静电放电

在本书的开头，我们讨论了静电及其产生方式。这比最初假设的要重要得多，因为静电控制在现代电子和其他行业中起着重要作用。静电放电事件是指以不受控制的方式释放静电荷，以下称为 ESD。

ESD 有多种形式，它可以小到 50 伏的电，然后被均衡到数万伏。实际功率非常小，小到通常不会对处于 ESD 放电路径中的人造成危险。一个人通常需要几千伏的电压才能注意到火花形式的 ESD 以及伴随它的熟悉的电击。 ESD 的问题是即使是完全不被注意的小放电也会毁坏半导体。数千伏的静电荷很常见，但是，它不是威胁的原因是它背后没有任何持续时间长的电流。这些极端电压确实允许空气电离并允许其他材料分解，这是造成损坏的根源。

ESD 并不是一个新问题。如果在错误的情况下发生 ESD 事件，黑火药制造和其他烟火行业一直是危险的。在电子管（又名阀门）时代，ESD 对电子产品来说是一个不存在的问题，但随着半导体的出现和小型化的增加，它变得更加严重。

当部件处于 ESD 路径中时，可能会并且通常会发生对组件的损坏。许多部件（例如功率二极管）非常坚固并且可以处理放电，但是如果某个部件的物理结构具有很小或很薄的几何形状，那么电压可能会击穿半导体的该部分。这些事件期间的电流变得相当高，但处于纳秒到微秒的时间范围内。部件的一部分因此而永久损坏，这可能导致两种类型的故障模式：灾难性的和潜在的。灾难性是容易的，使部件完全无法使用。另一个可能要严重得多。潜在损坏可能会使问题组件在发生灾难性故障之前的初始损坏后工作数小时、数天甚至数月。很多时候这些部件被称为“行走受伤”，因为它们正在工作但很糟糕。下图显示为潜在（“行走受伤”）ESD 损坏的示例。如果这些组件最终起到维持生命的作用，例如医疗或军事用途，那么后果可能很严峻。对于大多数爱好者来说，这是一种不便，但可能会很昂贵。

即使是被认为相当坚固的组件也可能被 ESD 损坏。双极晶体管，最早的固态放大器，虽然不太容易受到影响，但也不能幸免。一些较新的高速组件可能会在低至 3 伏的电压下损坏。有些组件可能不会被认为有风险，例如一些使用 MOS（金属氧化物半导体）技术制造的专用电阻器和电容器，可能会通过 ESD 损坏。

ESD 损害预防

在预防 ESD 之前，了解导致它的原因很重要。一般来说，工作台周围的材料可以分为3类。它们是 ESD 生成、ESD 中性和 ESD 耗散（或 ESD 传导）。 ESD 生成材料是主动静电发生器，例如大多数塑料、猫毛和涤纶衣服。 ESD 中性材料通常具有绝缘性，但不会很好地产生或保持静电荷。这方面的例子包括木材、纸张和棉花。这并不是说它们不能成为静电发生器或 ESD 危害，但风险在某种程度上被其他因素最小化。例如，木材和木制品往往会保持水分，这会使它们具有轻微的导电性。许多有机材料都是如此。高度抛光的桌子不属于这一类，因为光泽通常是塑料或清漆，它们是高效的绝缘体。 ESD 导电材料非常明显，它们是周围放置的金属工具。塑料手柄可能是一个问题，但如果金属在接地表面上，它会以产生静电荷的速度释放静电。还有许多其他材料，例如一些塑料，被设计为具有导电性。它们将属于 ESD 耗散的标题。污垢和混凝土也具有导电性，属于 ESD 耗散类别。

有很多活动会产生静电，作为 ESD 控制方案的一部分，您需要注意这些活动。从分配器上拉下胶带的简单动作会产生极端电压。在椅子上滚来滚去是另一个静电发生器，抓挠也是如此。事实上，任何允许两个或更多表面相互摩擦的活动都肯定会产生一些静电荷。这在本书的开头提到过，但现实世界的例子可能很微妙。这就是为什么需要一种持续释放该电压的方法的原因。在处理组件时应避免产生大量静态的东西。

塑料通常与静电的产生有关。这已经以导电塑料的形式出现。制造导电塑料的常用方法是添加一种添加剂，它将塑料的电气特性从绝缘体转变为导体，尽管它可能仍具有每平方英寸数百万欧姆的电阻。已开发出可用作导体的塑料，用于轻重量应用，例如航空工业中的应用。这些是专业应用，通常与 ESD 控制无关。

对于 ESD 保护而言，并非全是坏消息。人体是一个相当不错的导体。空气中的高湿度还会使静电荷无害地消散，并使 ESD 中性材料更具导电性。这就是为什么寒冷的冬天，房子内的湿度可能很低，会增加门把手上的火花数量。夏季或下雨天，您必须非常努力地工作才能产生大量静电。出于这个原因，工业洁净室和工厂车间努力调节温度和湿度。混凝土地板也是导电的，所以家里可能有一些现有的组件可以帮助设置保护。

要建立 ESD 保护，必须有一个标准电压电平，所有内容都参考该电压电平。这样的层次以地面的形式存在。在房屋周围的插座中使用地面有很好的安全原因。在某些方面，这与静态相关，但不直接相关。它确实为我们提供了一个倾倒多余电子的地方，或者如果我们身材矮小，则可以获取一些电子，以中和我们的身体和工具可能获得的任何电荷。如果工作台上的所有东西都通过导体直接或间接接地，那么静电就会在 ESD 事件发生之前很久就消散。

一个好的接地点可以通过几种不同的方式来实现。在具有现代布线的房屋中，可以使用交流插件上的接地引脚进行编码，或者使用固定插座盖板的螺钉。这是因为房屋布线实际上有一根电线或尖刺进入地球，从主电源线获得电力。对于房屋布线不太正确的人，可以使用至少 3 英尺深的尖刺或与金属管道的简单电气连接（最坏的选择）。主要是要在屋外建立一条通向大地的电气通路。

10 兆欧被认为是 ESD 控制领域的导体。静电是没有实际电流的电压，如果电荷在产生后几秒钟被放掉，它就会失效。通常，出于此原因，使用 1 至 10 兆欧的电阻器连接任何 ESD 保护。它具有在 ESD 事件期间减慢放电速率的好处，这增加了组件完好无损的可能性。放电越快，通过组件的电流尖峰就越高。这种电阻被认为是可取的另一个原因是，如果用户不小心短路到高压（例如家用电流），则不会是 ESD 保护杀死他们。

围绕电子行业中的 ESD 控制已经形成了一个大行业。任何电子结构的主要部分是具有静电传导或耗散表面的工作台。这种表面可以在商业上购买，也可以自制金属片或箔片。在金属表面的情况下，将薄纸放在上面可能是个好主意，但如果您不在表面上进行任何通电测试，则没有必要。商业版本通常是某种形式的导电塑料，其电阻足够高，不会出现问题，这是一个更好的解决方案。如果您为工作台制作自己的表面，请务必将 10 兆欧电阻接地，否则您根本没有任何保护。

另一个需要 ESD 接地的大项目是您。人们正在行走静态发电机。你的身体是导电的，但接地相对容易，这通常是用腕带完成的。商业版本已经内置了电阻器，并有一条宽带，以提供与您的皮肤良好的接触面。只需几美元即可购买一次性版本。金属表带也是一个很好的 ESD 保护连接点。只需在接地点上添加一根电线（带有电阻器）。大多数行业都非常重视这个问题，使用实时监视器，如果操作员没有正确接地，就会发出警报。

另一种让自己接地的方法是脚跟带。一个导电塑料部件包裹在你的鞋跟周围，一根导电塑料带在你的袜子下面向上延伸，以便与皮肤保持良好的接触。它仅适用于带有导电蜡或混凝土的地板。该方法将防止一个人产生大量电荷，这些电荷可能会压倒其他 ESD 保护，并且本身被认为是不够的。赤脚走在水泥地上也能达到同样的效果。

另一种 ESD 保护是穿 ESD 导电工作服。与脚后跟带一样，这是二级保护，并不意味着取代腕带。它们旨在使您的衣服可能产生的任何电荷短路。

流动的空气也会产生大量静电荷。当您吹掉电子设备上的灰尘时，会产生静电。这个问题的工业解决方案有两个方面：首先，气枪在气枪内植入了一种小的、屏蔽良好的放射性材料，以电离空气。电离空气是导体，可以很好地释放静电荷。其次，用高压电将风扇排出的空气电离，其作用与气枪相同。这将有效地帮助工作站大量降低 ESD 产生的可能性。

另一种最简单的 ESD 保护是距离。许多行业都有规定，所有中性和生成材料与任何正在进行的工作的距离至少为 12 英寸或更多。

用户还可以通过在将其插入电路之前不要将部件从其保护性包装中取出来降低 ESD 损坏的可能性。这将减少 ESD 暴露的可能性，虽然电路仍然易受攻击，但该组件将对其余组件提供一些轻微的保护，因为其他组件将为 ESD 提供不同的放电路径。

ESD 敏感元件和电路板的储存和运输

如果零件在存储或搬运过程中受到损坏，那么在工作台上遵循 ESD 保护措施是没有好处的。最常见的方法是使用法拉第笼的变体，即 ESD 袋。 ESD 袋用导电屏蔽罩围绕组件，并且内部通常具有非静电产生绝缘层。在永久性法拉第笼中，此屏蔽是接地的，就像在 RFI 房间的情况下一样，但对于便携式容器，这是不切实际的。通过将 ESD 袋放在接地表面上，可以完成同样的事情。法拉第笼的工作原理是在内容物周围路由电荷并立即将它们接地。被闪电击中的汽车是法拉第笼的一个极端例子。

静电袋是迄今为止最常用的存储元件和电路板的方法。它们由极薄的金属层制成，薄到几乎透明。有洞的袋子，即使是小袋子，或者顶部没有折叠起来以密封内容物的袋子都是无效的。

另一种保护存储部件的方法是手提袋或管子。在这些情况下，将零件放入带有相同材料盖子的导电盒中。这有效地形成了法拉第笼。管用于 IC 和其他具有大量引脚的设备，并将部件存储在模制导电塑料管中，以确保部件在机械和电气方面均安全。

结论

ESD 可以是测量到几伏电压的轻微的未感知事件，也可以是对操作员构成真正危险的大规模事件。所有 ESD 保护都可能因环境而不堪重负，但这可以通过了解它是什么以及如何预防来规避。许多项目在构建时根本没有 ESD 保护并且运行良好。鉴于保护这些项目是一个小不便，最好努力。

工业界非常重视这个问题，因为它既是一个潜在的威胁生命的问题，也是一个质量问题。购买昂贵的电子产品或高科技硬件的人如​​果必须在 6 个月内退货，他们将不会高兴。当名誉岌岌可危时，做正确的事就更容易了。