1 引言
隨著電子設備功能的增加，輸入∕輸出連接器也隨之增多，這為靜電放電" title="靜電放電" target="_blank">靜電放電（ESD）提供了進入電路的路徑，靜電放電保護問題變得不容忽視。因此，有必要采用靜電放電保護元件，在靜電放電進入電路板之前有效抑制靜電放電事件的發生。目前，用于抑制靜電放電的保護元件，主要是片式氧化鋅壓敏電阻器，具有抑制過電壓、吸收浪涌能量、抑制浪涌噪聲、穩定高頻線路等優勢。通過嚴格的IEC 61000-4-2 標準規定的靜電放電試驗時的4 級水平，即接觸放電8kV 和空氣放電15kV 的要求，可以達到優良的靜電保護效果。

2 靜電的產生和放電
2.1 靜電的產生
物體的靜電帶電又稱靜電起電。它是由于處于不同帶電序列位置的物質之間接觸分離（摩擦）、使物體上正負電荷失去平衡而發生的帶電現象。在大多數情況下，靜電起電與放電是同時發生的，而且靜電起電——放電是一個隨機的動態過程，在這過程中，不僅有靜電能量的傳導輸出，而且有電磁脈沖場的輻射。
（1）兩種介電常數不同的物質摩擦時，正負極性的電荷分別積累在兩個物體上面，而形成正負電荷。當兩個物體接觸時，其中的一個將從另一個吸取電子，因而兩者形成不同的電位。
（2）摩擦起電是一個機械過程，依靠相對表面移動傳送電量。傳送的電量取決于接觸的次數，表面粗糙度、濕度、接觸壓力、摩擦物質的摩擦特性以及相對運動速度。
（3）靜電只存在于物體表面，而非物體內部，絕緣體中的電荷只保持在產生靜電的那些區域，而不會出現在整個表面。因此，絕緣體接地后不會失去這些電荷。與絕緣體相反，導體接地后便會失去自身電荷。
（4）如果將導體瞬間接地（例如，該物體被站立在地上的人接觸），那么遠離帶電體表面的電荷就會釋放，導體將帶正電荷。

2.2 靜電放電
靜電放電（Electio Static Discharge， ESD）具有不同靜電電位的物體相互靠近或直接接觸引起的電荷轉移。不同物質的接觸、分離或相互摩擦，即可產生靜電。兩個帶上電荷的物體也就成了靜電源。靜電源跟其他物體接觸時，依據電荷中和的原則，存在著電荷流動，傳送足夠的電量以抵消電壓。這個高速電量的傳送過程中，將產生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場，嚴重時將其中物體擊毀，這就是靜電放電。表1 列出日常活動產生的靜電電壓，表2 列出人體（C=200pF）日常活動中所產生的靜電量。

2.3 靜電的特點
（1）高電位，最高可達數104V 以至數105V。

（2）低電量，毫微庫侖（10-9C）級別。
（3）作用時間短，多為μs（10-6s）級。

3 靜電的危害
3.1 靜電敏感度
靜電敏感度（Electrostatic Discharge Sensitive, ESDS）是一種描述產品受ESD 損害的敏感程度。對靜電放電敏感的元器件稱為ESD 敏感器件。裝配有ESDS 的電路板也對ESD 敏感，稱為ESD 敏感組件。操作ESD 敏感器件和ESD 敏感組件的時候，必須注意ESD 保護。

（1）通常無源器件對ESD 不夠敏感，如：電阻器、電感器、電容器等。
（2）有源器件對ESD 較為敏感，稱為靜電敏感器件（StaticSensitivity Device, SSD），是一種易受ESD 損壞的靜電敏感元器件，如IC、晶體管、LED 等。

3.2 ESD 對電子產品的危害
3.2.1 電子產品危害的分類
（1）災難性損壞（Catastrophic Failure）這種破壞可能使設備不能正常工作，或使某些節點擊穿等，一般能很容易檢測出來。ESD 損壞電子產品最小電壓力為20V。災難性破壞發生幾機率占ESD 損壞率的10%。
（2）潛在性損傷（Latent Defect）這種破壞一般表現為靜電能量較小，不足以使設備立即失效，僅僅表現為工作不穩定，或者干脆就沒有外在的特異表現，但是這種破壞卻最危險，輕則縮短設備的使用壽命，重則對以后的系統甚至人身產生危害；同時，因為問題表現不明顯，所以給檢測帶來困難；更糟糕的是，維修人員一般把這種問題歸咎為材料不良或者設計缺陷等其他原因，從而對問題的解決抱有僥幸心理，直到災難發生。潛在性損傷發生機率占ESD 損壞率的90%。

3.2.2 靜電使電子產品損壞的特點
（1）隱蔽性
人體帶電是電子產品靜電損傷的主因，但因為人體不能直接感知靜電，除非發生靜電放電。人體也不一定能有電擊的感覺，這是因為人體感知的靜電放電電壓為2kV ～ 3kV，小于3kV 的人體靜電，對人而言幾乎無法感知。所以靜電具有隱蔽性。
（2）潛在性
有些電子元器件受到靜電損傷后的性能沒有明顯的下降，并不馬上失效，但多次積累放電會給器件造成內傷而形成隱患。因此，靜電對器件的損傷具有潛在性。
（3）隨機性

只要電壓超過或接近靜電感應電壓閾值，就可能對電子元器件造成損壞；靜電的產生和放電都是瞬間發生的，很難預測和防護；在生產的各個環節均可能發生。
（4）復雜性
電子產品有精、細、小的結構特點，而失效分析相當復雜。如有些靜電損傷現象難以與其它原因造成的損傷加以區別，要求較高的技術并往往需要使用掃描電鏡等高精密儀器。

4 ESD 損壞模型
靜電放電主要損壞模式分為3 類：人體模型（HBM），機器模型（MM）和帶電器件模型（CDM）。

4.1 人體模型（Human Body Model, HBM）
人員未接地帶電接觸產品，造成產品損壞。人體在地上走動摩擦或其它因素在人體上已積累了靜電，
當此人去碰撞到器件（IC）時，人體上的靜電便會經由器件（IC）的插腳（pin）進入器件內，若器件有一端接地而形成放電路徑時，便會經接地插腳放電到地，如圖1 所示。

此放電過程會在短短數百mμs（ns）的時間內產生數A的瞬間放電電流，進而將器件的電路燒毀。

圖2 示出HBM 等效電路圖， 其中人體的等效電容為100pF，人體的等效放電電阻為1.5kΩ。圖3 示出HBM 靜電
電壓相對產生瞬間放電電流與時間的關系。

對于一般元件可耐受的HBM 2kV 來說，在2ns ～ 10ns的時間內，瞬間放電電流峰值可達1.33A。
表3 列出人體模型下的敏感度分級。

4.2 機器模型（Machine Model, MM）
機器帶電接觸產品，放置在未接地的工裝、儀器、設備上時造成產品損壞。敏感器件在組裝過程中，會涉及許多金屬夾具、部件，當帶上靜電并靠近器件時，會發生金屬夾具、部件與器件之間的插腳（pin）快速放電。機器模型表現出來的特征為低壓大電流，會直接燒壞組件本身，如圖4 所示。

因為機器是金屬，其等效電阻為0Ω，機器設備的電容遠大于人體的電容，其等效電容為200pF。由于機器放電模式的等效電阻為0，故其放電過程更短，在幾ns~ 幾10ns 之間會有數A 的瞬間放電電流產生。

圖5 示出MM 等效電路圖。圖6 示出MM 靜電電壓相對產生的瞬間放電電流和時間的關系。表4 列出機器模型下的敏感度分級。

4.3 帶電器件模型（Charged Dovice Model, CDM）
物體接觸帶靜電的產品，造成產品損壞。
器件（IC）因摩擦或其它因素而在內部積累了靜電，在靜電積累的過程中器件（IC）并未被損傷。此帶有靜電的器件（IC）在處理過程中，當其任一插腳（pin）去碰撞到接地導體時，其內部的靜電便會經由插腳（pin）流出，造成放電現象，如圖7 所示。

此種模型的放電時間更短，僅約幾個mμs，且因為器件內部積累的靜電會因對地的等效電容值而變，而等效電容值又和器件擺放的角度與位置以及器件所用的包裝型式有關，所以放電現象更難真實模擬。圖8 示出CDM 等效電路圖。圖9 示出CDM 靜電電壓相對產生的瞬間放電電流與時間的關系。表5 列出帶電器件模型下的敏感度分級。

4.4 3 種放電模型比較
表6 列出了3 種放電模型參數比較。

3 種靜電模型的電路形式：HBM 為脈沖衰減電路，MM和CDM 為周期震蕩衰減電路。3 種模型的典型峰值電流：
HBM 為1.3A（2000V），MM 為3.8A（200V），CDM 為15A（1000V）。
3 種模型中，最常見也是最被重視的模型是人體模型（HBM），這種模型是模擬人體帶電（正電或負電）并接觸
電子設備時，人身上的電荷向設備轉移的情況。

4.5 人體對靜電的感覺
（1）當人們穿著化纖織物時，人體運動的充電電流約10-7A~10-6A，總的充電電荷約（0.1~5）×10-6C，人體對地的電容約為150pF~250pF，若以電荷3×10-6C 計，則充電電壓可達5kV~25kV。
（2）人體的靜電放電模型可用電阻和電容的串聯來模擬，設人體電阻R=500Ω，人體電容C=300pF，人體帶靜電電壓U=10kV，則靜電所含能量為：W=1 ∕ 2 CU2=15mJ。
（3）盡管靜電電壓高達10kV，能量級15mJ，對人體沒傷害。但是當人手去觸摸設備的金屬部分時會產生火花放電，瞬間的脈沖峰值很高，很可能對電子電路產生干擾和破壞，放電電流峰值為：Ip ≈ U ∕ R=20A；放電時間很短，可近似為：Td ≈ RC=150ns，這對于MOS 電路來說，則將受到致命的沖擊。表7 列出人體帶電的電擊程度的關系。表8 列出半導體器件的ESD 失效電壓。

5 靜電放電控制方法
5.1 濕度
同樣條件下，濕度越高，產生的靜電將會越低，由于濕敏元件需要，所以通常濕度控制在30%-70% 之間。所以，有效的控制濕度可以抑制靜電大量產生，以降低靜電放電破壞的風險。表9 列出靜電放電與濕度的關系。

5.2 接地
(1) 人
a) 將人體通過手腕帶及插孔接地。
b) 通過ESD 鞋與ESD 地面導通。
c) 通過ESD 椅子進行接地。
(2) 設備和儀器
a) 機器及設備直接進行硬接地。
b) ESD 部件進行軟接地。
(3) 工作臺表面
使用ESD 臺墊和接地線進行軟接地。
(4) 金屬物體
直接進行硬接地。
a) 硬接地
指使用接地線對導體材料進行接地，對地電阻應小于1Ω。
b) 軟接地
指用較高阻抗物體進行的接地，對地電阻應小于1×109Ω。

5.3 屏蔽
(1) 生產過程
a) 人：穿防靜電服、手套、帽子，直接對人體進行屏蔽保護接地。
b) 設備：機器及設備金屬外殼屏蔽內部帶電物。
c) 絕緣材料：絕緣材料和工具等物體使用ESD 薄膜或法拉第罩，隔絕內部或外部的靜電電場。

(2) 產品包裝
防靜電包裝材料的種類：
a) 電磁屏蔽材料
該材料作為包裝時形成會產生法拉第的靜電屏蔽效應，可防止外部靜電場穿透屏蔽容器和包裝袋，表面電阻為小于1×103Ω 的材料。
b) 抗靜電材料
能抑制摩擦生電的材料，摩擦電壓小于200V 的材料。
c) 靜電消散性材料
① 具備一定的導電率，以便靜電荷被耗散掉，但導電率不可大到產生危害的程度。
② 表面電阻1×104 Ω~1×1011Ω 的材料。

5.4 中和（消除）
離子風機可以消除絕緣物體上產生的大量靜電荷。其作用是產生大量正負離子，中和目標物體上的電荷。

6 靜電放電波形
國際電工委員會(IEC) 在標準IEC 61000-4-2 中規定了靜電測試等級、試驗發生器和靜電放電波形。中華人民共和國國家標準GB/T 17626.2-1998 電磁兼容、試驗和測量技術、靜電放電抗擾度試驗，等同采用國際標準
IEC 61000-4-2。

6.1 試驗等級
表10 列出IEC 61000-4-2 規定的靜電測試等級。

“*”是未定的等級，該等級必須在專用設備的規范中加以規定，如果規定了高于表格中的電壓，則可能需要專門的試驗設備。

⑴ 接觸放電方法
試驗發生器的電極保持與受試設備的接觸，并由發生器內的放電開關激勵放電的一種試驗方法。

⑵ 空氣放電方法
將試驗發生器的充電電極靠近受試設備，并由火花對受試設備激勵放電的一種試驗方法。表10 給出了靜電放電試驗時，試驗等級的優先選擇范圍。接觸放電是優先選擇的試驗方法，空氣放電則用在不能使用接觸放電的設備中。每種試驗方法的電壓列于表10 中，由于試驗方法的差別，每種方法所示的電壓是不同的。兩種試驗方法的嚴酷程度并不表示是相等的。

表10 之所以規定不同的放電等級，是考慮在不同的靜電放電情況，比如在半導體或IC 的保護中，2kV 的放電標準是經常被引用的。在實際的IC 設計中，其靜電放電保護的方法之一，就是IC 內自己做了保護。一般是1kV 或者2kV 的靜電保護標準，但是這樣會占用寶貴的IC 空間，所以就有了第二種靜電保護方法，即芯片外保護。芯片外保護的另一個重要原因，是實際的靜電等級遠大于2kV，而且在一些汽車標準中，有時還可能達到25kV 的靜電放電等級。

6.2 靜電放電實驗發生器
圖10 示出靜電放電發生器簡圖。

圖10 中符號的含義：Rc—充電電阻，Cs—儲能電容器，Rd—放電電阻。
圖10 中省略的分布電容Cd，是存在于發生器與受試設備、接地參考平面以及耦合板之間的分布電容。由于此電容分布在整個發生器上，因此，在該回路中不可能標明。

6.3 靜電放電波形
圖11 示出靜電放電發生器輸出電流的典型波形。

表11 列出靜電放電波形參數，放電的電流波形必需滿足
圖11 的要求。

通過分析靜電波形可以發現：
（1）靜電一般發生的時間特別短（在0.7ns ~ 1ns 之間）；
（2）雖然靜電的總體能量不大，但是瞬間電壓的峰值特別大，有時可達1kV 甚至幾十kV。

7 靜電放電的保護
7.1 靜電放電的保護原則
靜電放電的保護應從靜電的產生、靜電的積累、靜電的釋放、靜電釋放路徑的選擇、以及釋放靜電量的控制等全方位考慮。但是，因為靜電破壞的復雜性，至今還沒有一個很好的方法去完全解決靜電問題。

在靜電放電保護的過程中，只要遵循一個原則：即靜電的積累必然有靜電的釋放，所以我們只要給靜電選好放電的路徑和放電的去處（即放電地），就能很好地釋放靜電。事實上，靜電放電保護最常用的方法，是在被保護設備的兩端并聯一個過電壓保護器件，以使靜電超過某個安全閾值時使保護器件擊穿，從而把過電流釋放到安全地。表12 列出ESD 保護方法比較。

7.2 片式壓敏電阻的性能特點
片式壓敏電阻器的保護機理為隧道效應、熱耗散和電荷轉移。

（1）尺寸體積小
現在已經有0402(1.0mm×0.5mm)、0201(0.6mm×0.3mm)的產品，日本已開發出0.4mm×0.2mm 的新產品，適合表面安裝。
（2）響應速度快
極快的反應時間，脈沖電流的響應時間小于0.5ns。
（3）通流容量大
疊層技術的器件，數百萬氧化鋅p-n 結及晶粒串并聯，吸收及傳導能量，具有很強的通流能力。
（4）電容量的選擇范圍大。
（5）良好的限制電壓特性由于片式壓敏電阻采用多層結構，限制電壓小、保護性能好。
（6）較好的溫度特性使用溫度范圍廣，汽車總線系統最高工作溫度150℃。
（7）易實現低壓化
較低的觸發動作電壓，其最小保護不動作電壓已經達到3V 的量級。
（8）靜電放電ESD 吸收能力
達到甚至超過IEC 61000-4-2 標準規定的靜電放電試驗時的接觸放電和空氣放電4 級水平（即接觸放電8kV 和空氣放電15kV 的ESD 吸收能力）的要求。
（9）具有雙向導通功能
因為瞬間的電壓可能是正電壓，也可能是負電壓。

7.3 IC 耐受ESD 過電壓保護
ESD 浪涌是半導體元件失效的主要原因，占總失效模式的60%。片式壓敏電阻能有效地保護電子元器件免受ESD 的損傷。
圖12 示出IC 耐受ESD 過電壓保護電路圖。

ESD 對IC 的影響因素分析如下。

7.3.1 IC 兩端的脈沖電壓
通過壓敏電阻將ESD 過電壓抑制到100V 以下，遠低于2kV。

7.3.2 通過IC 的脈沖電流
（1）調整線路布線結構，減小通過IC 的脈沖電流回路面積，增大回路阻抗。
（2）通過型號選擇，降低壓敏電阻瞬態內阻。要使IC 不受ESD 脈沖電流影響，壓敏電阻瞬態內阻盡可能達到：
a）當線路中出現8kV ESD 時，Rv ＜ R/3；
b）當線路中出現15kV ESD 時，為了保險起見，選壓敏
電阻時，其瞬態電阻Rv 應小于R/5。
（3）與IC 串聯磁珠或電阻，增加其回路電阻。

7.4 高頻信號傳輸線路中ESD 保護
隨著線路數據傳輸速度的不斷提高，保護抑制器電容帶來的影響，成為靜電放電保護設計中不容忽視的問題。合理的參數選擇對保證信號的穩定性和完整性十分重要。對于低頻電路，大的保護抑制器電容是有益的，因為它可以濾去高頻干擾而使低頻信號順利通過。而對于高頻電路則完全相反，大的保護抑制器電容會導致信號惡化，降低電路對信號的識別能力。在通用串行總線標準USB 2.0 所支持的最高傳輸率為480 Mbps 的數據傳輸線中，加入電容量僅為10pF 的ESD 保護抑制器，就足以使其信號的上升和下降時間增加140%，從而限制了它們的線路應用。

在高速信號線，如果是USB2.0 接口和IEEE1394 中，它們的電容量分量可使波形衰退，從而限制了它們的線路應用。

因此，高頻信號傳輸線路中的ESD 保護器必須具有足夠小的電容量，以保證傳輸數據的連續和完整，這必然要求片式壓敏電阻向低電容化的方向發展。

目前，片式壓敏電阻的標準電容值為數十pF 到幾千pF不等，可適用于從普通的音頻、視頻信號到符合USB1.1 標準，即數據傳輸率最高為12Mbps 的電子線路。可以考慮在原料中添加Sb2O3 以降低材料表觀電容率和在片式壓敏電阻內部設計制作串聯微間隙，來降低片式壓敏電阻的電容量。

電容量小于3pF 的多層片式壓敏電阻器、符合IEC 61000-4-2 標準中規定的靜電放電試驗時的接觸放電和空氣放電4 級水平的要求，可以用在USB2.0 接口和IEEE1394 中。隨著設備頻率的增加，ESD 保護器元件還需要進一步降低其電容量。

7.5 片式壓敏電阻器參數選取
（1）最大直流工作電壓Udc
壓敏電阻器的最大直流工作電壓Udc 必須大于信號線的直流工作電壓Un，即Udc ≥ Un。
（2）電容Cp
適合不同頻率信號，對于高頻傳輸信號，電容Cp 應小些，反之亦些。
（3）瞬態電阻匹配
壓敏電阻瞬態電阻Rv 與被保護元器件及IC 線路等效內阻R（R ≥ 2Ω）匹配關系：Rv ≤ 1/5R。對于內阻較小的被保護元器件，在不影響信號傳輸速率的情況下，盡量采用大電容壓敏電阻。
（4）空間位置
因地制宜，選取合適尺寸的壓敏電阻。
（5）放置位置
接近過電壓及ESD 源，即離接口部位越近越好。
（6）接地設計
良好的接地，盡可能大的接地面積。
表13 列出了推薦電容選擇。

8 結束語
靜電放電保護，包括ESD 浪涌抑制靜電過電壓、吸收浪涌能量、抑制浪涌噪聲、高頻信號傳輸線路信號的穩定性。片式氧化鋅壓敏電阻器具有快速反應速度，與反應后的低導通阻抗，唯有如此才能提供低箝制電壓來保護系統的正常運行。通過嚴格的IEC 61000-4-2 標準規定的靜電放電試驗時的4 級水平要求，即接觸放電8kV 和空氣放電15kV 的ESD 吸收能力，可以達到優良的靜電放電保護效果。