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
静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。 |
