ESD（靜電放電）是電子設(shè)備故障的主要原因c影響電子設(shè)備在任何階段的功能 - 從制造，測試，裝配，生產(chǎn)，現(xiàn)場操作和現(xiàn)場pc組件的處理。專家估計，1994年的國際可持續(xù)發(fā)展教育導(dǎo)致電子工業(yè)損失超過900億美元（參考文獻(xiàn)1）。由于任何原因（例如摩擦帶電），由于表面上的電荷累積而發(fā)生ESD。然而，電子設(shè)備的快速小型化導(dǎo)致器件幾何尺寸減小，包括層厚度，并且這些更高密度的器件更容易受到甚至低ESD的損害。

ESD的人為原因包括合成地毯和地板，羊毛和尼龍服裝，塑料家具，帶塑料刀片的風(fēng)扇，普通塑料容器，帶塑料吸頭的拆焊工具，非導(dǎo)電鞋，合成地墊，玻璃纖維容器，普通塑料袋和類似材料。使用塑料部件的機器如果與另一塑料部件摩擦，則由于塑料材料中的電荷累積而成為靜電電荷源。來自設(shè)備的高強度電場和磁場也會在附近的組件中產(chǎn)生靜電荷。

靜電是一種影響電子元件的無形破壞力。 ESD不一定總能導(dǎo)致組件完全失效;它可能導(dǎo)致常規(guī)測試無法檢測到的組件中的潛在缺陷。在惡劣的環(huán)境條件下，這種“弱化”部件在系統(tǒng)運行期間更可能在現(xiàn)場發(fā)生故障。在制造，存儲，處理，包裝，組裝和測試階段采取一些簡單的預(yù)防措施并適當(dāng)?shù)卦O(shè)計電路可以最小化ESD造成的損壞的影響。對于半導(dǎo)體器件，如果在膜上施加強電場，則器件結(jié)構(gòu)中的氧化物薄膜將由于介電擊穿而破裂。薄的金屬化跡線將由于大電流流動而受到損壞，并且由于電流的浪涌引起的過度加熱而導(dǎo)致開路。 p-n結(jié)的失效可能是由于“電流擁擠”效應(yīng)，當(dāng)大電流流過結(jié)時會發(fā)生，導(dǎo)致高電流密度。 ESD引起的潛在缺陷會使器件更容易發(fā)生故障，并可能導(dǎo)致器件出現(xiàn)故障或間歇性工作。

ESD和閂鎖

ESD和相關(guān)的電壓瞬變引起閂鎖，這是半導(dǎo)體器件的主要故障類型之一。在閂鎖條件下，器件會在電源和地之間形成短路，導(dǎo)致高電流，EOS（電氣過應(yīng)力）和器件損壞。 CMOS器件特別容易因閂鎖而損壞，因為器件中寄生電容中的電荷累積。此外，原子級氧化物材料的任何缺陷都會降低該層的介電強度，并使器件容易因靜電電壓而發(fā)生故障（參見側(cè)邊欄本文網(wǎng)頁版www.edn.com上的“ESD閂鎖建?！?。

電子系統(tǒng)中常見的ESD問題是通信接口設(shè)備的故障，例如RS-232驅(qū)動器和接收器。當(dāng)ESD脈沖通過人工操作員經(jīng)常處理的電纜互連傳播時，以及當(dāng)電纜通過未端接的連接器與帶電表面接觸時，這些設(shè)備會發(fā)生損壞。當(dāng)這些ESD脈沖的頻率超過1 GHz時，印制電路板走線和小電纜就像接收這些干擾信號的天線一樣。

圖1顯示了最近對經(jīng)歷頻繁故障的CMOS數(shù)據(jù)收發(fā)器IC進(jìn)行ESD閂鎖調(diào)查的結(jié)果：IC封裝在某些情況下被燒焦并燒毀底層印刷電路板。為了確定故障原因，記錄儀器監(jiān)控RS-232收發(fā)器的電源和輸入端子。記錄的波形顯示收發(fā)器設(shè)備和電源引腳輸入端的短電壓轉(zhuǎn)換。當(dāng)這些電壓瞬變迫使寄生pnpn結(jié)構(gòu)導(dǎo)通時發(fā)生閂鎖。一旦用戶接通寄生SCR，它就會通過器件在電源和地之間提供低阻抗路徑。在這些條件下電流很大，這導(dǎo)致由于熱過應(yīng)力導(dǎo)致的器件中的異常散熱。過度的熱過應(yīng)力導(dǎo)致塑料封裝加熱和破裂。

ESD控制從設(shè)計開始

防止ESD引起的故障的第一步是電路設(shè)計。在ESD方面使用適合應(yīng)用要求的設(shè)備。使用不易受ESD損壞的元件的電路的適當(dāng)設(shè)計可以減少現(xiàn)場卡和系統(tǒng)的故障發(fā)生率。例如，永遠(yuǎn)不要選擇設(shè)備，因為它更快;根據(jù)所需的操作速度選擇合適的設(shè)備。高速邏輯轉(zhuǎn)換會導(dǎo)致高頻場，這會干擾電路板上的其他器件。不必要地使用高速設(shè)備會增加因切換產(chǎn)生的不必要輻射而產(chǎn)生的問題。

在實驗室測試和規(guī)范驗證過程中工作的設(shè)備可能會在實際現(xiàn)場條件下出現(xiàn)問題。通過預(yù)測現(xiàn)場可能出現(xiàn)的問題，您可以定制電路設(shè)計，以便在所有操作環(huán)境中運行。這種情況在ESD問題的情況下尤其如此，因為在現(xiàn)場處理pc組件而不遵守必要的預(yù)防措施也可能出現(xiàn)這樣的問題。為了克服這些問題，有必要在產(chǎn)品設(shè)計期間加入防止ESD損壞的保護(hù)。即使設(shè)備具有內(nèi)置保護(hù)網(wǎng)絡(luò)以防止ESD損壞，您也應(yīng)該使用外部組件進(jìn)行更高級別的保護(hù)，以應(yīng)對敏感應(yīng)用。

一種眾所周知的包含ESD能量的技術(shù)是在電路的關(guān)鍵點使用瞬態(tài)抑制二極管。這種裝置本質(zhì)上是具有快速響應(yīng)的電壓鉗制裝置。當(dāng)出現(xiàn)由ESD或任何其他因素引起的過壓瞬變時，瞬態(tài)抑制器會根據(jù)其額定值將電壓鉗位到安全值，以保護(hù)瞬態(tài)抑制器所連接的器件。根據(jù)您期望器件處理的預(yù)期瞬時功耗，仔細(xì)選擇瞬態(tài)抑制器的功率處理能力。

一種抑制可在輸入端使用的ESD瞬變的簡單技術(shù)電路的階段是將鐵氧體磁珠滑到輸入引線上，并將一個低值電容從輸入引線接地。圖2顯示了鐵氧體磁珠的等效電路。輸入端的LC部分充當(dāng)濾波器，并將ESD瞬態(tài)中的能量轉(zhuǎn)移到地。使用瞬態(tài)抑制二極管保護(hù)任何輸入或輸出時，請將瞬態(tài)抑制器靠近這些端子。如果ESD瞬態(tài)進(jìn)入電路，長引線和印刷電路板走線會產(chǎn)生寄生電感，導(dǎo)致電壓過沖和振鈴問題。

通過采用CMOS布局技術(shù)可以防止閂鎖ESD瞬變可以進(jìn)入器件的點：器件的電源，輸入和輸出引腳。你應(yīng)該減少晶體管的增益（pnp和npn）并增加閂鎖的閾值＆＃128;＆＃128;＆＃148;通過增加器件結(jié)構(gòu)中p溝道槽之間的間隔可以實現(xiàn)的目標(biāo)和p溝道漏極。使用連接到電源和p-tub附近的p +和n +保護(hù)環(huán)也可以最大限度地降低晶體管增益并提高閂鎖閾值（圖3）。防止閂鎖的其他器件工藝技術(shù)包括增加阱的深度以減小寄生晶體管的增益;使用絕緣襯底，例如藍(lán)寶石上的硅，以減少桶和襯底中的電流;并在每個井下采用埋層和外延層（圖4）。

您還可以使用良好的電路設(shè)計技術(shù)來最大限度地減少ESD損壞并減少電子設(shè)備的ESD相關(guān)故障。正確選擇元件和使用電路級技術(shù)（例如電路關(guān)鍵點的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)）都可以降低ESD的影響。良好的接地和電路板布局技術(shù);在組裝，生產(chǎn)和測試過程中小心處理ESD敏感元件;適當(dāng)?shù)目轨o電包裝材料，用于包裝和運輸部件和組裝板，減少故障。正確屏蔽電路也可以最大限度地減少ESD影響。

電路板布局影響ESD

通過精心策劃和 - 可以顯著降低ESD問題的發(fā)生率布線印刷電路板（參見附文“電路設(shè)計指南，以盡量減少ESD故障”）。由于存在不同類型的元件和流過電路的電流，每個電路中都存在靜電和磁通線。如果您的電路板布線包圍大的環(huán)路區(qū)域，則導(dǎo)電路徑會包含更多的磁通量，這又會因環(huán)路充當(dāng)天線而在環(huán)路中感應(yīng)出電流。該環(huán)路電流引起影響電路中元件的干擾場。減小環(huán)路面積的方法是將電源線和地線盡可能靠近地布線。圖5顯示了電源和地線的典型布線形成的環(huán)路區(qū)域。

在電路板設(shè)計中使用低阻抗接地，這樣任何ESD電流都可以輕松地流到地，而不會發(fā)現(xiàn)其他低電平 - 通過電子設(shè)備的阻抗路徑。接地區(qū)域和優(yōu)選地平面減少了ESD效應(yīng);因此，您應(yīng)該將印刷電路板中未使用的區(qū)域轉(zhuǎn)換為地平面。靠近地線的運行信號線有助于減少環(huán)路面積，并最大限度地減少大環(huán)路引起的ESD問題。具有單獨接地層的多層板是優(yōu)選的。

放置電路板時，請將敏感電子元件放置在遠(yuǎn)離潛在ESD源的位置，例如變壓器，線圈和連接器。這些源可能會累積電荷或?qū)е码s散場，從而損壞組件。建議使用屏蔽線圈，變壓器和類似元件來容納這些元件輻射的場。在長段信號線之間運行地線以減少環(huán)路面積。您可以通過將敏感電子元件遠(yuǎn)離印刷電路板邊緣來避免對敏感電子元件造成意外ESD損壞;通過這種方式，您可以避免人體接觸和可能的ESD損壞。

由于ESD造成的許多現(xiàn)場故障是在現(xiàn)場不小心處理印刷電路板的錯誤。這種粗心大意抵消了通過在設(shè)備處理，裝配，測試和裝運過程中遵守ESD預(yù)防措施而獲得的優(yōu)勢（參見附文“ESD敏感環(huán)境中的材料特性”）因為您在運輸產(chǎn)品時幾乎無法控制，所以設(shè)計是謹(jǐn)慎的印刷電路板以最小化組件和人類之間的無意接觸的方式。在連接到地面的印刷電路板邊緣周圍提供保護(hù)走線可以釋放由于人體接觸而產(chǎn)生的任何靜電荷。 PC板布線應(yīng)確保電路板上相鄰走線之間的間距最大，符合良好的CAD規(guī)范，因此ESD脈沖不會在相鄰走線之間產(chǎn)生電弧并傳播。

ESD對電子設(shè)備構(gòu)成威脅是失敗的主要因素?？朔﨓SD導(dǎo)致的故障需要各級的全面承諾以及ESD控制技術(shù)在設(shè)計，處理，裝配，測試，系統(tǒng)集成，裝運和運行階段的應(yīng)用（見附文“預(yù)防裝配和生產(chǎn)中的ESD效應(yīng)”） ）。對ESD控制的承諾應(yīng)該是一個持續(xù)的過程。縮小器件幾何尺寸和增加器件復(fù)雜性需要應(yīng)用更新的ESD控制和故障預(yù)防技術(shù)，并將繼續(xù)挑戰(zhàn)電子設(shè)計人員。