产品可靠性设计不能忽视的因素--- 静电

Posted 2021-04-19 可靠性知识

静电是一种处于静止状态的电荷。在干燥和多风的秋天，在日常生活中，人们常常会碰到这种现象：晚上脱衣服睡觉时，黑暗中常听到噼啪的声响，而且伴有蓝光；见面握手时，手指刚一接触到对方，会突然感到指尖针刺般刺痛，令人大惊失色；早上起来梳头时，头发会经常“飘”起来，越理越乱；拉门把手、开水龙头时都会“触电”，时常发出“啪、啪、啪”的声响，这就是发生在人体的静电。

 

静电产生的原理

摩擦、碰撞、剥离、流动带电、喷出带电、搅拌带电如滚轮移动、人员走动、油罐车泄油时、喷嘴喷出之溶剂、搅拌机静电是由于处于不同带电序列位置的物体之间接触分离，使物体上正负电荷失去平衡而发生的现象。

两种介电系数不同的物质磨擦时，正负极性的电荷分别积累在两个物体上而形成：当两个物体接触时，其中一个趋于从另一个吸引电子，因而二者会形成不同的充电电位。

摩擦起电是一个机械过程，依靠相对表面移动传送电量。传送的电量取决于接触的次数、表面粗糙度、湿度、接触压力、摩擦物质的摩擦特性以及相对运动速度。

两个带上电荷的物体也就成了静电源。就人体而言，衣服与皮肤之间的磨擦发生的静电是人体带电的主要原因之一。

静电源跟其它物体接触时，依据电荷中和的原则，存在着电荷流动，传送足够的电量以抵消电压。这个高速电量的传送过程中，将产生潜在的破坏电压、电流以及电磁场，严重时将其中物体击毁。这就是静电放电。

静电感应带电：CRT显示器电容改变压电效应电磁辐射感应静电只存在于物体表面，而非物体内部，绝缘体中的电荷只保持在产生静电的那些区域，而不会出现在整个表面。因而绝缘体接地后不会失去这些电荷。与绝缘体相反，充电导体接地后便会失去自身电荷。

如果将导体瞬间接地（例如，该物体被站立在地上的人触摸），那么远离带电体表面的电荷就会释放，则导体将带正电荷。

 

ESD的定义

静电放电(ESD:Electrostatic Discharge)：具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移（GB/T4365-1995）。

ESD应该是造成所有电子元器件或集成电路系统造成过度电应力(EOS:Electrical Over Stress)破坏的主要元凶。因为静电通常瞬间电压非常高(>几千伏)，所以这种损伤是毁灭性和永久性的，会造成电路直接烧毁。所以预防静电损伤是所有IC设计和制造的头号难题。

ESD会导致电子设备严重地损坏或操作失常。半导体专家以及设备的用户都在想办法抑制ESD? 静电就是静止的电荷。静电的产生是由于电子在外力的作用下，从一个物体转移到另一个物体或者是受外界磁场的影响而产生的极化现象? 一种电能，是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果。

· 物体表面过剩或不足的静止电荷。

· 留存于物体表面。

· 通过电子或离子的转移而形成。

 

静电的危害

· 环境安全

· 危险场合的爆炸起火等

· 对精密设备的工作要求

· 产品性能及可靠性

· 抗干扰能力，影响产品销售

· 产品的潜在损伤

随着高科技的发展，静电所造成的后果已突破了安全问题的界限。静电放电造成的危害是在电子、通信、航空以及一切应用现代电子设备、仪器的场合下导致设备运转故障、信号丢失、误码的直接原因之一。

静电放电电流有可能被直接耦合到电子设备的数据线，信号线，控制线等的总线上。在这种情况下，集成电路和特殊用途的集成电路就受到静电放电的影响。

在1970年以前，很多静电问题都是由于人们没有ESD意识而造成的，即使现在也有很多人怀疑ESD会对电子产品造成破坏。这是因为大多数ESD损害发生在人的感觉以下，因为人体对静电放电的感知电压为3KV，而很多电子元件在几百伏甚至几十伏时就会损坏，通常电子器件被ESD损坏后没有明显的界限，把元件安装在PCB上以后再检测，结果出现很多问题，分析也相当困难。

特别是潜在的损坏，即使使用精密仪器也很难测量出其性能有明显的变化，所以很多电子工程师和设计人员都怀疑ESD，但近年试验证明，这种潜在损坏在一定时限以后，电子产品的可靠性明显下降。

 

ESD对产品的危害

静电的基本物理特性为：吸引或排斥，与大地有电位差，会产生放电电流。

静电吸附灰尘，降低元件绝缘电阻（缩短寿命）。

静电放电破坏，使元件受损不能工作（完全破坏）。

静电放电电场或电流产生热，使元件受伤（潜在损伤）。

静电放电产生的电磁场幅度很大（达几百伏/米）频谱极宽（从几十兆到几千兆），对电子产品造成干扰甚至损坏（电磁干扰）ESD引起的器件击穿，是电子工业最普遍，最严重的静电危害。

静电对电子产品损害的特点隐蔽性：人体不能直接感知静电，除非发生静电放电。人体也不一定能有电击的感觉，这是因为人体感知的静电放电电压为2~3KV，所以静电具有隐蔽性。

潜在性：有些电子元器件受到静电损伤后的性能没有明显的下降，但多次积累放电会给器件造成内伤而形成隐患。因此静电对器件的损伤具有潜在性。

随机性：电子元件什么情况下会遭受静电破坏呢？可以这么说，从一个元件产生以后，一直到它损坏以前，所有的过程都受到静电的威胁，而这些静电的产生也具有随机性，其损坏也具有随机性。

复杂性：静电放电损伤的实效分析工作，因电子产品的精，细，微小的结构特点而费时，费事，要求较高的技术并往往需要使用扫描电镜等高精密仪器。

 

ESD实验介绍

直接通过能量交换引起半导体器件的损坏。

放电所引起的电场与磁场变化，造成设备的误动作。

对不同试验结果，可以根据该产品的工作条件和功能规范按以下内容分类：

A：技术要求范围内的性能正常；

B：功能暂时降低或丧失，但可自行恢复性能；

C：功能暂时降低或丧失，要求操作人员干预或系统复位；

D：由于设备（元件）或软件的损坏或数据的丧失，而造成不可恢复的功能降低或丧失。

符合A的产品，试验结果判合格。这意味着产品在整个试验过程中功能正常，性能指标符合技术要求。

符合B的产品，试验结果应视其产品标准、产品使用说明书或者试验大纲的规定，当认为某些影响不重要时，可以判为合格。

符合C的产品，试验结果除了特殊情况并且不会造成危害以外，多数判为不合格。

符合D的产品判别为不合格。

符合B和C的产品试验报告中应写明B类或C类评判依据。符合B类应记录其丧失功能的时间。

 

ESD防护的主要目的

1、增加生产量（IncreasedYields）

2、节省成本（CostSaving）

3、产品可靠性较佳（BetterProductReliability）

4、产品寿命较长（ExtendedUsageLife) 

基本方法

1、接地：接地就是将静电通过一条线的连接放入大地，这是防静电措施中最直接最有效的。

导体常用的接地方法有：带防静电手腕及工作表面接地等。

2、静电屏蔽：静电敏感元件在储存或运输过程中会暴露于有静电的区域中，用静电屏蔽的方法可削弱外界静电对电子元件的影响。

最通常的方法是用静电屏蔽袋作为保护。

3、离子中和 绝缘体往往是易产生静电的，对绝缘体静电的消除，用接地方法是无效的，通常采用的方法是离子中和，即在工作环境中使用离子风机，离子气枪。

4、电路设计

I/O口电路的设计同样受到PCB布局及接地设计的影响。如图第一幅图的端口防护器件的接地和后端被保护的IC的地进行共地设计，这种设计一旦瞬态脉冲被钳位卸放到地上面，由于这个地同时也是IC的参考地，很容易导致IC地电位抬高而出现异常；

改善方案主要有两种：如果系统是两线制设备（无地线）系统外壳也是非金属材质，此地线设计也必须将IC的参考地和防护器件的地分开，不能共用在一起，但是由于此系统属于无地线系统，可以采用这两个部分分别铺设不同的接地区域，然后使用Y电容将两个区域的地线连接在一起。另外一种是系统有设计地线或者外壳属于金属外壳，这种情况就可以将防护器件的接地直接连到外壳地或者通过Y电容连接到外壳地，但是一定要和IC的参考地分开。

上面提到的PCB走线的设计导致防护电路失效的问题，通过图就可以看到端口设计了TVS管防护ESD，但是如果布线按照第一幅图这样走线，极易导致IC损坏，但是TVS管还没有动作的，主要是由于现有的ESD或者EFT都是高频干扰，走线阻抗大，所以对于端口的防护电路设计一定要遵守靠近端口的原则进行设计PCB。

ESD的标准以及测试方法

根据静电的产生方式以及对电路的损伤模式不同通常分为四种测试方式： 人体放电模式(HBM: Human-Body Model)、机器放电模式(MachineModel)、元件充电模式(CDM: Charge-Device Model)、电场感应模式(FIM: Field-Induced Model)，但是业界通常使用前两种模式来测试(HBM,MM)。

 

1、人体放电模式(HBM)

当然就是人体摩擦产生了电荷突然碰到芯片释放的电荷导致芯片烧毁击穿，秋天和别人触碰经常触电就是这个原因。业界对HBM的ESD标准也有迹可循(MIL-STD-883C method 3015.7，等效人体电容为100pF，等效人体电阻为1.5Kohm)，或者国际电子工业标准(EIA/JESD22-A114-A)也有规定，看你要follow哪一份了。如果是MIL-STD-883C method 3015.7，它规定小于<2kV的则为Class-1，在2kV~4kV的为class-2，4kV~16kV的为class-3。

 

2、机器放电模式(MM)

当然就是机器(如robot)移动产生的静电触碰芯片时由pin脚释放，次标准为EIAJ-IC-121 method 20(或者标准EIA/JESD22-A115-A)，等效机器电阻为0 (因为金属)，电容依旧为100pF。由于机器是金属且电阻为0，所以放电时间很短，几乎是ms或者us之间。但是更重要的问题是，由于等效电阻为0，所以电流很大，所以即使是200V的MM放电也比2kV的HBM放电的危害大。而且机器本身由于有很多导线互相会产生耦合作用，所以电流会随时间变化而干扰变化。

 

ESD的测试方法类似FAB里面的GOI测试，指定pin之后先给他一个ESD电压，持续一段时间后，然后再回来测试电性看看是否损坏，没问题再去加一个step的ESD电压再持续一段时间，再测电性，如此反复直至击穿，此时的击穿电压为ESD击穿的临界电压(ESD failure threshold Voltage)。通常我们都是给电路打三次电压(3 zaps)，为了降低测试周期，通常起始电压用标准电压的70% ESDthreshold，每个step可以根据需要自己调整50V或者100V。

 

1. Stress number = 3 Zaps. (5 Zaps,  the worst case)
2. Stress step	ΔVESD =  50V(100V) for VZAP <=1000V  ΔVESD = 100V(250V, 500V) for VZAP >  1000V
3. Starting VZAP = 70%  of averaged ESD failure threshold (VESD)

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