电路设计与制造过程中的静电防护

张毅 徐汉扬

中图分类号：TN108文献标识码： A

摘要：文章指出了静电的危害，并说明了静电的防护机理，电路设计中的静电防护措施，并探讨了电子工厂生产过程中是如何进行有效的防静电管理。

静电防护就是通过有效的控制手段来预防静电对静电敏感元器件造成伤害，它需要从电路设计、元器件选择、生产制造、搬运与存储以及使用等等全过程的方方面面加以防护和控制，才能达到有效预防静电对电子产品造成伤害。

一、静电的危害

随着科技的进步和工业的高速发展，一方面，许多高分子材料被迅速推广应用，一些电阻率很高的高分子材料（如塑料、橡胶等）制品的广泛应用以及现代生产过程的高速化，使得静电能积累到很高的程度；另一方面，静电敏感材料的生产和使用（如轻质油品、火药、VMOS/CMOS电路芯片等），工矿企业受静电的危害越来越突出，静电危害造成了的后果和损失也就相当严重。

人们的日常活动即可产生高达几万伏的静电，而人手的神经可感觉到静电的最低电压也在3000V以上，但却只需要10V的静电释放就可毁坏某些对静电极度敏感的电路芯片。如果不加以防护，电子产品即可在不知不觉的过程中就被静电释放造成伤害，酿成无法弥补的损失。据统计分析有 59%的电子元器件损坏是由于静电释放造成的，这种损坏有两种形式，一种是灾难性的损坏，它造成元器件功能丧失，这种情况约占静电对元器件造成的总损坏的10%；另一种是潜在性损坏，这种损坏虽然没有丧失元器件应有功能，但却使元器件的性能下降，或降低元器件使用寿命，这种情况约占静电对元器件造成的总损坏的90%。据统计美国电子工业一年的静电损失就超过100亿美元，日本超过80亿美元，中国目前还没有这方面的权威统计数据，估计会更高。因此，在电子制造行业内保护电子元器件免受静电释放的损坏是非常重要的。

二、静电的防护机理

病毒对人体的感染必须具备三要素：感染源、感染途径、易感人群。同样地，静电对电子元器件的损坏也必须具备三要素：静电电势、释放途径、敏感元器件，三者缺一不可。因此，我们在进行静电防护时，只需要消除三个因素中的一个因素即可起到静电防护的作用。但静电无处不在，我们要想消除静电电势几乎是不可能，唯一的办法是削弱静电电势，静电电势与空气湿度有关（如表1所示），空气湿度越大，静电电势就越低，但我们又不能无限制地增加空气湿度，因为空气湿度越大，湿敏元器件就越容易受潮，元器件一旦受潮，通过高温焊接就极易损坏元器件（这就是所谓的“爆米花”现象），因此，我们需要将环境湿度控制在一定的范围内（一般在40%RH～70%RH）。

静电产生的方法 静电电压（V）

10%RH 40%RH 55%RH

人在地毯上行走 35000 15000 7500

人在塑料地板上行走 12000 5000 3000

坐在椅子上的工人 12000 5000 3000

从包装箱上拿出泡沫 26000 20000 7000

无接地措施时人体的运动 6000 800 400

穿着合适的脚带在静电地板上行走 ＜15

表1各种动作产生静电电压

其二，是保护静电敏感元器件，部分电子元器件的静电击穿电压如表2所示，我们在进行电路设计时，在这些容易被静电击穿的电子元器件外围设计一些保护电路，就可以起到保护静电敏感元器件的作用。

再者，就是控制静电释放途径，这是电子产品生产制造过程中普遍采取的措施，让产生的静电安全释放。那么，在电子制造业究竟如何保护电子元器件才能使电子元器件免受静电释放的损坏呢？一提及该问题，人们往往只想到在生产制造过程中的静电防护，常常会忽略如何在电路设计过程中通过设计一些保护电路来达到静电防护的目的。本文就从电路设计和生产制造两个方面来浅析静电防护措施。

器材类型 ESD最小敏感电压（V）

VMOS 30～1800

MOSFET 100～200

砷化镓FET 100～300

EPROM 100以上

JFET 140～7000

SAW(声表面滤波器) 150～500

运算放大器 190～2500

CMOS 250～3000

静电对部分肖特基二极管的击穿电压 300～2500

SMD薄膜电阻器 300～3000

双极性晶体管 380～7800

射极耦合逻辑电路 500～1500

可控硅 680～1000

肖特基TTL 100～2500

表2部分电子元器件的静电击穿电压

三、电路设计中的静电防护措施

在进行电路设计时，尽可能选用静电敏感度电压伏值高的电子元器件。特别是接口电路，应尽可能选用静电敏感度为3级（静电损伤阈值电压大于4000V）或对静电不敏感的电子元器件。否则应在输入输出接口电路上应采取保护措施。保护电路的放置位置，对于布置在PCB板周边或靠近连接器的接口电路，其保护电路应紧靠外围地线或连接器放置，其余的保护电路应紧靠被保护的芯片放置。

对于容易受到静电损伤的电子元器件，如NMOS、CMOS类电子器件或其它一些静电敏感度为1、2级的电子元器件，应该尽量远离易受静电冲击的区域，且每一个电路应尽可能紧靠。容易受到静电干扰的信号线（如时钟线、复位线等）应尽可能短而宽，多层板中的时钟线、复位线应在两地平面之间走线。

图1基本控制电路

在PCB的电路周围设置一个环形地，如图1所示。环形地线宽应大于 3mm，分别铺设于 PCB 板的两个表层（顶层Toplayer 和底层Bottomlayer）上，内层上可以不铺设环形地，并每间隔13mm 用过孔将各层的环形地连接在一起。两个表层的环形地铜皮上不要覆盖阻焊层（绿油），而采用裸铜或同焊盘一样做喷锡处理，以保证两个表层环形地表面良好的导电性能。环形地与PCB板内部线路应保证3mm 以上的间距，工作地汇聚后可最终与环形地相连，环形地可通过安装孔用螺钉与金属机壳相连。尽可能使用多层PCB，将电源层和地线层独立铺设在PCB板的内层，这样可以有效减小信号线与地线之间共模阻抗和感性耦合，并且尽量地将每一个信号层都紧靠一个电源层或地线层。对于较复杂的电路板或高密度电路板，还可以考虑使用内层信号线层，但两信号层之间应用电源层或底线层来隔开。对于双面PCB来说，要采用紧密交织的电源和地栅格，电源线紧靠地线，在垂直和水平线或填充区之间，要尽可能多地连接。

CMOS器件及其它重要IC芯片所不用的输入输出引脚最好不要独立悬空，应视引脚不同功能将其单独或相连后分别接到地线、电源的Vcc、Vss、VDD上，CMOS器件的输入端如果接的是高阻源，则应设计上拉或下拉电阻。两块或两块以上电路板的接地线通过连接器进行连接时，最好有多个插针接地，以保证静电泄放地回路的通畅。电源输入端应加入瞬态过压抑制器件（TVS），PCB板上电源走线过长时，应每隔50mm 在电源线与地线之间安装一个0.1uF的陶瓷滤波电容器。信号线过长时，应与信号线平行布一条地线。

安装在印制板上或安装在机壳与操作面板上容易被人体接触的部件（如复位按钮、拨码开关、小面板、按钮、键盘、旋钮等）应采用绝缘物，如带有金属外壳，其金属外壳应尽可能有良好的接地，优先接静电保护地形环，如没有设置静电保护地形环，则接工作地。

四、电子工厂生产过程中如何进行有效的防静电管理

1、 EPA区域的静电防护等级确定

为了全面的产品静电防护等级静电防护小组应收集公司产品的类型、静电敏感器件的类型、静电敏感器件的防护等级、每种产品占总产品的比重;同时静电防护小组应该关注不同客户的需要确定EPA区域的静电防护等级;第三，对于目前电子企业特别是国内企业领导层的意见往往起着关键作用，因为每个公司即使相同的器件，由于用途不一样对于器件失效的比例接受度不一样。领导层对于器件失效的比例接受度有很大的决定作用，因此充分了解领导层的期望是项目组在静电防护区域等级分类确定时必须考虑的一个环节。

2、建立静电防护规范体系

首先，为了便于电子企业能快速制定出静电防护规范体系，并且规范出完全满足电子产品生产的防静电要求，项目经理应组织对相关国际、国内静电防护标准学习特别是对于最新的国际标准。为了使静电防护体系能够有效运行在建立静电防护体系基本框架结构之后，需要对各个过程及所涉及的相关活动进行描述。因此，应高度重视静电防护体系规范文件编制这一环节。规范的内容应体现协调性、可操作性和可检查性编制规范应特别注意保持完整性、系统性和层次性规范的内容应当具有完整性和可行性，因为静电防护体系是有关人员从事静电防护活动的依据所在。

3、静电防护区域建设

首先是环境建设，要依照静电防护区域的具体要求和防护等级制定相应防静电环境。我们可以用鱼骨图分析法来定义静电防护环境建设的影响因素，并从中挖掘出主要因素环境建设一般包含以下几个方面：防静电的标识、防静电地板、环境的温湿度、EPA区域接地、环境离子浓度、防静电工作台其次是设备控制，由于静电敏感器件在生产过程中接触最多的就是电子工厂的生产设备，因此设备的漏电将对静电敏感器件造成巨大的影响，且这种影响是以批量单位计算的，因此，在EPA建设中设备的控制也是一项重要的环节。一般我们从设备中与静电敏感器件接触材料方面、设备的接地等方面来考虑设备控制问题找出引起器件失效的设备是设备控制的关键所在，我们还是可以采用鱼骨图分析法来进行设备控制分析。第三是人员控制主要应从人员的操作过程、人员的穿着以及人员静电防护规范的遵守等方面来考虑。第四是材料控制主要从电子产品的使用环境以及静电敏感器件的包装方式入手。一般来说，直接接触比间接接触要求要高，静电防护区域外部比静电防护区域要求较高。

结束语

静电防护是电子工业永恒的话题，也是电子设计与制造工程师们不断探索和研究的课题。大量的事实告诉我们，在设计、制造以及使用电子产品时，必须高度关注静电防护，只有加强了静电防护，才能减少静电对电子产品造成的伤害。

参考文献

[1]许缪编.电机与电气控制[M].机械工业出版社，2009（07）：182.

[2]麦崇裔编著.电气控制与技能练[M].电子工业出版社，2010（01）：71.

[3] 刘尚武，武占成.静电放电及危害防护[M].北京：邮电大学出版社，2004（01）：124.

文章所参考文献皆来源于中国知网