電流。

檢查泄放途徑附近是否存在敏感電路（如復(fù)位電路、單片機(jī)電路、信號(hào)處理電路等），特別是泄放途徑中存在孔縫時(shí)，那么孔縫附近的敏感電路很容易被靜電干擾。解決方法：選用合適的屏蔽材料（磁屏蔽材料、電屏蔽材料、電磁屏蔽材料）堵住孔縫。

1.3 檢查面板復(fù)位按鈕、指示燈、鍵盤、顯示屏ESD問題處理

在面板復(fù)位按鈕、指示燈、撥碼開關(guān)進(jìn)行ESD試驗(yàn)時(shí)，對(duì)不能正常工作的情況解決方法如圖1所示。電路中電容的取值范圍在1 000 pF～0.01 μF，串接一個(gè)50～100 Ω的電阻R。ESD防護(hù)等級(jí)要求較高時(shí)，可以使用瞬態(tài)（瞬變）電壓抑制二極管代替電容。

圖1 ESD防護(hù)電路

鍵盤、顯示屏產(chǎn)生的靜電問題。主要是因?yàn)殪o電進(jìn)入了設(shè)備內(nèi)部，干擾顯示和鍵盤控制電路導(dǎo)致問題產(chǎn)生，最有效的辦法是在鍵盤、顯示屏的表面貼絕緣膜，使靜電在這些部位無(wú)法放電。在絕緣膜方法無(wú)法實(shí)施的設(shè)備中，可以在控制線上加磁環(huán)和濾波電容進(jìn)行靜電脈沖抑制。對(duì)于有屏蔽金屬絲網(wǎng)的顯示屏，只需把金屬絲網(wǎng)良好搭接設(shè)備主體。

金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)備的ESD問題整改方框圖見圖2。

圖2 ESD問題整改方框圖

2 ESD問題的防護(hù)

如果單純只在發(fā)現(xiàn)ESD問題后再進(jìn)行整改，往往需要花費(fèi)更多的人力、財(cái)力和物力，這就要求在設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)先考慮ESD問題的防護(hù)。在電子設(shè)備的實(shí)際使用過程中和電路設(shè)計(jì)中，可以通過以下幾種方法來防護(hù)ESD對(duì)設(shè)備的危害：

2.1 良好的結(jié)構(gòu)

在金屬螺釘或外露金屬件可能產(chǎn)生回路時(shí)，應(yīng)盡量避免金屬件外露，必要時(shí)使用絕緣墊圈或者外套等。對(duì)于外觀應(yīng)考慮盡量減少不必要的空氣間隙，即使應(yīng)有的間隙，也應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上與敏感電路保持足夠的距離。外殼要有一定導(dǎo)電性，并對(duì)地能形成良好ESD回路，有利于ESD的防護(hù)。

2.2 屏蔽

利用金屬機(jī)箱和屏蔽罩可以使放電電流局限在機(jī)箱的外表面，防止大的ESD電流沖擊內(nèi)部電路，阻止ESD電弧以及相應(yīng)的電磁場(chǎng)，保護(hù)設(shè)備免受間接放電的影響。當(dāng)ESD發(fā)生時(shí)，會(huì)在最初幾ms在金屬屏蔽外殼產(chǎn)生一個(gè)高電壓，當(dāng)屏蔽外殼電壓開始快速下降時(shí)，就會(huì)對(duì)內(nèi)部電路產(chǎn)生二次ESD干擾，所以僅使用外部屏蔽還不夠，內(nèi)部電路與屏蔽外殼必須共地，或把內(nèi)部電路進(jìn)行介質(zhì)隔離[6?7]。

2.3 接地（搭接）

電子設(shè)備外殼和主板邊沿元器件位置較近時(shí)，靜電泄放到電路的可能性很大，此時(shí)需要將靜電引導(dǎo)到主板的地上或主板地的金屬屏蔽體上，避免靜電對(duì)電子元器件或主板線路放電。為保證接地回路具有很低的公共阻抗，保證連接器的金屬外殼和設(shè)備的金屬外殼良好接觸，使靜電電流從設(shè)備外殼泄放到大地上，可以采用導(dǎo)電布、導(dǎo)電橡膠等導(dǎo)電材料來保證連接器的外殼和設(shè)備外殼良好搭接。

如果電路與機(jī)箱連在一起，最簡(jiǎn)單的方法可以通過單點(diǎn)連接，用來防止機(jī)箱上的感應(yīng)電流流進(jìn)電路，從而造成干擾。

機(jī)箱金屬之間要實(shí)現(xiàn)良好的搭接，搭接處要盡量采用面接觸，避免點(diǎn)接觸，減少結(jié)構(gòu)的電氣不連續(xù)性。在接合面上加入導(dǎo)電襯墊，表面涂上導(dǎo)電涂層，用來防止接觸面間因產(chǎn)生氧化而導(dǎo)致導(dǎo)電性能的下降。采用的接地線應(yīng)盡量加粗接地線，應(yīng)大于3 mm。由于高頻時(shí)的趨膚效應(yīng)，應(yīng)限制地線的長(zhǎng)度，并盡可能增加地線表面的電導(dǎo)率。

2.4 PCB設(shè)計(jì)

PCB上應(yīng)盡量縮短引線長(zhǎng)度，主要一些是敏感信號(hào)線的引線要盡可能短。板上的電路環(huán)路越多面積越大，就會(huì)更大程度地感應(yīng)ESD電流產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)信號(hào)，所以PCB布線時(shí)要減少回路。布線時(shí)應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)附加地線，以保證最小回路面積。器件互連的平行通路距離也盡量減少，以利于降低環(huán)路面積[8]；

安裝在印制板上具有金屬外殼的元器件，如復(fù)位按鈕、撥碼開關(guān)、調(diào)整旋鈕等，其金屬外殼一定要接地，確保形成穩(wěn)定的靜電電流釋放通道。

將PCB按電氣性能合理分區(qū)，將完成同一功能的電路，盡量靠近放置。

濾波去耦。對(duì)電源進(jìn)線和信號(hào)進(jìn)線和連接地線處用濾波器濾波，在存儲(chǔ)型器件接去耦電容，使其高頻分量急劇減少，從而達(dá)到消除干擾的作用。

3 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)ESD產(chǎn)生時(shí)，靜電電流就會(huì)尋找一個(gè)最低阻抗路徑進(jìn)行泄放，當(dāng)這個(gè)最低阻抗路徑受阻，就會(huì)形成不正?；芈罚纯赡墚a(chǎn)生的各種耦合路徑），確保正常的泄放途徑通暢是避免靜電放電電流對(duì)設(shè)備產(chǎn)生危害的主要做法。當(dāng)ESD問題發(fā)生時(shí)，根據(jù)靜電放電特點(diǎn)，通過電流泄放、搭接接地、能量導(dǎo)通、屏蔽濾波、隔離等方法，一定能解決靜電問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 侯民勝，朱瑩，秦海潮.靜電放電電磁脈沖均勻輻射場(chǎng)模擬[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（13）：183?185.

[2] 劉尚合，魏光輝，劉直承，等.靜電理論與防護(hù)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1999.

[3] 曲利新.EPA的實(shí)時(shí)監(jiān)控與靜電防護(hù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（3）：182?185.

[4] 趙華勝.靜電通過線纜耦合內(nèi)部系統(tǒng)的解決方法[J].電子制作，2013（11）：192?193.

[5] 原青云，武占成，楊潔，等.靜電放電和方波EMP對(duì)微電子器件的效應(yīng)[J].高電壓技術(shù)，2006（6）：47?50.

[6] 鄭泓.ESD對(duì)電子產(chǎn)品的危害及防靜電設(shè)計(jì)[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2010，22（6）：47?49.

[7] 王榮海.分析電子通信產(chǎn)品的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)[J].電子世界，2013（15）：4?5.

[8] 張文亮，楊宇.電子通信產(chǎn)品ESD防護(hù)設(shè)計(jì)研究[J].電子世界，2013（7）：2?3.