静电放电保护和片式压敏电阻器

1 引言

        随着电子设备功能的增加，输入∕输出连接器也随之增多，这为静电放电（ESD）提供了进入电路的路径，静电放电保护问题变得不容忽视。因此，有必要采用静电放电保护元件，在静电放电进入电路板之前有效抑制静电放电事件的发生。目前，用于抑制静电放电的保护元件，主要是片式氧化锌压敏电阻器，具有抑制过电压、吸收浪涌能量、抑制浪涌噪声、稳定高频线路等优势。通过严格的IEC 61000-4-2 标准规定的静电放电试验时的4 级水平，即接触放电8kV 和空气放电15kV 的要求，可以达到优良的静电保护效果。

2 静电的产生和放电

2.1 静电的产生

        物体的静电带电又称静电起电。它是由于处于不同带电序列位置的物质之间接触分离（摩擦）、使物体上正负电荷失去平衡而发生的带电现象。在大多数情况下，静电起电与放电是同时发生的，而且静电起电——放电是一个随机的动态过程，在这过程中，不仅有静电能量的传导输出，而且有电磁脉冲场的辐射。
        （1）两种介电常数不同的物质摩擦时，正负极性的电荷分别积累在两个物体上面，而形成正负电荷。当两个物体接触时，其中的一个将从另一个吸取电子，因而两者形成不同的电位。
        （2）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。
        （3）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。因此，绝缘体接地后不会失去这些电荷。与绝缘体相反，导体接地后便会失去自身电荷。
        （4）如果将导体瞬间接地（例如，该物体被站立在地上的人接触），那么远离带电体表面的电荷就会释放，导体将带正电荷。

2.2 静电放电

        静电放电（Electio Static Discharge， ESD）具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触引起的电荷转移。不同物质的接触、分离或相互摩擦，即可产生静电。两个带上电荷的物体也就成了静电源。静电源跟其他物体接触时，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。表1 列出日常活动产生的静电电压，表2 列出人体（C=200pF）日常活动中所产生的静电量。

2.3 静电的特点

        （1）高电位，最高可达数104V 以至数105V。        

        （2）低电量，毫微库仑（10-9C）级别。

        （3）作用时间短，多为μs（10-6s）级。

3 静电的危害

3.1 静电敏感度

        静电敏感度（Electrostatic Discharge Sensitive, ESDS）是一种描述产品受ESD 损害的敏感程度。对静电放电敏感的元器件称为ESD 敏感器件。装配有ESDS 的电路板也对ESD 敏感，称为ESD 敏感组件。操作ESD 敏感器件和ESD 敏感组件的时候，必须注意ESD 保护。

        （1）通常无源器件对ESD 不够敏感，如：电阻器、电感器、电容器等。
        （2）有源器件对ESD 较为敏感，称为静电敏感器件（StaticSensitivity Device, SSD），是一种易受ESD 损坏的静电敏感元器件，如IC、晶体管、LED 等。

3.2 ESD 对电子产品的危害

3.2.1 电子产品危害的分类

（1）灾难性损坏（Catastrophic Failure）这种破坏可能使设备不能正常工作，或使某些节点击穿等，一般能很容易检测出来。ESD 损坏电子产品最小电压力为20V。灾难性破坏发生几机率占ESD 损坏率的10%。
（2）潜在性损伤（Latent Defect）这种破坏一般表现为静电能量较小，不足以使设备立即失效，仅仅表现为工作不稳定，或者干脆就没有外在的特异表现，但是这种破坏却最危险，轻则缩短设备的使用寿命，重则对以后的系统甚至人身产生危害；同时，因为问题表现不明显，所以给检测带来困难；更糟糕的是，维修人员一般把这种问题归咎为材料不良或者设计缺陷等其他原因，从而对问题的解决抱有侥幸心理，直到灾难发生。潜在性损伤发生机率占ESD 损坏率的90%。

3.2.2 静电使电子产品损坏的特点

（1）隐蔽性
        人体带电是电子产品静电损伤的主因，但因为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2kV ～ 3kV，小于3kV 的人体静电，对人而言几乎无法感知。所以静电具有隐蔽性。
（2）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，并不马上失效，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。
（3）随机性

        只要电压超过或接近静电感应电压阈值，就可能对电子元器件造成损坏；静电的产生和放电都是瞬间发生的，很难预测和防护；在生产的各个环节均可能发生。
（4）复杂性
        电子产品有精、细、小的结构特点，而失效分析相当复杂。如有些静电损伤现象难以与其它原因造成的损伤加以区别，要求较高的技术并往往需要使用扫描电镜等高精密仪器。

4 ESD 损坏模型

        电放电主要损坏模式分为3 类：人体模型（HBM），机器模型（MM）和带电器件模型（CDM）。

4.1 人体模型（Human Body Model, HBM）

        人员未接地带电接触产品，造成产品损坏。人体在地上走动摩擦或其它因素在人体上已积累了静电，当此人去碰撞到器件（IC）时，人体上的静电便会经由器件（IC）的插脚（pin）进入器件内，若器件有一端接地而形成放电路径时，便会经接地插脚放电到地，如图1 所示。

此放电过程会在短短数百mμs（ns）的时间内产生数A的瞬间放电电流，进而将器件的电路烧毁。

图2 示出HBM 等效电路图， 其中人体的等效电容为100pF，人体的等效放电电阻为1.5kΩ。

图3 示出HBM 静电电压相对产生瞬间放电电流与时间的关系。

对于一般元件可耐受的HBM 2kV 来说，在2ns ～ 10ns的时间内，瞬间放电电流峰值可达1.33A。
表3 列出人体模型下的敏感度分级。

4.2 机器模型（Machine Model, MM）

        机器带电接触产品，放置在未接地的工装、仪器、设备上时造成产品损坏。敏感器件在组装过程中，会涉及许多金属夹具、部件，当带上静电并靠近器件时，会发生金属夹具、部件与器件之间的插脚（pin）快速放电。机器模型表现出来的特征为低压大电流，会直接烧坏组件本身，如图4 所示。

        因为机器是金属，其等效电阻为0Ω，机器设备的电容远大于人体的电容，其等效电容为200pF。由于机器放电模式的等效电阻为0，故其放电过程更短，在几ns~ 几10ns 之间会有数A 的瞬间放电电流产生。

图5 示出MM 等效电路图。图6 示出MM 静电电压相对产生的瞬间放电电流和时间的关系。表4 列出机器模型下的敏感度分级。

4.3 带电器件模型（Charged Dovice Model, CDM）

物体接触带静电的产品，造成产品损坏。
器件（IC）因摩擦或其它因素而在内部积累了静电，在静电积累的过程中器件（IC）并未被损伤。此带有静电的器件（IC）在处理过程中，当其任一插脚（pin）去碰撞到接地导体时，其内部的静电便会经由插脚（pin）流出，造成放电现象，如图7 所示。

此种模型的放电时间更短，仅约几个mμs，且因为器件内部积累的静电会因对地的等效电容值而变，而等效电容值又和器件摆放的角度与位置以及器件所用的包装型式有关，所以放电现象更难真实模拟。图8 示出CDM 等效电路图。图9 示出CDM 静电电压相对产生的瞬间放电电流与时间的关系。表5 列出带电器件模型下的敏感度分级。

4.4  3种放电模型比较

表6 列出了3 种放电模型参数比较。

3 种静电模型的电路形式：HBM 为脉冲衰减电路，MM和CDM 为周期震荡衰减电路。

3 种模型的典型峰值电流：HBM 为1.3A（2000V），MM 为3.8A（200V），CDM 为15A（1000V）。
3 种模型中，最常见也是最被重视的模型是人体模型（HBM），这种模型是模拟人体带电（正电或负电）并接触电子设备时，人身上的电荷向设备转移的情况。

4.5 人体对静电的感觉

        （1）当人们穿着化纤织物时，人体运动的充电电流约10-7A~10-6A，总的充电电荷约（0.1~5）×10-6C，人体对地的电容约为150pF~250pF，若以电荷3×10-6C 计，则充电电压可达5kV~25kV。
        （2）人体的静电放电模型可用电阻和电容的串联来模拟，设人体电阻R=500Ω，人体电容C=300pF，人体带静电电压U=10kV，则静电所含能量为：W=1 ∕ 2 CU2=15mJ。
        （3）尽管静电电压高达10kV，能量级15mJ，对人体没伤害。但是当人手去触摸设备的金属部分时会产生火花放电，瞬间的脉冲峰值很高，很可能对电子电路产生干扰和破坏，放电电流峰值为：Ip≈ U ∕ R=20A；放电时间很短，可近似为：Td≈ RC=150ns，这对于MOS 电路来说，则将受到致命的冲击。表7 列出人体带电的电击程度的关系。表8 列出半导体器件的ESD 失效电压。

5 静电放电控制方法

5.1 湿度

同样条件下，湿度越高，产生的静电将会越低，由于湿敏元件需要，所以通常湿度控制在30%-70% 之间。所以，有效的控制湿度可以抑制静电大量产生，以降低静电放电破坏的风险。表9 列出静电放电与湿度的关系。

5.2 接地

(1) 人

        a) 将人体通过手腕带及插孔接地。
        b) 通过ESD 鞋与ESD 地面导通。
        c) 通过ESD 椅子进行接地。
(2) 设备和仪器

        a) 机器及设备直接进行硬接地。
        b) ESD 部件进行软接地。
(3) 工作台表面

        使用ESD 台垫和接地线进行软接地。
(4) 金属物体

         直接进行硬接地。
        a) 硬接地

        指使用接地线对导体材料进行接地，对地电阻应小于1Ω。
        b) 软接地

        指用较高阻抗物体进行的接地，对地电阻应小于1×109Ω。

5.3 屏蔽

(1) 生产过程
        a) 人：穿防静电服、手套、帽子，直接对人体进行屏蔽保护接地。
        b) 设备：机器及设备金属外壳屏蔽内部带电物。
        c) 绝缘材料：绝缘材料和工具等物体使用ESD 薄膜或法拉第罩，隔绝内部或外部的静电电场。

(2) 产品包装
        防静电包装材料的种类：
a) 电磁屏蔽材料
    该材料作为包装时形成会产生法拉第的静电屏蔽效应，可防止外部静电场穿透屏蔽容器和包装袋，表面电阻为小于1×103Ω 的材料。
b) 抗静电材料
    能抑制摩擦生电的材料，摩擦电压小于200V 的材料。
c) 静电消散性材料
        ① 具备一定的导电率，以便静电荷被耗散掉，但导电率不可大到产生危害的程度。
        ② 表面电阻1×104Ω~1×1011Ω 的材料。

5.4 中和（消除）

        离子风机可以消除绝缘物体上产生的大量静电荷。其作用是产生大量正负离子，中和目标物体上的电荷。

6 静电放电波形

        国际电工委员会(IEC) 在标准IEC 61000-4-2 中规定了静电测试等级、试验发生器和静电放电波形。中华人民共和国国家标准GB/T 17626.2-1998 电磁兼容、试验和测量技术、静电放电抗扰度试验，等同采用国际标准
IEC 61000-4-2。

6.1 试验等级

表10 列出IEC 61000-4-2 规定的静电测试等级。

“*”是未定的等级，该等级必须在专用设备的规范中加以规定，如果规定了高于表格中的电压，则可能需要专门的试验设备。

⑴ 接触放电方法
        试验发生器的电极保持与受试设备的接触，并由发生器内的放电开关激励放电的一种试验方法。

⑵ 空气放电方法
        将试验发生器的充电电极靠近受试设备，并由火花对受试设备激励放电的一种试验方法。表10 给出了静电放电试验时，试验等级的优先选择范围。接触放电是优先选择的试验方法，空气放电则用在不能使用接触放电的设备中。每种试验方法的电压列于表10 中，由于试验方法的差别，每种方法所示的电压是不同的。两种试验方法的严酷程度并不表示是相等的。

        表10 之所以规定不同的放电等级，是考虑在不同的静电放电情况，比如在半导体或IC 的保护中，2kV 的放电标准是经常被引用的。在实际的IC 设计中，其静电放电保护的方法之一，就是IC 内自己做了保护。一般是1kV 或者2kV 的静电保护标准，但是这样会占用宝贵的IC 空间，所以就有了第二种静电保护方法，即芯片外保护。芯片外保护的另一个重要原因，是实际的静电等级远大于2kV，而且在一些汽车标准中，有时还可能达到25kV 的静电放电等级。

6.2 静电放电实验发生器

图10 示出静电放电发生器简图。

图10 中符号的含义：Rc—充电电阻，Cs—储能电容器，Rd—放电电阻。
图10 中省略的分布电容Cd，是存在于发生器与受试设备、接地参考平面以及耦合板之间的分布电容。由于此电容分布在整个发生器上，因此，在该回路中不可能标明。

6.3 静电放电波形

图11 示出静电放电发生器输出电流的典型波形。

表11 列出静电放电波形参数，放电的电流波形必需满足
图11 的要求。

通过分析静电波形可以发现：
（1）静电一般发生的时间特别短（在0.7ns ~ 1ns 之间）；
（2）虽然静电的总体能量不大，但是瞬间电压的峰值特别大，有时可达1kV 甚至几十kV。

7 静电放电的保护

7.1 静电放电的保护原则

        静电放电的保护应从静电的产生、静电的积累、静电的释放、静电释放路径的选择、以及释放静电量的控制等全方位考虑。但是，因为静电破坏的复杂性，至今还没有一个很好的方法去完全解决静电问题。

        在静电放电保护的过程中，只要遵循一个原则：即静电的积累必然有静电的释放，所以我们只要给静电选好放电的路径和放电的去处（即放电地），就能很好地释放静电。事实上，静电放电保护最常用的方法，是在被保护设备的两端并联一个过电压保护器件，以使静电超过某个安全阈值时使保护器件击穿，从而把过电流释放到安全地。表12 列出ESD 保护方法比较。

7.2 片式压敏电阻的性能特点

        压敏电阻器是一种具有瞬态电压抑制功能的元件，可以用来代替瞬态抑制二极管、齐纳二极管和电容器的组合。压敏电阻器可以对IC及其它设备的电路进行保 护， 防止因静电放电（我们的贴片压敏电阻就是防静电的）、浪涌及其它瞬态电流（如雷击等）而造成对它们的损坏。使用时只需将压敏电阻器并接于被保护的IC或设 备电路上，当电压瞬间高于某一数值时，压敏电阻器阻值迅速下降，导通大电流，从而保护IC或电器设备；当电压低于压敏电阻器工作电压值时，压敏电阻器阻值 极高，近乎开路，因而不会影响器件或电器设备的正常工作。

        片式压敏电阻器的保护机理为隧道效应、热耗散和电荷转移。

（1）尺寸体积小
        现在已经有0402(1.0mm×0.5mm)、0201(0.6mm×0.3mm)的产品，日本已开发出0.4mm×0.2mm 的新产品，适合表面安装。
（2）响应速度快
        极快的反应时间，脉冲电流的响应时间小于0.5ns。
（3）通流容量大
        叠层技术的器件，数百万氧化锌p-n 结及晶粒串并联，吸收及传导能量，具有很强的通流能力。
（4）电容量的选择范围大。
（5）良好的限制电压特性由于片式压敏电阻采用多层结构，限制电压小、保护性能好。
（6）较好的温度特性使用温度范围广，汽车总线系统最高工作温度150℃。
（7）易实现低压化
        较低的触发动作电压，其最小保护不动作电压已经达到3V 的量级。
（8）静电放电ESD 吸收能力
        达到甚至超过IEC 61000-4-2 标准规定的静电放电试验时的接触放电和空气放电4 级水平（即接触放电8kV 和空气放电15kV 的ESD 吸收能力）的要求。
（9）具有双向导通功能
        因为瞬间的电压可能是正电压，也可能是负电压。

7.3 IC 耐受ESD 过电压保护

        ESD 浪涌是半导体元件失效的主要原因，占总失效模式的60%。片式压敏电阻能有效地保护电子元器件免受ESD 的损伤。
图12 示出IC 耐受ESD 过电压保护电路图。

ESD 对IC 的影响因素分析如下。

7.3.1 IC 两端的脉冲电压

通过压敏电阻将ESD 过电压抑制到100V 以下，远低于2kV。

7.3.2 通过IC 的脉冲电流

（1）调整线路布线结构，减小通过IC 的脉冲电流回路面积，增大回路阻抗。
（2）通过型号选择，降低压敏电阻瞬态内阻。要使IC 不受ESD 脉冲电流影响，压敏电阻瞬态内阻尽可能达到：
        a）当线路中出现8kV ESD 时，Rv＜ R/3；
        b）当线路中出现15kV ESD 时，为了保险起见，选压敏电阻时，其瞬态电阻Rv应小于R/5。
（3）与IC 串联磁珠或电阻，增加其回路电阻。

7.4 高频信号传输线路中ESD 保护

        随着线路数据传输速度的不断提高，保护抑制器电容带来的影响，成为静电放电保护设计中不容忽视的问题。合理的参数选择对保证信号的稳定性和完整性十分重要。对于低频电路，大的保护抑制器电容是有益的，因为它可以滤去高频干扰而使低频信号顺利通过。而对于高频电路则完全相反，大的保护抑制器电容会导致信号恶化，降低电路对信号的识别能力。在通用串行总线标准USB 2.0 所支持的最高传输率为480 Mbps 的数据传输线中，加入电容量仅为10pF 的ESD 保护抑制器，就足以使其信号的上升和下降时间增加140%，从而限制了它们的线路应用。

        在高速信号线，如果是USB2.0 接口和IEEE1394 中，它们的电容量分量可使波形衰退，从而限制了它们的线路应用。

        因此，高频信号传输线路中的ESD 保护器必须具有足够小的电容量，以保证传输数据的连续和完整，这必然要求片式压敏电阻向低电容化的方向发展。

        目前，片式压敏电阻的标准电容值为数十pF 到几千pF不等，可适用于从普通的音频、视频信号到符合USB1.1 标准，即数据传输率最高为12Mbps 的电子线路。可以考虑在原料中添加Sb2O3以降低材料表观电容率和在片式压敏电阻内部设计制作串联微间隙，来降低片式压敏电阻的电容量。

        电容量小于3pF 的多层片式压敏电阻器、符合IEC 61000-4-2 标准中规定的静电放电试验时的接触放电和空气放电4 级水平的要求，可以用在USB2.0 接口和IEEE1394 中。随着设备频率的增加，ESD 保护器元件还需要进一步降低其电容量。

7.5 片式压敏电阻器参数选取

（1）最大直流工作电压Udc
        压敏电阻器的最大直流工作电压Udc必须大于信号线的直流工作电压Un，即Udc≥ Un。
（2）电容Cp
        适合不同频率信号，对于高频传输信号，电容Cp应小些，反之亦些。
（3）瞬态电阻匹配
        压敏电阻瞬态电阻Rv与被保护元器件及IC 线路等效内阻R（R ≥ 2Ω）匹配关系：Rv≤ 1/5R。对于内阻较小的被保护元器件，在不影响信号传输速率的情况下，尽量采用大电容压敏电阻。
（4）空间位置
        因地制宜，选取合适尺寸的压敏电阻。
（5）放置位置
        接近过电压及ESD 源，即离接口部位越近越好。
（6）接地设计
        良好的接地，尽可能大的接地面积。
表13 列出了推荐电容选择。

8 结束语

        静电放电保护，包括ESD 浪涌抑制静电过电压、吸收浪涌能量、抑制浪涌噪声、高频信号传输线路信号的稳定性。片式氧化锌压敏电阻器具有快速反应速度，与反应后的低导通阻抗，唯有如此才能提供低箝制电压来保护系统的正常运行。通过严格的IEC 61000-4-2 标准规定的静电放电试验时的4 级水平要求，即接触放电8kV 和空气放电15kV 的ESD 吸收能力，可以达到优良的静电放电保护效果。