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關(guān)于靜電ESD防護(hù)，為什么記住100條規(guī)則也沒(méi)啥鳥(niǎo)用

時(shí)間：2021-11-15 14:54:44
關(guān)鍵字： ESD    防護(hù)   
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[導(dǎo)讀]1.關(guān)于靜電，不談理論靜電，確切的說(shuō)是靜電放電的防護(hù)，是EMC設(shè)計(jì)中的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，已經(jīng)有大量書籍，文章對(duì)此做了很多的討論。那我們?yōu)槭裁催€要再寫一篇來(lái)討論這個(gè)問(wèn)題呢？因?yàn)樵趯?shí)際產(chǎn)品中，看到的一些對(duì)ESD設(shè)計(jì)規(guī)則的生搬硬套，真是讓人比較捉急。EMC設(shè)計(jì)是實(shí)踐性很強(qiáng)的一門學(xué)問(wèn)，如果我...

1.關(guān)于靜電，不談理論


靜電，確切的說(shuō)是靜電放電的防護(hù)，是EMC設(shè)計(jì)中的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，已經(jīng)有大量書籍，文章對(duì)此做了很多的討論。那我們?yōu)槭裁催€要再寫一篇來(lái)討論這個(gè)問(wèn)題呢？因?yàn)樵趯?shí)際產(chǎn)品中，看到的一些對(duì)ESD設(shè)計(jì)規(guī)則的生搬硬套，真是讓人比較捉急。EMC設(shè)計(jì)是實(shí)踐性很強(qiáng)的一門學(xué)問(wèn)，如果我們不去思考它背后的原理，只是把別人的一些結(jié)論，用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，不一定能起到很好的效果，甚至?xí)a(chǎn)生相反的作用。


歷史上我們看到很多猛將，都犯了類似的錯(cuò)誤，比如失街亭的蜀國(guó)大將馬謖，紙上談兵的趙國(guó)大將趙括。所以對(duì)理論的實(shí)際運(yùn)用，是我們要倍加重視的。很多寫EMC的文章，往往從麥克斯韋方程組開(kāi)始，各種推導(dǎo)使人眼花繚亂，目不暇接，高山仰止，縱使法拉第再生，估計(jì)也會(huì)佩服的五(直)體(接)投(懵)地(圈)。我們今天就不討論這個(gè)方程組了(真實(shí)情況是，咱們也不懂J)。


今天我們嘗試用大家都容易看懂的方式，探討一下靜電的產(chǎn)生，靜電放電現(xiàn)象，和靜電的防護(hù)。


2.靜電的產(chǎn)生


靜電似乎是我們很熟悉的一種現(xiàn)象。干燥寒冷的冬天，特別是夜里，當(dāng)我們上床睡覺(jué)，脫下一件毛衣時(shí)，噼噼啪啪一陣亂響?；蛘哂袝r(shí)候是我們手碰到金屬門把手時(shí)，輕微的啪的一聲，伴隨著麻麻的感覺(jué)。為什么會(huì)有這些現(xiàn)象呢？



我們生活中所見(jiàn)的物質(zhì)，大部分都是由分子和原子構(gòu)成。原子的中心是帶正電的原子核，包括帶正電荷的質(zhì)子和不帶電的中子，而圍繞其高速運(yùn)動(dòng)的是帶負(fù)電荷的電子。一般情況下，質(zhì)子的數(shù)量與電子的數(shù)量相等，所以整體對(duì)外看起來(lái)是不帶電的。


電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)，有點(diǎn)類似于行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)。舉個(gè)例子，鈉的原子大概是下面這個(gè)樣子：



中間是11個(gè)帶正電的質(zhì)子，還有12個(gè)不帶電的中子，周圍有11個(gè)帶負(fù)電的電子，排列在3個(gè)電子軌道上，離原子核最近的第一個(gè)軌道有2個(gè)電子，第二個(gè)軌道8個(gè)電子，最外層的軌道上有一個(gè)電子，這個(gè)單飛的電子具有最高的能量，而且特別容易脫離原子核的束縛。當(dāng)然這是個(gè)示意圖，實(shí)際電子不應(yīng)該在一個(gè)平面上轉(zhuǎn)，而是應(yīng)該在立體的球面上。我們把鈉原子這種電子層排布寫成下面這種形式：


Na ( 11) -2-8-1


看到這里，不能不使我們想起另一種元素。對(duì)，就是最外層有7個(gè)電子的氯


Cl ( 17) -2-8-7


跟容易失去一個(gè)電子的Na正好相反，它的最外層容易獲得1個(gè)電子，從而達(dá)到具有8個(gè)電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。如果把加熱的Na放入氯氣Cl中，會(huì)發(fā)生劇烈的燃燒，然后形成鹽NaCl。


對(duì)于一些原子量更大的元素，比如銅，銀，金，它們的最外層都是有單飛的電子，而且這種電子具有的能量更高，離核距離更遠(yuǎn)，所以更容易掙脫原子核的束縛，形成自由的電子，在原子之間流動(dòng)。


幾種金屬原子的核外電子排列：


銅Cu ( 29) -2-8-18-1


銀Ag ( 47) -2-8-18-18-1


金Au ( 79) -2-8-18-32-18-1


摩擦起電：


生活中的物質(zhì)有的由單一元素組成，有的由復(fù)雜的多種元素構(gòu)成，它們對(duì)電子的束縛能力也各異，當(dāng)不同的物體摩擦就會(huì)發(fā)生電子在不同物質(zhì)之間的遷移，獲得多余電子的帶負(fù)電，失去電子的帶正電。按這種特性把物質(zhì)排序，越容易失去電子的物質(zhì)越靠左，那么就得到一個(gè)靜電序列：


金屬摩擦?xí)r的靜電序列: ( )鋁、鋅、錫、銅、鉛、銻、鉗、黃銅、汞、鐵、銅、銀、金、鉑、鈀、MnO2、Pb0(-)。


非金屬的靜電序列: ( )玻璃、頭發(fā)、尼龍、毛、絲綢、人造絲、奧綸、棉織品、紙、聚苯乙烯、聚酯、聚丙烯脂、硫、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯(-)。


空氣摩擦也是物體積聚靜電的一個(gè)重要原因。飛機(jī)在空中飛行后降落地面，通過(guò)輪胎和地面接觸也會(huì)釋放掉大量的靜電，否則可能發(fā)生嚴(yán)重的事故。


感應(yīng)起電：


除了摩擦起電，兩種物體不直接接觸，通過(guò)感應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致靜電的積聚。



如圖帶電荷的物體會(huì)在它的周圍形成電場(chǎng)，如果移動(dòng)帶正電荷物體A，讓它靠近一個(gè)不帶電的導(dǎo)體B，那么由于異種電荷相吸，同種電荷相斥，會(huì)在靠近A的左端感應(yīng)出負(fù)電荷，在右端感應(yīng)出正電荷，感應(yīng)電荷在導(dǎo)體B內(nèi)形成與A的電場(chǎng)相反的電場(chǎng)。當(dāng)這兩個(gè)方向相反的電場(chǎng)大小相等時(shí)，形成電平衡，導(dǎo)體B內(nèi)的電子不再移動(dòng)。此時(shí)導(dǎo)體B對(duì)外部來(lái)說(shuō)仍然是不帶電的。如果此時(shí)把A移開(kāi)，B上的電子又會(huì)回復(fù)到均勻分布的狀態(tài)，對(duì)導(dǎo)體B來(lái)說(shuō)，就像什么事情都沒(méi)有發(fā)生過(guò)。


我們?cè)趺茨茉诓唤佑|的情況下，讓導(dǎo)體B帶上點(diǎn)兒靜電呢？


兩種辦法：



一是把導(dǎo)體B從中劈開(kāi)，然后再把A挪走。另一種辦法是從導(dǎo)體B連一根導(dǎo)線到大地，此時(shí)正電荷會(huì)釋放到大地上，此時(shí)再把導(dǎo)線斷開(kāi)，A挪走，導(dǎo)體B上會(huì)帶上負(fù)電荷。


接觸起電：


如果使一個(gè)帶靜電的物體接觸一個(gè)不帶電的物體，那么不帶電的物體會(huì)由于電子的遷移，帶上同種電荷的靜電。


3.ESD (Electro Static Discharge)


靜電的積聚本身不會(huì)產(chǎn)生什么危害，產(chǎn)生破壞的是靜電放電的一瞬間。就像一架飛機(jī)在空中飛行的時(shí)候，可能會(huì)帶上數(shù)萬(wàn)伏的高壓，并不會(huì)對(duì)人體有什么危害。但是如果落地后仍然沒(méi)有釋放掉，那么人從舷梯走下來(lái)，踏上大地的一瞬間可能就是致命的。靜電在我們印象里通常不會(huì)產(chǎn)生巨大的破壞作用，其實(shí)不然，想一想雷電其實(shí)也是一種靜電放電現(xiàn)象，我們就明白了。



帶正負(fù)電荷的物體之間會(huì)發(fā)生放電，一個(gè)帶電和不帶電物體之間會(huì)發(fā)生放電，甚至帶同種電荷的物體，只要它們的電勢(shì)不同，也會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象。電勢(shì)差越大，遷移的電子越多，放電通路的電阻越小，放電就越劇烈。


靜止的電荷周圍只會(huì)形成電場(chǎng)，但是當(dāng)放電發(fā)生時(shí)，情況就不一樣了，大家知道移動(dòng)的電荷形成電流，電流的周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。變化的電流產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)又產(chǎn)生變化的電場(chǎng)。靜電的放電往往發(fā)生在一瞬間，電壓電流的變化非常劇烈，產(chǎn)生的電磁輻射也很強(qiáng)，頻帶寬。所以靜電放電和電磁干擾密不可分。


4.ESD 防護(hù)


如何防止靜電產(chǎn)生破壞作用？不外乎傳統(tǒng)的三大必殺技：一，控制干擾源。二，切斷傳播途徑。三，提高設(shè)備的抗干擾能力。在下一篇文章中我們將繼續(xù)討論一下，有哪些具體的，實(shí)用的防靜電措施，以及在實(shí)踐中常常犯的一些錯(cuò)誤。




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