ESD（靜電放電）是電子設備故障的主要原因c影響電子設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)展教育導致電子工業(yè)損失超過900億美元（參考文獻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，電子設備的快速小型化導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，帶塑料刀片的風扇，普通塑料容器，帶塑料吸頭的拆焊工具，非導電鞋，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不一定總能導致組件完全失效;它可能導致常規(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防措施并適當?shù)卦O計電路可以最小化ESD造成的損壞的影響。對于半導體器件，如果在膜上施加強電場，則器件結構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致開路。 p-n結的失效可能是由于“電流擁擠”效應，當大電流流過結時會發(fā)生，導致高電流密度。 ESD引起的潛在缺陷會使器件更容易發(fā)生故障，并可能導致器件出現(xiàn)故障或間歇性工作。

ESD和閂鎖

ESD和相關的電壓瞬變引起閂鎖，這是半導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，導致高電流，EOS（電氣過應力）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問題是通信接口設備的故障，例如RS-232驅(qū)動器和接收器。當ESD脈沖通過人工操作員經(jīng)常處理的電纜互連傳播時，以及當電纜通過未端接的連接器與帶電表面接觸時，這些設備會發(fā)生損壞。當這些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進行ESD閂鎖調(diào)查的結果：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)器設備和電源引腳輸入端的短電壓轉(zhuǎn)換。當這些電壓瞬變迫使寄生pnpn結構導通時發(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，這導致由于熱過應力導致的器件中的異常散熱。過度的熱過應力導致塑料封裝加熱和破裂。

ESD控制從設計開始

防止ESD引起的故障的第一步是電路設計。在ESD方面使用適合應用要求的設備。使用不易受ESD損壞的元件的電路的適當設計可以減少現(xiàn)場卡和系統(tǒng)的故障發(fā)生率。例如，永遠不要選擇設備，因為它更快;根據(jù)所需的操作速度選擇合適的設備。高速邏輯轉(zhuǎn)換會導致高頻場，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備可能會在實際現(xiàn)場條件下出現(xiàn)問題。通過預測現(xiàn)場可能出現(xiàn)的問題，您可以定制電路設計，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)品設計期間加入防止ESD損壞的保護。即使設備具有內(nèi)置保護網(wǎng)絡以防止ESD損壞，您也應該使用外部組件進行更高級別的保護，以應對敏感應用。

一種眾所周知的包含ESD能量的技術是在電路的關鍵點使用瞬態(tài)抑制二極管。這種裝置本質(zhì)上是具有快速響應的電壓鉗制裝置。當出現(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，以保護瞬態(tài)抑制器所連接的器件。根據(jù)您期望器件處理的預期瞬時功耗，仔細選擇瞬態(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)進入電路，長引線和印刷電路板走線會產(chǎn)生寄生電感，導致電壓過沖和振鈴問題。

通過采用CMOS布局技術可以防止閂鎖ESD瞬變可以進入器件的點：器件的電源，輸入和輸出引腳。你應該減少晶體管的增益（pnp和npn）并增加閂鎖的閾值＆＃128;＆＃128;＆＃148;通過增加器件結構中p溝道槽之間的間隔可以實現(xiàn)的目標和p溝道漏極。使用連接到電源和p-tub附近的p +和n +保護環(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計技術來最大限度地減少ESD損壞并減少電子設備的ESD相關故障。正確選擇元件和使用電路級技術（例如電路關鍵點的保護網(wǎng)絡）都可以降低ESD的影響。良好的接地和電路板布局技術;在組裝，生產(chǎn)和測試過程中小心處理ESD敏感元件;適當?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，則導電路徑會包含更多的磁通量，這又會因環(huán)路充當天線而在環(huán)路中感應出電流。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 - 通過電子設備的阻抗路徑。接地區(qū)域和優(yōu)選地平面減少了ESD效應;因此，您應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備處理，裝配，測試和裝運過程中遵守ESD預防措施而獲得的優(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，所以設計是謹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對電子設備構成威脅是失敗的主要因素?？朔﨓SD導致的故障需要各級的全面承諾以及ESD控制技術在設計，處理，裝配，測試，系統(tǒng)集成，裝運和運行階段的應用（見附文“預防裝配和生產(chǎn)中的ESD效應”） ）。對ESD控制的承諾應該是一個持續(xù)的過程?？s小器件幾何尺寸和增加器件復雜性需要應用更新的ESD控制和故障預防技術，并將繼續(xù)挑戰(zhàn)電子設計人員。