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关于ESD和EMI的介绍

目前的静电放电(ESD)控制方法已基本上将不必要的电过应力所带来的危险降到最低,这些过应力在半导体和其他微电子器件的制造、操作和应用的各个阶段都经常出现。 将非接地的ESD敏感(ESDS)设备接地的行为会触发ESD事件,通过ESDS设备中的能量或电压故障机制产生潜在的或灾难性的损害。为了最大限度地减少这种潜在的问题,必须在接地过程中控制放电速率,必须增加接地电极的工作电位[1]。降低放电率将限制潜在电弧(ESD事件)的电流密度。接触电极(维持放电的两种材料)中的电阻或电容的任何增加的组合都可以降低放电速率并减小ESD事件的影响。
静电放电的副作用之一是电磁干扰。在任务关键型设备附近的静电干扰会导致数据错误,临时复位,甚至需要操作员干预的上电复位[2]。这是由于电磁干扰转化为电压或电流,这反过来又破坏了电路/逻辑输入的运作。

电磁辐射的影响,电磁辐射对非接地或无屏蔽的导体的影响通常被低估。在ESDS保护工作区域外发生的静电事件,仍然可能对在关键工作或ESDS区域内的非屏蔽和非接地的导体造成风险。

关于ESD/EMI的典型问题案例

从设备和放射卫生中心(CDRH)数据库报告的一些ESD/EMI问题的例子列入了产品召回号码。召回编号M485337、M485338、M562311(1994年3月)指出,护士铺床时床单上的静电导致输液泵发出“处理器锁定警报”。召回编号M249358(1991年10月)指出,从操作员到放射治疗系统计时器的放电使计时器的显示在治疗开始时变成空白。召回编号Z3112,Z3212,Z3132,Z142(1992年1月)国家,静电影响婴儿辐射加热器,导致加热器打开或关闭,报警不激活,并显示成为空白或损坏等等[9]。
今天的TTL和CMOS逻辑状态有一个逻辑“ 0 ”在0.8伏特或更低和一个逻辑“ 1 ”在2.0伏特或更高。这导致了一个较小的不确定范围1.2伏特的大多数TTL和一些CMOS逻辑电路和地方的逻辑输入这些电路的痕迹或电缆连接容易诱发电磁干扰电压超过这一范围。一个例子是一个静电感应电磁干扰的特点是从办公椅[3,4]。在距离家具ESD [4] 90厘米的印刷电路组件(PCA)上测量了超过2伏特的感应电压。2伏特的电压足够容易去驱动TTL电路,更不用说ECL电路进入逻辑错误这种问题了。

表一列出了一些逻辑器件以及它们对电磁能量的潜在敏感性。噪声裕度是衡量设备抗扰度的一个量度。表一中的高电平直流噪声裕度是驱动门逻辑高VOH的最小器件输出电平与驱动门识别“1”逻辑状态所需的最小输入电平VIH的差值。不确定范围是逻辑输入的低电平最大值和最高电平最小值之间的差异,以区别逻辑“0”或“1”。
一些普通的实验室凳子和办公椅,在人从椅子上站起来时,由于内部静电放电,会从金属腿上放射出一系列冲动的能量场。在一个人从椅子上站起来后的10秒钟内,记录了多达12个脉冲[3]。史密斯说,每英寸几十毫伏(约2V/m)的数值通常不足以影响数字逻辑,而超过一伏特/英寸(40V/m)的数值则是潜在的问题。在从一种办公椅上一英尺的电缆中观察到超过4伏/英寸(>160伏/米)的感应电压的一个例子[3]。

Table1Table I - 逻辑族的权力转换表、噪声裕度和不确定范围[8]

在过程设备中经常出现的软件错误实际上可能是由外部的静态电荷(或放电)问题引起的。在房间里任何地方的静电干扰都能引起电磁干扰。EMI可以通过电缆或开着的底盘进入系统,产生比逻辑输入“不确定的范围”更大的噪音电压,从而导致一个事件的混乱。在过程设备中,EMI对微处理器或其他电路逻辑的影响可以通过多种方式表现出来,例如随机挂起、机器人故障或软件错误,所有这些都会导致停机时间和降低吞吐量。

理论能量分析

1. ESD事件的机理
模拟ESD事件有三种众所周知的方法:人体模型、机器模型和充电装置模型。每一个都有它的位置,以帮助设计适当的ESD控制方案,这都取决于应用。
从EMI能量传输到典型面积为40mm 2的逻辑输入轨迹的感应电压可高达485mV,ESD引起的100MV/m的场在33cm处如表二所示。485mV的电压足以翻转ECL器件的逻辑状态,如表一所示。在同一ESD事件中,一个接收面积为40 cm2的数据输入电缆,其EMI感应电压为4.85,足以在逻辑电路的任何家族或亚家族中产生逻辑错误;TTL、CMOS和ECL。

Table2Table II -EMI能量从一个静电场转移到一个孤立的导体,用天线理论:导线的面积A是一个变量,源的距离是R=1/3米,静电场有1个n的上升时间和3个n的脉冲宽度。

2. ESD 事件
ESD事件可以有一个快速上升的时间,特别是对低电压放电[5]。ESD事件的波形包括频率范围从直流到大于6GHz的高频分量[4]。这种电磁辐射(EM)可以很容易地耦合到电路痕迹(导体作为天线)。对于耦合在容性电路中的非接地导体,这种电磁波会引起静电,并在放电、击穿、复合或中和发生之前产生静电。高速电路,就其本质而言,往往非常容易受到高频信号的影响,例如来自附近的ESD事件的那些信号。
静电场强(Eo)与间隙宽度δ处的电荷电压(V)成正比。间隙宽度δ由Paschen's定律定义,但在每个放电条件下可能变化。电场强度Eo=V/δ,其中V从0.5kV到30kV,δ为5μm到10mm,可以产生高达6GV/m的电场强度。这种极高的场强可归因于较小的间隙宽度,δ=5μm。值得注意的是,ESD的弧长对其干扰的影响大于对其电压的影响[7]。

3. EMI
An 电磁干扰(EMI)是一种不受欢迎的电磁能量(无论是有意还是无意产生),几乎所有频率和能量水平。当不良电压或电流对电子电路或系统的性能产生不利影响时,EMI就被定义为存在的。ESD的辐射电磁能源在当今的工厂中非常普遍,从家具静电、地板静电、人体静电、手持工具箱静电和金属间的静电[3、4、6、7]。EMIs,即EMI的总和,随着时间的推移,可以在耦合在容性电路中的不接地导体上产生电荷(静态电压),也就是一个隔离电容。更常见的情况是一个单一的ESD诱发的EMI,它可以破坏逻辑电路并导致系统错误。如果静电放电流过金属导体,产生电磁辐射,其上升速度会被保持。

解决方法

  • 假设所有电子设备分别容易受到ESD和EMI的损坏或逻辑错误状态的影响,并采取适当的预防措施。
  • 适当地接地孤立导体和在有源导体附近使用接地平面将尽量减小这些影响。
  • 屏蔽已知的发射设备将有所帮助,但最大的问题是未知的发射源。因此,屏蔽这些敏感的逻辑器件,将有助于对抗电磁干扰引起的逻辑错误。在设备级启动屏蔽,因为它比在系统级要便宜。
  • 减少相互连接的设备和系统之间的接地回路区域。在可能的情况下,在管道、电缆桥架或电缆管道内铺设相互连接的电缆线。不要把多余的电缆卷成螺旋形,而要前后折叠,以衬托天线增益。
  • 金属到金属的放电总是会产生最大的电流导数(di/dt),从而产生最强的电磁干扰场。将孤立导体视为带电装置,用电耗散材料(R>104欧姆)将其接地。这将减缓从传导ESD的能量转移,导致由此产生的EMI对于任何活跃的近场或远场系统都是微不足道的。

结论

高能ESD可以驱动大量的EMI能量去耦合和充电无源电路,或者给存在严重系统问题的有源电路充电。涉及屏蔽设计的电磁兼容做法通常考虑来自已知来源的电磁干扰,但也应考虑未计划的来源,如在有源或敏感系统附近的静电放电事件。
由于当今的逻辑器件具有较小的噪声裕度和不确定的工作范围,在设计和实现包含逻辑电路的系统时,应该考虑到ESD引起的EMI的易感性。

References:
R. C. Allen, "Controlling Workstation Discharge Times", Evaluating Engineering, Jan. 1998, pp. 88-92.
G. Chase, "EMI from ESD – An Insidious Alliance", NARTE News, Vol. 14, No 1, 1996, p 22.
Smith, "A New Type of Furniture ESD and Its Implications", EOS/ESD Symposium Proceedings, EOS-15, 1993.
Y. Tonoya, K. Watanabe, and M. Honda, "Impulsive ESD Noise Occurred from an Office Chair", EOS/ESD Symposium Proceedings, EOS-15, 1993.
S. Podgroski, J. Dunn, & R. Yeo, "Study of Picosecond Rise Time in Human-Generated ESD", Proc. IEEE Int. Symp. Electromagnetic Compatibility, Cherry Hill, NJ, Aug. 12-16, 1991, pp. 263-264.
Y. Tonoya, K. Watanabe, and M. Honda, "Impulsive EMI Effects from ESD on Raised Floor", EOS/ESD Proceedings, EOS-16, 1994.
D. Pommerenke, "Transient Fields of ESD", ESO/ESD Symposium, pp. 150-159, 1994.
R. C. Dorf, The Electrical Engineering Handbook, 2nd Edition, CRC Press, pp. 1773-1777, 1997
J. Silberberg, "What Can/Should We Learn from Reports of Medical Device Electromagnetic Interference?", FDA, Rockville, EMBC95 paper 10.2.1.3, 1995

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