高可靠性泵用动力驱动系统静电危害及防护措施浅析

吴 琎，祝恒洋，王志敏

(1.西安微电机研究所，西安710077；2.深圳市赛为智能股份有限公司，广东 深圳 518000)

0 引 言

随着科学技术的飞速发展，尤其是电子、IT、航空航天等技术的飞速崛起，大量的电子产品采用集成电路，使产品小型化、减小体积，且大量使用集成电路，但这些集成电路对静电极为敏感，通常被称为静电敏感器件(SSD)，静电放电(ESD)的能量对此类器件的危害是致命的[1]。而在高可靠性泵用动力驱动系统中，根据实际设计需求，选用了静电敏感类器件，静电危害是高可靠性泵用动力驱动系统研制及使用过程中的一大安全隐患，其造成的后果往往十分严重，且在静电对高可靠性泵用动力驱动系统损伤后，无有效手段检测，更加剧了其潜在的危险性。静电可以造成元器件失效，甚至造成产品故障，最终造成的损失是巨大的，所以在高可靠性泵用动力驱动系统的研制及使用过程中，采取静电防护措施是十分重要的。

1 静电的产生机理

静电是物体所带相对静止不动单极性的电荷，滞留于物体表面，是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果，是通过电子或离子转移而形成的。造成电子不平衡分布的原因是电子受外力而脱离轨道，这个外力包括各种能量(如动能、位能、热能、化学能等)，因此在日常生活中，像接触、摩擦、冲洗、电解、电压、偏差、感应等都会产生静电。

2 静电放电模型

高可靠性泵用动力驱动系统包含无刷直流电机与控制器，二者之间通过电缆连接。控制器中有大量的静电敏感器件，电机的霍尔元器件CS3075也是静电敏感器件。

对高可靠性泵用动力驱动系统而言，静电放电主要有3种模型：静电放电的人体模型(HBM)、静电放电的机器模型(MM)、电缆带电放电模型(CBM)。

2.1 人体模型(HBM)

我们所见到的静电现象，绝大多数是由于人的活动产生的，人的走动、跳跃、穿衣、脱衣、梳头、手臂活动以及从椅子上离开等动作，随时发生静电起电；人穿的绝缘织物、绝缘鞋随着人体活动会产生大量的静电电荷，并在人体上积累；所产生的静电电压，足以达到损坏静电敏感电子产品的能力。电子元器件静电敏感度试验数据如图1所示。

表1 不同情况下产生的静电电压对比

图1 电子元器件静电敏感度试验数据

2.2 机器模型(MM)

机器模型用来模拟对地绝缘的导体带电后对电子元器件的作用。设备金属外壳、金属工具因静电感应充电或摩擦带电，放电的特点是快速能量集中、电荷量大，比HBM放电速度快、破坏电压低、危害更大。

2.3 电缆带电放电模型(CBM)

电缆带电的机理为摩擦、感应、传导；电缆放电途径为传导、消散、静电放电；放电特点为电缆为孤立导体，需要静电泄放途径。电缆放电模型示意图如图2所示。

图2 电缆放电模型示意图

3 静电的危害

3.1 静电损伤机理

静电能量释放与路径阻抗有以下3种关系：

(1)低阻抗路径：静电放电形成大电流，能量快速释放，导致局部过热。

(2)中阻抗路径：静电消散电流小，能量缓慢释放，能量分散。

(3)高阻抗路径：静电高压极化介质，能量存储在介质中，先出现电离，然后局部击穿，泄露电流释放部分能量，有积累现象。

3.2 静电的危害案例分析

3.2.1 产品故障现象及定位

近期，某高可靠性泵用动力驱动系统用控制器在与组件联试进行通电试验时出现故障，最终梳理了该控制器在整个研制过程、使用过程。控制器经历了如下流程：元器件采购->元器件运输->元器件二次筛选->元器件入库->元器件的发放->元器件电装->产品调试->三防保护->线束绑扎->胶固->总装配->热试验->交付。

以上试验完成后产品运行正常，待控制器交付后，首次装配与组件联试进行加电时，控制器出现故障，系统不能正常工作。最终经过故障排查后，定位为控制器中一厚膜集成电路出现故障，并检查了该厚膜集成电路内部，发现该电路内部芯片烧毁，表面电源和地之间存在放电痕迹，如图3所示。

图3 地线与电源之间放电形貌图

3.2.2 机理分析

通过对烧毁的厚膜集成电路进行开帽分析，可知：①电路的功率VDMOS管图示仪测试波形显示失效，并有过电压烧毁痕迹。②电路内部六非门芯片CC4069三路有过电压烧毁痕迹，其中烧毁的三路非门中有一路仅输入端接地，输出端悬空。

经分析，控制器中厚膜集成电路失效是由于电路的地线上串扰引入电压过高，地线上串扰引入的过电压应力同时也使六非门CC4069内的NMOS管栅源、漏源电压超过电路能够承受的反偏电压，使NMOS管击穿，产生瞬态大电流，使六非门芯片CC4069出现过流烧毁现象。

3.2.3 产品故障原因排查

经过排查，控制器在交付前所有环节的操

作都在防静电区域中进行，操作时产品放置在防静电工作台上、人员穿防静电鞋服、戴防静电帽及防静电腕带，并用离子风机吹除绝缘体表面静电；运输过程进行防静电包装；以上环节此防静电措施有效，防静电控制符合要求。

而在控制器交付后与组件联试首次通电时，存在以下防静电控制不到位：操作人员腕带未有效接地、控制器放置台面未有效接地，且整个操作过程中，未使用离子风机有效消除

绝缘体上的静电，且试验场地湿度在30%以下；试验设备接地示意图如图4所示。

图4 试验设备接地示意

因此，经过排查可知试验台上控制器放置台面未有效接地、人员腕带未有效接地，防静电措施控制不到位，导致集成电路静电烧毁，最终造成控制器故障。

3.2.4 试验验证

根据厚膜集成电路开帽分析情况，电路内部地线GND对其控制电源端+12 V有放电现象，以此为依据，按GJB548B进行静电试验，其中故障复现试验仅模拟了机器模型放电(MM)。

(1)对厚膜集成电路的地线GND与12V电源之间加机器模型的静电放电试验，示意图如图5所示。

(2)静电加到5000 V，电路功能异常，电路内部六非门CC4069损坏，高倍镜检未发现烧毁痕迹。

(3)静电放电后对电路电源端施加电压，从12 V开始，每次增加1 V，到19 V时出现CC4069烧毁，烧毁形貌图如图6所示；其它器件无异常。

(4)用另一只未进行静电放电的厚膜集成电路，对电路电源端施加电压，从12 V开始，每次增加1 V，电压加至20 V、22 V、25 V时电路均正常。

因此，由以上试验结果可看出，整机试验过程中由于防静电防护措施无效导致厚膜集成电路静电损伤，并在加电启动过程中出现烧毁的故障得以复现。

图5 静电放电示意图

图6 静电放电后CC4069RH烧毁形貌图

3.2.5 小结

由于组件联试时整个操作过程中操作存在以下情况：人员腕带未有效接地，为静电放电的人体模型(HBM)；产品放置试验台面未有效接地，为静电放电的机器模型(MM)；组件联试在整个试验过程中存在两种静电放电模型，都存在对产品内部引入高压静电的风险，对厚膜集成电路内部造成静电损伤，在控制器通电后厚膜集成电路失去正常的控制功能，最终导致控制器故障，系统无法正常工作。

4 静电防护措施

要解决静电敏感器件的静电损伤问题，可以采取以下各种静电防护措施：

(1)操作现场静电防护：划分防静电工作区(EPA)，对静电敏感器件在防静电的工作区域内操作；在EPA入口处应贴挂规定的警示标识，保证进入EPA的人员能够看到。EPA标识符号样式如图7所示，最小尺寸为300×150 mm，标识颜色为黄底黑色。

图7 EPA标识符号样式图

(2)人体静电防护：操作人员穿戴防静电检测合格的衣、帽、鞋、腕带。

(3)操作台静电防护：操作台面有效接地，防静电工作台垫和地垫，分别串联1MΩ电阻软接地。

(4)存储运输过程防静电：静电敏感器件的存储和运输不能在有电荷的状态下进行，需进行防静电包装。

(5)湿度、温度要求:EPA湿度控制是静电防护的一个关键要素，湿度应控制在30%～70%范围内；温度应控制在16℃～28℃。

(6)其它措施：绝缘物品与静电敏感器件间的距离应大于30 cm，并用离子风机吹除绝缘体表面静电。

(7)其它要求：禁止把塑料水杯、食品包装袋和个人用品带入EPA，与工作无关的绝缘物品(如纸制品、塑料制品等)应从工作台或放置静电敏感器件的工作现场清理掉。

5 结 语

在高可靠性泵用动力系统的研制和使用过程中，静电防护工作已成为一项长期的任务，任何环节的失误或疏忽，都将对产品造成不可估量的危害，甚至导致产品的研制失败。只有充分认识到静电防护的必要性，并采取正确的静电防护措施，才能将静电对高可靠性泵用动力系统产品带来的危害扼杀掉，从而保证产品的可靠性、安全性。