静电放电保护和片式压敏电阻器

摘要：静电是由于处在不同带电序列位置的物体之间接触分离，使物体上的正负电荷失去平衡而发生的现象。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。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。本文详细分析了静电的产生及其危害，以及对静电产生的控制和对静电放电采取的防护措施。 

       关键词：静电，静电放电，保护，压敏电阻器，片式

       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%。