静电放电(ESD)经常被发现是工厂车间和现场设备故障的根本原因。当这些失败伪装成其他类型的失败时，就很难追踪了。例如，在制造过程中，最终测试的良率损失可能会追溯到一个坏的组件或组件，然后(通过进一步的调查)与OEM制造或测试过程相关联，使该部件受到ESD影响。

工业设备的早期现场故障和安装后问题往往是由安装过程中的ESD引起的。最阴险的ESD损害是降低仪器的性能，但(至少最初)不影响其操作在一个明显的方式。此类事件可能立即导致不稳定或非线性操作，但可能在数月或数年内不会产生“硬”故障。

本文介绍如何保护您的产品免受ESD的伤害。它概述了电子行业所需的标准测试方法，提供了一些常见的防静电技术，并重点介绍了一些设备的防静电设备。经过精心设计，这些设备可以提高产品质量，同时节省资金和您公司的声誉。

潜在危害

显微照片(图1)显示了竞争对手的RS-232接口IC在暴露于15kV(通用测试电平)的ESD冲击后所遭受的损坏。结果是一个很容易看到的严重故障，因为过度应力实际上蒸发了芯片上的金属化。在其他情况下，调查栅极氧化层或埋藏层中不可见的故障需要小心地去除金属化或其他层。ESD冲击也可以找到进入仪器核心的路径。有点像雷击，ESD将通过电路，直到它的能量消散，往往有意想不到的影响。

高压从何而来?

机械分离两种材料会产生静电荷。这些中性材料的表面在不同程度上是电双层的，这意味着外层可能有大部分电子与大部分材料中的正电荷平衡。其他材料则表现出相反的表面电荷。当具有相反表面电荷的材料接触时，电子的转移使一种材料带净负电荷，另一种材料带净正电荷。这种效应称为摩擦发电，是静电产生和传递的基础。

表1所示的摩擦电系列将玻璃和尼龙等材料置于正极，硅和聚四氟乙烯置于负极。材料的导电性也会影响它们形成表面电荷的能力。对于许多材料，电导率或表面电阻率与湿度密切相关。低湿度促进低电导率，通过阻止它们移动来保持局部电荷。

在现实世界中，静电高压通常是由人和周围环境相互作用产生的。想象一下，一个人坐在塑料椅子上的一张胶木桌子前，穿着羊毛长裤和袜子，皮鞋，棉质衬衫，系着丝绸领带。这种摩擦电材料的汤无法进行定量分析，但可以想象它会导致一些严重的电荷积聚。几种公认的模型描述了不同情况下带电的人体。最通用的模型(图2)假设100pF电容充电至15,000V和1500欧姆串联电阻。

试验方法和标准

两种通常用于测试集成电路ESD敏感性的方法已经适用于终端设备测试，如下一节所述。最古老的方法，MIL-STD-883方法3015.7，是为了帮助理解封装和处理ic所需的预防措施而开发的。该方法将每个封装引脚与其他引脚组进行测试，并根据发生故障的最低电压对器件进行分类。

本测试中应用的信号是来自人体模型电路的电流波形(图2)，该电路模拟了典型人体的电容和源阻抗。电路布局是至关重要的，因为在IC上传递的实际波形也取决于与测试连接和PC板相关的寄生电感和电容。由此产生的电流波形表示当人接触诸如IC之类的物体时产生的ESD。

另一种方法是由日本电子工业协会(EIAJ)开发的，与上述方法不同的只是R和C的值。它被称为IC-121，基于一种称为机器模型的电路(图3)，它应用的电流波形类似于IC与其处理机械接触时产生的电流波形。通过模拟由积聚在运动部件上的电荷引起的ESD事件，波形模拟了机器组装过程中看到的静电放电。

这两种方法是互补的，所以你不应该任选其一。由于ESD会在IC的制造过程中、PC板组装过程中以及最终产品投入使用后对IC产生影响，因此基于人体模型和机器模型的测试可以充分保证IC对制造严格性和产品寿命的容忍度。

这两个测试是针对ic的。其他特定的测试控制终端设备的暴露接口。例如，通过连接器暴露在外界的IC引脚即使安装在机箱内的PC板上也会遇到ESD。ESD暴露是不太可能为其他引脚，这是连接到电路板上的电路。

对于这类IC，方法3015.7(测试引脚组合)等测试方法不能充分表示输入/输出(I/O)引脚的ESD易感性。机器型号和方法3015.7根据任何引脚上的最低电压故障提供额定值，可能无法公正地处理I/O引脚所需的更高级别的内部ESD保护(并由一些制造商提供)。设备可能具有可承受±15kV的I/O引脚和可承受±2kV的非I/O引脚。采用上述方法，产生的ESD额定值可小于±2kV。然而，幸运的是，现在有更好的测试方法可用于额定I/O引脚。

新的I/O端口ESD测试

I/O端口允许与其他设备进行通信。IC的I/O端口包括逻辑引脚组，用于访问包含IC的系统外部的设备。当操作员连接和断开系统电缆时，这些引脚会受到静电放电和其他滥用。对于外部接口IC的I/O引脚，理想的ESD敏感性测试方法将完成以下工作:

• 测试I/O引脚的方式只能模拟实际设备中的ESD事件。

• 应用测试波形来模拟人体产生的静电放电。不同的电路型号指定了不同的幅值、上升/下降时间和传输功率。

• 在通电和不通电的情况下测试IC。

• 定义集成电路故障包括闭锁(操作的瞬间损失)以及灾难性或参数故障。闭锁被认为是一种故障机制，因为如果不被发现，它可能导致可靠性问题和系统故障。

设备制造商在测试I/O端口的ESD敏感性方面越来越多地使用两种方法(都符合所列出的要求)(图3)。第一种方法是对方法3015.7的修改，MIL-STD-883。它使用与原始方法相同的电路模型和波形，但仅将ESD脉冲应用于设备的I/O引脚。其目的是模拟安装在电路板上并在目标系统中运行的IC所看到的故障电流。第二种方法是IEC 1000-4-2，已成为世界标准。它规定了比方法3015.7中规定的更高的电容和更低的电阻。IEC 1000-4-2是终端设备接口测试的通用标准(表2)。设备的交换机和RS-232/RS-485接口ic均符合该标准，无需外接器件。

静电保护方法

保护接口免受静电放电损害是设计者的责任。该行业提供了几种方法可供选择，每种方法都有其优缺点。很多误解和黑魔法围绕ESD补救措施;下面的讨论旨在消除其中的一些谜团。

电容器保护

这种方法在大批量消费和汽车设备中很常见。它保护输入引脚与一个简单的并联电容器从输入到地。这个想法是，一个足够值的电容器将吸收ESD放电而不超过所附IC引脚的ESD额定值。为了说明，考虑一个暴露在外界的IC引脚，其ESD额定值为2kV。

IEC 1000-4-2型号指定150pF电容充电至15kV。如果在外露引脚上加1500pF电容，它将充电到最大等于测试电压(1.5kV)的1/10。由于该水平低于IC的防静电等级，因此可以假设一切正常。这种方法被广泛使用，但它涉及对所涉及的物理的简单化的看法。如果您在电路布局中非常小心，只要电路运行不受必要的电容或寄生电感的影响，它就可以提供一些保护。为了强调对布局的敏感性，考虑PC板上1cm的走线约有7nH的电感。当一个上升时间为1ns的30A电流脉冲(IEC 1000-4-2波形，图4)施加到7nH时，每厘米地路径产生210V的电压尖峰。

电阻保护

在接口引脚上串联增加了电阻保护。这个电阻限制了峰值电流，并有助于在瞬态中消散一些功率。与电容保护一样，应采取预防措施，以确保电路工作不受这种增加的阻抗的不利影响。另一个警告是，电阻器本身可能对静电敏感。金属膜电阻器的制造方法类似于半导体金属化，通常具有类似的ESD限制。这些串联电阻的寄生电容也可能是一个问题。一个狭窄的尖峰，即使通过几个皮帕，也会对集成电路输入造成严重破坏。

电阻电容保护

这种方法是上面讨论的R和C保护技术的混合。每个接口引脚有两个组件会消耗PC的实际空间，同时增加成本并降低可靠性。RC网络通常与铁氧体串珠或馈通一起用于抑制电磁干扰。

MOVs和TransZorb 保护

在I/O引脚上添加金属氧化物压敏电阻(MOVs)或硅雪崩抑制器(TransZorbs)可能非常有效。它们往往很昂贵，可能很大，并且会给接口增加不必要的电容。与电容保护一样，这些设备需要低电感(短)接地路径。

加强ESD防护的布局指引

• 遵循标准布局技术，将所有旁路和电荷泵电容器尽可能靠近IC(特别是接口IC)。

• 在PC板上包括一个接地面。

• 将保护或IC尽可能靠近I/O端口。

保护设备内部ic

Devices在开发具有内部ESD保护的集成电路方面投入了大量精力。从RS-232和RS-485接口ic开始，这些受保护的设备现在包括几个开关和MAX681_开关脱开器系列。它们都能承受IEC 1000-4-2 ESD事件直接应用到它们的I/O引脚。Devices认为这是控制系统ESD的最佳方法。它健壮、可靠、不需要外部房地产，而且成本低于大多数替代方案。

设备提供各种防静电RS-232接口ic，代表驱动器和接收器的每一个有用的组合。包括超低功耗RS-232设备结合设备的自动关机 功能。今年在防静电RS-232接口设备领域推出了几项新的创新。例如，在微型SOT封装(MAX318_系列)中，具有完整ESD保护的单个RS-232接收器和发射器可以真正解决小型便携式设备中的问题。

此外，还计划推出一种独特的数据电缆防静电接口。蜂窝电话的数据线通常包括一个RS-232接口的电缆，而不是电话。因此，这种应用不仅需要接口IC的RS-232端，还需要逻辑端进行ESD保护。MAX3237E是唯一可以解决这个问题的IC。它提供了一个完整的五发射器，三接收器接口(像调制解调器)。Devices公司计划为其他应用(如PDA支架和其他电话配置)引入带有双ESD保护的RS-232接口ic。

rs - 485接口

Devices也是防静电RS-485接口的领导者。在率先为此类设备使用ESD保护之后，devices在该领域提供了17种产品，还有更多产品正在开发中。去年最重要的是推出了MAX3095/MAX3096，它将Devices稳健的ESD结构和低功耗工作扩展到古老的26LS32四接收器引脚。去年发布的还有全系列3.3V、防静电、RS-485接口ic。例如，MAX348_E系列的器件创新包括ESD保护、分数单元负载、慢速限制和低功耗。

开关

Devices是第一家认识到ESD保护对开关和多路复用器的价值的IC公司，这些开关和多路复用器在许多需要ESD保护的应用中充当外部系统的接口。首先是一系列防静电开关和多路复用器。该系列包括几种具有±15kV ESD保护的低压ic: 8对1 CMOS多路复用器，4051引脚(MAX4558)， 4对1 CMOS多路复用器，4052引脚(MAX4559)，三SPDT开关，4053引脚(MAX4560)和SPST, CMOS开关，4066引脚(MAX4551)。

第二系列器件采用±15kV ESD保护的SOT23封装，包括单个SPST-NO开关(MAX4568)、一个SPST-NC开关(MAX4569)和一个SPDT开关(MAX4561)。

参考电路

(1)电子工程学报，第25期，“ESD保护”。

(2)静电放电的控制方法，杨建军，1989。ISBN 0-07-044838-8。