浅谈数字仪器抗静电干扰的重要性及控制措施

吴白丁/浙江省计量科学研究院

0 引言

早期常用各类电子组件体积大且频宽窄，因此静电对这些大体积的组件来说，几乎不造成什么影响。随着IC 制造技术的不断进步和μm(微米)时代的到来，常用电子组件的尺寸大大缩小，已可以完全缩放到一个小小的芯片里面。在这种情况下，静电对现代数字仪器使用的如此小且频宽很宽的前端取样电路而言，造成的影响和伤害是难以想象的。本文旨在阐述ESD(Electrostatic Discharge)对所使用的电子组件的影响和提供一些控制ESD伤害的措施。虽然无法完全解决问题(ESD是在任何地方都会产生的)，但可以把ESD所带来的影响和伤害减少到最小。

1 关于静电

众所周知，物质由分子构成，分子又由原子构成，而原子则由带负电荷的电子和带正电荷的质子构成。在正常状况下，一个原子的质子数与电子数的数量相同，正负平衡，所以对外表现出不带电的现象。但是环绕于原子核周围的电子，一旦受到外力作用即脱离轨道，离开原来的A原子而侵入其他的B原子。这时A原子因正常电子数减少而带有正电，称为阳离子；B原子因正常电子数增加而带负电，称为阴离子。造成不平衡电子分布的原因是电子受外力作用而脱离轨道，这个外力可以是各种形式的能量（如动能、势能、热能、化学能……等）。在日常生活中，任何两个不同材质的物体接触后再分离，即可产生静电。

一般根据防范要求可将静电分成4个等级，如表1所示。

表1

各等级有不同的静电电压防范要求，Class 0等级虽然电压较低(0～199 V)，但并不表示它的杀伤力最小。因为杀伤力的大小，还与放电时间长短有关。所以，如果认为防范等级做到Class 3就不会有任何静电伤害的话，那就大错特错了。实际工作中，可以根据各种电子敏感组件对静电的忍耐程度（参见表2）和实际工作要求，确定合适的Class，以求有效防范。

表2

2 静电危害成因

静电对数字仪器产生危害有几大原因，其一是数字仪器本身的制造工艺，其二是人为因素。

原因之一：制造工艺。

现在的一些数字仪器为了能在功能上更加强大，技术指标上更加先进，势必会在制造工艺上进行重大变革。

以示波器为例，普通的数字示波器，信号都是先经过“衰减器”衰减，再到“取样电路”取样。这种电路构造的优点是，“取样电路”的高频二极管有“衰减器”的保护，不会轻易受到过大电压的伤害。比如在阻抗为50 Ω或1 MΩ的情况下，最大可输入500V的电压。但因此会损失示波器的频带宽度。而取样数字示波器为了得到更宽的频带宽度（一般的取样数字示波器能做到10 GHz甚至高达50 GHz的频带宽度），就不能在取样电路前面再加入一个衰减器。既然没有衰减器的保护而直接输入信号，那么取样电路就很容易受到过大电压的伤害。以泰克TDS/CSA8000 的取样头80E04来说，频宽高达20 GHz，当输入阻抗为50 Ω时，它的容许输入电压只有3 V。

原因之二：人为因素。

一般人在穿脱毛衣时就会产生很大的静电，这是因为对人体来说，人体本身就是一个大约为160 pF的电容，它可以储存约35000 V的静电。但人们却不会注意到这些静电对数字仪器或组件所造成的伤害。这是因为使人有感觉的静电放电电压约在3500 V左右，让人能看到的静电放电电压约在5000 V左右。哪怕只有100 V的静电放电电压，就可以伤害到80E04取样头，更不用说是更大的放电电压了。此外，目前数字仪器内的μm组件，由于面积非常小，使得组件单位面积所承受的功率非常大。以一个人体的电容160 pF为例，按其储存约15000 V的静电计算（这是很普遍且正常的），当它对一个0.1μm2接口(junction)的组件放电时，组件接收的功率为：

因为这个功率能量分布在0.1μm2(即1×10-7cm2)接口(junction)的组件上，所以单位面积所承受的功率为:

显然，这么大的能量加入到组件上，必然会使组件受到影响。一般半导体硅会在200℃融化，如果有这么大的能量加入到组件的接口上，必然使接口受到伤害，从而失去肖特基二极管的功能，不能正常工作。

3 ESD的控制措施

ESD的控制措施主要分为两个方面，其一是必须用导体材料将静电引导至标有接地的地方，其二是数字仪器电源本身，应具备良好的接地条件。

措施之一：用导体材料将静电引导至标有接地的地方。这些导体材料包括：防静电桌毯、防静电地毯、防静电手环、防静电袋、防静电椅盖、防静电保护手袖、防静电鞋带等。其中最重要的3种材料是防静电桌毯、防静电手环和防静电地毯，其具体作用如下：

a) 防静电桌毯接地，可导去工作台面上的任何静电；

b) 防静电手环接地，可导去人体的任何静电；

c) 防静电地毯接地，可导去任何靠近工作台人员身上所带的静电。

静电放电并非一定要在直接接触的情况下才会发生。如果人体带有足够的静电，也可以远距离放电。防静电地毯的作用，就是避免当有很多人靠近工作台时，发生远距离放电的危险。当人员进入实验室或靠近工作台时，穿着的橡胶底鞋子在系上静电鞋带后，就可以将走路时产生的静电导去，以免带到工作台产生静电危害。

措施之二：在使用数字仪器时，首先要确认实验室的电源是否接地良好。最简单的方法是用多用电表量取三相电源的零线和地线压差。通常情况下压差不能大于2 V。其次所用的仪器电源插头的地线必须要有接地端，不能使用没有接地端的两端插头。具有接地端的三端电源插头可以使接地的电位稳定，如果使用没有接地端的两端插头会使电路电位浮动，这种浮动电路常会引起共模电压，有的可能高达几百伏。再次同一工作台面上的所有仪器与静电防范器具，都必须接在同一接地点，以免产生电位差。以一个实验室来说，最好只有一个电源接地点。如果有两个配电盘的电源，则会因接地点的不同而产生电位差，而这种电位差常常可以达到几十伏。此外还有一些可能的情况则是仪器浮地或者是防静电器具浮地等，也一样会产生电位差，所以实验人员必须注意每一样器具的接地都必须是确实做到并且是正确无误的。

4 结束语

随着目前高端精密数字仪器在大中院校、科研机构、认可实验室和IT行业工厂的应用越来越多，静电对这些数字仪器的危害可能是致命的，所以应把ESD问题当做一件很严肃、重要的事情对待，应与ISO核验程序一样制定周期性的督察计划，即要有相应的实施计划、标准程序、核验计划、核验记录、核验人员、改善与预防程序等，这样才能使静电危害降至最小。