电子通讯产品的ESD防护设计及方法浅析

2022-09-11

在电子通讯产品的设计、试验、生产、调试、运行或维修过程中, 由于静电放电 (ESD) , 可能干扰产品的工作, 引起产品电子元器件的损坏, 导致产品故障甚至酿成严重事故, 由此造成的损失是十分惊人的。然而, ESD问题的涉及面很广, 它不但可以影响企业的各个部门, 还能影响到材料的供应商和产品的使用者。因此, 很难制定一个防护所有E S D问题的控制方案。本文首先分析了ESD的危害, 然后分析了目前一些ESD防护方案的缺陷, 最后提出了新的ESD防护设计策略, 并防护方法做了进一步分析。

1 ESD带来的危害

对于电子通讯产品, 静电是一种很有害的电能, ESD是一个潜在的杀手。

(1) ESD造成元器件失效。当带电物体通过器件形成一个放电通路时或带电器件本身有一个放电通路时, 就会产生ESD而造成器件的失效, 失效模式有突发性完全失效和潜在性缓慢失效:突发性完全失效, 器件的芯片介质击穿或烧毁、一个或多个电参数突然劣化和完全失去规定功能的失效。通常表现为开路、短路以及电参数严重漂移, 概率约10%;潜在性缓慢失效, 器件受到ESD造成轻微损伤, 器件的性能劣化或参数指标下降而成为隐患, 使该电路在以后的工作中, 参数劣化逐渐加重, 最终失效, 概率约90%。

(2) ESD使信息出错, 逻辑电路误动作试验表明, ESD属于脉冲干扰, 对某电子通讯产品进行静电接触放电, 可在设备内部许多位置测量到一个幅值为几十伏的干扰脉冲, 正是这个干扰脉冲, 引起了信息出错, 逻辑电路翻转, 导致产品的故障;ESD也可产生频带几百千赫一几十兆赫、电平高达几十毫伏的电磁脉冲干扰, 当这个电磁脉冲干扰藕合到产品的敏感电路时, 也会引起信息出错, 导致产品的故障。

(3) 高压静电吸附尘埃微粒静电电荷易吸附尘埃微粒, 污染PCB板和半导体芯片, 使其绝缘电阻下降, 影响器件工作。严重时会引起器件故障 (例如:CMOS电路发生门锁) 。

2 现行ESD防护设计方案的缺陷

现行的ESD防护方案大都存在着问题, 表现在电气应力 (EOS:Electrical Overstress) 与ESD的区分和系统类型的识别两个方面。

(1) EOS和ESD的区分实际上, E S D是EOS的一种特殊情况, 但是在确定ESD防护方案时, 却常常将ESD和EOS的性能指标相混淆, 把EOS防护的性能指标当作ESD来对装置加以要求, 这样就可能导致对装置ESD防护的失败。

(2) 系统识别。系统ESD防护方案的确定依赖于对系统的识别。不同类型的系统采取的ESD防护措施应是不同的。现行的一些防护方案连基本的系统识别都没有, 就展开了对系统的防护讨论和要求, 这样是不妥当的。按照对ESD的敏感类型不同, 可以将系统分成两类:电压敏感 (VS) 和能量敏感 (ES) 。如果它对电压敏感, 防护时就需要很小心, 如可以使用一些特殊的材料, 放置在一些特定的操作位置;如果它对能量敏感, 防护条件相对前者就不需要太苛刻。有效地识别系统是必需的。虽然实际中很少使用VS装置, 但对于一个未经识别的系统来说, 应将它作为对VS类型来处理, 避免可能引发的ESD损伤。

3 ESD防护方案的再设计

3.1 再设计应遵循的原则

(1) 明确ESD防护方案的等级。ESD防护包含两个等级:基本防护和全面防护。ESD“基本防护”方案包括传导性工作面接地、人员腕带接地 (1MΩ电阻接地) 、聚乙烯保护包装、人员1h~2h基本的ESD培训这4个要素;ESD“全面防护”方案需要在基本等级的基础上增加额外的防护措施。它要求对装置的ESD防护是全面的, 如对装置进行双层包装, 在包装外层增加一个金属箔片包装。明确待防护系统的等级是确立防护方案的基础工作。只有确定了系统防护的等级, 才可以采取具体的防护措施进行ESD防护。

(2) 遵从各类标准的性能指标要求。ESD防护方案的确立还必须要遵从工业、军事或者生产企业的标准。这些标准可以为ESD的包装、操作和电路设计提供有效的防护措施和具体的操作步骤。

(3) 进行ESD管理。ESD防护方案是否有效, 重要的是ESD管理。ESD管理可以确定防护方案执行、人员训练、维护ESD防护设施的花费 (Cost) 情况。结合故障诊断, 还可以获取方案对于减少ESD损伤概率的影响等信息, 从而为防护方案的实施提供参考标准。ESD管理必须在系统防护的过程中加以实施, 才能使各方面达到协调, 从而使防护方案能够有效地发挥作用。

3.2 再设计的具体方法

(1) 确立系统防护等级。即便对所有的VS装置都采取抗ESD措施, 仍然会存在防护上的不确定性, 工程人员仍然需要通过相关测试来验证防护措施和操作步骤的有效性, 而有些额外的防护措施甚至会增加ESD损伤的可能性。

(2) 获取有效数据。将HBM分类数据与工程实际中设备和装置的ESD保护措施联系起来是很困难的。这是因为, 这些装置仅仅是通过HBM测试来分类的, 而没有考虑带电装置模型 (CDM) 和其它破坏源的影响。为保证ESD防护措施的有效性和装置的可靠性, 工程中会使用更多、更复杂的测试手段和数据分析方法。这样一来, 工程人员也就能得到关于装置ESD问题的更优化数据。

(3) 装置监控。通过对装置的监控可以提高系统的可靠性。监视器检查的项目包括检查接地线的完整性、工作面的接地情况、人员腕带的有效性等。其中对腕带的检查是通过将一低电压经腕带连接到人体上来进行测试的。所选择低电压的能量必须不能在装置 (如消特基二极管、检波器二极管) 上诱发EOS。工作间内如果使用了空气电离设备, 就需要定期地加以检查, 这有两个原因:一是设备可能会发生故障, 不能工作;二是设备产生的离子可能不足以相互平衡, 从而成为一种特殊的“静电源”。一个实验用的负电离灰尘控制系统可以在工作间内的组件上产生电荷, 这不但能导致电离设备对带电灰尘微粒控制的失败, 还会诱发电击操作人员以及损坏装置等恶性事故。

总之, 由于电子系统的多样性和复杂性, 很难制定一个通用的ESD防护方案。只有考虑到系统的实际情况, 如敏感类型、防护等级要求、ESD防护方案的性价比, 并且实行全方位的ESD防护控制才能有效地对具体的系统实施ESD防护。

摘要：在电子通讯产品的设计、试验、生产、调试、运行或维修过程中, 由于静电放电 (ESD) , 可能干扰产品的工作, 引起产品电子元器件的损坏, 导致产品故障甚至酿成严重事故, 由此造成的损失是十分惊人的。所以, 人们越来越重视对电子通讯产品的ESD防护设计。本文首先分析了ESD的危害, 然后分析了目前一些ESD防护方案的缺陷, 最后提出了新的ESD防护设计策略, 并防护方法做了进一步分析。

关键词：静电放电,电子通讯产品,防护设计