淺談數(shù)字儀器抗靜電干擾的重要性及控制措施

吳白丁/浙江省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

早期常用各類(lèi)電子組件體積大且頻寬窄，因此靜電對(duì)這些大體積的組件來(lái)說(shuō)，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(shí)代的到來(lái)，常用電子組件的尺寸大大縮小，已可以完全縮放到一個(gè)小小的芯片里面。在這種情況下，靜電對(duì)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(duì)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(wú)法完全解決問(wèn)題(ESD是在任何地方都會(huì)產(chǎn)生的)，但可以把ESD所帶來(lái)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(gè)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(duì)外表現(xiàn)出不帶電的現(xiàn)象。但是環(huán)繞于原子核周?chē)碾娮?，一旦受到外力作用即脫離軌道，離開(kāi)原來(lái)的A原子而侵入其他的B原子。這時(shí)A原子因正常電子數(shù)減少而帶有正電，稱(chēng)為陽(yáng)離子；B原子因正常電子數(shù)增加而帶負(fù)電，稱(chēng)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(gè)外力可以是各種形式的能量（如動(dòng)能、勢(shì)能、熱能、化學(xué)能……等）。在日常生活中，任何兩個(gè)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(gè)等級(jí)，如表1所示。

表1

各等級(jí)有不同的靜電電壓防范要求，Class 0等級(jí)雖然電壓較低(0～199 V)，但并不表示它的殺傷力最小。因?yàn)闅Φ拇笮?，還與放電時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。所以，如果認(rèn)為防范等級(jí)做到Class 3就不會(huì)有任何靜電傷害的話，那就大錯(cuò)特錯(cuò)了。實(shí)際工作中，可以根據(jù)各種電子敏感組件對(duì)靜電的忍耐程度（參見(jiàn)表2）和實(shí)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(duì)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(shì)必會(huì)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(hào)都是先經(jīng)過(guò)“衰減器”衰減，再到“取樣電路”取樣。這種電路構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)是，“取樣電路”的高頻二極管有“衰減器”的保護(hù)，不會(huì)輕易受到過(guò)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(huì)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(gè)衰減器。既然沒(méi)有衰減器的保護(hù)而直接輸入信號(hào)，那么取樣電路就很容易受到過(guò)大電壓的傷害。以泰克TDS/CSA8000 的取樣頭80E04來(lái)說(shuō)，頻寬高達(dá)20 GHz，當(dāng)輸入阻抗為50 Ω時(shí)，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(shí)就會(huì)產(chǎn)生很大的靜電，這是因?yàn)閷?duì)人體來(lái)說(shuō)，人體本身就是一個(gè)大約為160 pF的電容，它可以?xún)?chǔ)存約35000 V的靜電。但人們卻不會(huì)注意到這些靜電對(duì)數(shù)字儀器或組件所造成的傷害。這是因?yàn)槭谷擞懈杏X(jué)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(shuō)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(gè)人體的電容160 pF為例，按其儲(chǔ)存約15000 V的靜電計(jì)算（這是很普遍且正常的），當(dāng)它對(duì)一個(gè)0.1μm2接口(junction)的組件放電時(shí)，組件接收的功率為：

因?yàn)檫@個(gè)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(huì)使組件受到影響。一般半導(dǎo)體硅會(huì)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(gè)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(tái)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(tái)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(huì)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(tái)時(shí)，發(fā)生遠(yuǎn)距離放電的危險(xiǎn)。當(dāng)人員進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室或靠近工作臺(tái)時(shí)，穿著的橡膠底鞋子在系上靜電鞋帶后，就可以將走路時(shí)產(chǎn)生的靜電導(dǎo)去，以免帶到工作臺(tái)產(chǎn)生靜電危害。

措施之二：在使用數(shù)字儀器時(shí)，首先要確認(rèn)實(shí)驗(yàn)室的電源是否接地良好。最簡(jiǎn)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(méi)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(méi)有接地端的兩端插頭會(huì)使電路電位浮動(dòng)，這種浮動(dòng)電路常會(huì)引起共模電壓，有的可能高達(dá)幾百伏。再次同一工作臺(tái)面上的所有儀器與靜電防范器具，都必須接在同一接地點(diǎn)，以免產(chǎn)生電位差。以一個(gè)實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)，最好只有一個(gè)電源接地點(diǎn)。如果有兩個(gè)配電盤(pán)的電源，則會(huì)因接地點(diǎn)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(huì)產(chǎn)生電位差，所以實(shí)驗(yàn)人員必須注意每一樣器具的接地都必須是確實(shí)做到并且是正確無(wú)誤的。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(shí)驗(yàn)室和IT行業(yè)工廠的應(yīng)用越來(lái)越多，靜電對(duì)這些數(shù)字儀器的危害可能是致命的，所以應(yīng)把ESD問(wèn)題當(dāng)做一件很?chē)?yán)肅、重要的事情對(duì)待，應(yīng)與ISO核驗(yàn)程序一樣制定周期性的督察計(jì)劃，即要有相應(yīng)的實(shí)施計(jì)劃、標(biāo)準(zhǔn)程序、核驗(yàn)計(jì)劃、核驗(yàn)記錄、核驗(yàn)人員、改善與預(yù)防程序等，這樣才能使靜電危害降至最小。