开关电源设计和生产中ESD静电的防护及解绝办法

木犯001号

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1 引言

 

在开关电源设计或生产时对于ESD静电防护是非常重要的一个环节。

 

电子元器件按其种类不同，受静电破坏的程度也不一样，最低的100V的静电压也会对其造成破坏。近年来随着电子元器件发展趋于集成化，因此要求相应的静电电压也在不断减弱。 

 

人体平常所感应的静电电压在2-4KV以上，通常是由于人体的轻微动作或与绝缘物的磨擦而引起的。也就是说，倘若我们日常生活中所带的静电电位与IC接触，那么几乎所有的IC都将被破坏，这种危险存在于任何没有采取静电防护措施的工作环境中。静电对IC的破坏不仅体现在电子元器件的制造工序当中，而且在IC的组装、远输等过程中都会对IC产生破坏。

 

开关电源设计时，其实也是可以做有关静电的防护措施的。比如在IC的VCC脚加104电容，在MOS的G极和地之间加100K的电阻。

 

而更重要的，是在生产过程中工艺的控制，下面，我们就来对静电及其防护做进一步的了解.静电的来源如人体、塑胶制品、有关的测试仪器设备以及电子元件的本身。

 

2 静电源

 

1.人体静电：

 

人体是最重要的静电源，这主要有三个方面的原因，其一，人体接触面广，活动范围大，很容易与带有静电荷的物体接触或者摩擦而带电，同时也有许多机会将人体所带的电荷转移到元件上或者通过器件放电；其二，人体与大地之间的电容值低，约是50~250PF,典型值为150PF,故少量的人体静电荷即可导致很高的静电；其三，人体的电阻较低，相当于良好的导体，故人体处于静电场中也容易感应起电，而且人体某一部分带电即可造成全身带电。

 

2.测量仪器和设备的静电：

 

仪器和设备也会由于摩擦或者静电感应而带上静电。如传输带在传动过程中，由于与转轴的接触和分离产生静电，或者是接地不良的仪器金属外壳在电场中感应产生静电等。仪器设备带电后，与元器件接触也会产生静电放电，从而造成静电损伤。

 

3.器件本身的静电：

 

电子元件的外壳（主要指陶瓷、玻璃和塑胶封装管壳）与绝缘材料相互摩擦，也会产生静电。器件外壳产生静电后，会通过某一个接地的引脚或外接引线释放静电，也会对器件造成静电损伤。

 

4.其他静电的来源：

 

在电子器件的制造、安装、运输传递、试验、存储等过程中，会遇到各种各样的由绝缘材料制成的物品，如工作台、工作服、包装容器等。这些物品相互摩擦或与人体摩擦都会产生很高的静电。

 

 

3 开关电源生产工序

 

在开关电源的生产过程中，电子元器件都有可能遭受到静电损伤，依生产各工序阶段可分为：

 

1.电源印制电路板（半成品）生产过程：

 

元器件收货、验收、存储、插入PCB、焊接、品管、半成品入库；

 

2.电源装配过程：

 

电路板（半成品）领料、装配、老化烧机、电气参数测试、品管和出货。

 

在整个过程中，每一阶段中的每一个小步骤，元件都有可能遭受到静电的影响，而实际上，最主要而又容易忽视的一点却是在元器件的传送与运输的过程。在这个过程中，不但包装因移动容易产生静电外，而且整个包装容易暴露在外界高强度电磁场（比如经过高压设备附近、工人移动频繁，推车迅速移动等）而受到破坏，所以传送与运输过程需要特别注意，以减少损失。

 

4 开关电源静电防护的一般方法

 

静电防护的根本目的是在电子元器件、半成品组件、电源的制造和使用过程中，通过各种防护手段，防止因静电的力学和放电效应而产生或可能产生的危害，或将这些危害限制在最小程度，以确保元器件、半成品组件和电源成品的设计性能及使用性能不因静电作用受到损害。

 

从原则上说，静电防护应从控制静电的产生和控制静电的消散两方面进行，控制静电的产生主要是控制工艺过程中和工艺过程中材料的选择；控制静电的消散则主要是快速而安全地将静电泄放和中和；两者共同作用的结果就有可能使静电电平不超过安全限度，达到静电防护的目的。

 

在生产过程中，静电防护的核心是“消除静电”。为此可建立一个静电安全工作区，即通过使用各种防静电措施，使区域内的可能产生的静电电压保持在对敏感器件安全的阈值下。其基板途径有：

 

1.工艺控制法：

 

在生产过程中尽量少产生静电荷，从工艺流程、材料选择、设备安装和操作管理等方面采取措施，控制静电的产生和积累，抑制静电电平和放电能力，使之危害减小。

 

2.泄放法：

 

把静电通过泄放到大地，达到消除静电的目的。如添加静电剂或者增湿。最常用方法是工作人员带的防静电带和静电接地柱。

 

3.静电屏蔽法：

 

根据静电屏蔽原理，可分为内场屏蔽和外场屏蔽两种。具体措施是用接地的屏蔽罩把带电体与其他物体隔离开，这样带电体的电场将不会影响周围其他物体。

 

4.复合中和法：

 

通常利用接地消除器产生带有异性电荷的离子与带电体上的电荷复合，达到中和消除的目的。

 

5.整净措施：

 

整净措施旨在避免尖端放电的现象。尽可能使带电体及周围物体的表面保持光滑和洁净，以便减少尖端放电的可能性。

 

5 决定导线规格

 

以下，我们来了解一下上述防护方法中所要用的的器件：

 

静电防护器材使用主要有两大类：防静电制品和静电消除器。防静电制品是由防静电材料制成的物品，主要作用是防止或减少静电的产生，将产生的静电泄放掉；而静电消除器是用来中和那些在绝缘材料上积累的、无法用泄放方法消除的静电电荷。防静电材料制品的种类很多，但主要可以归为下面几类：

 

1.防静电工作服和腕带

 

防静电工作服装和腕带是消除人体静电系统的重要组成部分，可以使消除或控制人体静电的产生，从而减少开关电源制造过程中最主要的静电来源。包括防静电的套装、大褂、鞋子、帽子、防静电手套、指套等。防静电服装用不同颜色的防静电布制成，布料中的纱线含一定比例的导电纱，通过导电纱的电晕放电和泄露作用消除服装上的静电。防静电手腕是操作人员在接触电子元器件时最重要的静电防护用品，通过接地通路，可以将人体所带的静电电荷安全泄放掉。它由防静电松紧带、活动按扣、弹簧软线、保护电阻及插头组成。在开关电源生产线上或者其他电子设备生产工厂中最为常见了。

 

 

2.防静电包装和运输制品等

 

防静电包装制品非常多，如防静电屏蔽袋、防静电包装袋、防静电海绵、防静电IC包装管、防静电元件盒、防静电气泡袋和防静电的运输推车等。目的都是对装入的电子器件、开关电源半成品和电源成品起静电保护作用。

 

3.防静电地坪和台垫

 

防静电地坪和台垫也是静电防护工程中不可缺少的。防静电地坪也有很多种，按失效性分永久性和临时性；按材料类别分导电橡胶、PVC和导电陶瓷等；按铺设方式分地面直接铺设和架空的活动地板。可以根据实际需要和成本灵活决定选用。

 

 

4.静电消除器（消电器、电中和器或者离子平衡器）

 

静电消除器的是防静电材料制品外的又一大类防静电器材，其主要原理是利用高压电场或者放射性射线的作用使得空气局部电离，产生大量离子和电子对，其中与带电体极性相反的离子向带电体趋近并与之产生中和作用，达到消除静电的目的。

 

了解了静电产生的原因，以及一些静电的防护措施。从设计和工艺流程上着手，利用全理的方法做到较好的静电防护。生产过程中直通率才会更高，电源产品的品质才会更有保证！

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电路设计上防静电是最重要的，电路没有防静电措施，靠后期生产环节都是有点亡羊补牢

 

人去搂空

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开关电源及其暂态过电压保护设计也尤为重要。