业余无线电与静电防护


给昂贵的的电子元件一线生机

作者:比尔·里斯(Bill Reese),呼号是W8WER

翻译:LifeWieller

本文已发表于《电子制作》2015年7月刊

你有过接触门把手时候被电到过么?或者把衣服从烘干机里拿出来的时候听到噼里啪啦的声音?是的——这就是每个人都听说过的静电。“静”表示是在静态状态下的电荷,即你的手指和门把手之间的电势差。不同电势的物体接触时候产生电火花称为静电放电,即ESD。如果静电放电不是发生在手与门把手之间,而是发生在手与元件之间的话就可能损坏元件。这种损坏可能在不经意间发生,因为人能感觉到的静电放电电压最低约2000V,而造成元件损坏的电压最低只要20V。

我需要担心么?

不同元件对静电敏感度不同。无源元件,如电阻,电容,稳压二极管等对ESD不敏感;双极晶体管和整流二极管根据型号不同对ESD不敏感或轻度敏感;所有金属氧化物半导体(MOS)器件都对ESD敏感,特别是微处理器、存储芯片,由于其芯片线宽非常细,因此对ESD非常敏感。

通常静电电荷通过摩擦产生和积累,鞋和地毯、烘干机中的衣物之间,甚至穿在身上的衣服之间相互摩擦都会积累静电电荷。当你走在地毯上时,鞋子和地毯摩擦,两者分别带上异性电荷。当你的手指和门把手接近时,在电场的作用下,门把手尖端上的同性电荷会被你手上的电荷排斥,异性电荷会在尖端积累。当你手的距离和门把手足够近时,电荷会击穿空气绝缘,发生静电放电。因为门把手是金属的,摩擦门把手不会积累静电电荷,但如果你已经携带足够的电荷,静电放电就会在你接触门把手瞬间发生。同样,如果你携带足够的电荷,静电放电也会在你接触元件的时候发生。

你可能会说,我从没遇到过因ESD导致的元件失效。但是你或许会遇到过这样的情况:原本正常工作的设备一段时间之后突然不能正常工作了。或许你会把原因归结于闪电或劣质元器件,但除此之外,ESD也是导致元件损坏的重要原因。ESD可能不会立即损坏元件,但会导致元件性能减弱,或者过早失效。

工业上预防ESD的措施

电子装配工厂对于控制ESD非常重视。他们最重要的的控制措施就是保证所有材料和工具(包括人体)的电势相等。图1是典型的ESD安全的工作台,工作台通过1MΩ电阻接地,表面材料可以以适当的速度泄放掉静电电荷,不会产生浪涌。操作员需要佩戴防静电手环,穿防静电衣。防静电手环通过1MΩ电阻和工作台连接至同一接地点,防静电衣使用能够泄放静电的材料制成,可以防止衣物摩擦产生的静电电荷积累。工作台地面覆盖有静电泄放材料,配合能够泄放电荷的鞋子,可以使不能佩戴防静电手环的操作员保持接地。

除此之外,电子装配工厂还需要其他措施防止静电危害。工作台需要使用ESD安全的烙铁,烙铁头部需要接地;所有元器件包装使用防静电材料,不能使用普通塑料;纸张放在防静电袋里;笔记本封面采用防静电材料制作;甚至需要使用特殊洗手液。防静电手环需要定期使用测试仪检测是否正常工作,工作台表面也需要定期检测是否仍具有泄放电荷功能。

个人预防ESD的措施

虽然有些爱好者可以为自己的实验室配备全套ESD安全的工具,但其高昂的成本并不能为多数人接受。那么,怎么样才能保证自己的实验室ESD安全呢?图2是保证你和你的工作台保持相同电势的一种方法。图中的工作台是常见的木制工作台,表面铺了一层防静电垫。照片中的防静电垫由3M制造,约70美元【注释1:www.3m.com】,在DESCO【注释2:www.desco.com】有类似的垫子卖。除此之外,我还买了防静电手环(防静电手环有两种,松紧带样式的和伸缩式的,我买的是伸缩式的。两种效果一样,只取决于个人喜好。),是从DESCO买的,约30美元。烙铁是Edsyn 951SX,ESD安全烙铁。Weller也有类似的烙铁【注释3:www.edsyn.com,注释4:www.cooperhandtools.com/brands/weller】。所有这些都可以从Digi-key,Mouser或Contact East/Jensen之类的经销商购买【注释5:www.digikey.com,注释6:www.mouser.com,注释7:www.stanleysupplyservices.com】。

——合适的接地措施

为在消除ESD同时保证安全,合适的接地措施是十分重要的。没有人愿意在带上防静电手环的时候被静电放电电到。防静电手环通常通过1MΩ电阻接地,以限制带上手环瞬间的静电放电电流,检查你的手环,确保它们是这样连接的。串联的电阻不但可以保证你的安全,也可以保护你的电子设备。为保证接地效果,防静电手环和防静电垫需要通过同一接地点接地。许多防静电垫提供接地连接点可供手环连接,如图3所示。对于防静电垫,有很多方法可以将其接地。如果你的电源插座带接地线,你可以把防静电垫接到地线上。Ideal Industries生产的一种插头可以提供一个香蕉座,用来连接防静电垫和手环【注释8:www.idealindustries.com】,这种插头同时可以指示插座零火线是否连接正确。这个插头在Contact East/Jensen的编号是61-046,价格是31美元,手环需要另外购买,价格是10美元。对于没有专用实验台,或者不想把实验台一直接地的爱好者来说这个插头十分方便。如果防静电垫和手环连接的不是电源插座的接地线,在某些情况下会不安全。DESCO的技术公告,TB-2007,Safe Grounding of Static-Controlled Workstations对于接地方面有更详细的说明,公告可在其网站下载。

——小心触电

另外一点需要特别注意的是,只有在焊接电路或使用低电压工具时才需要戴防静电手环。如果你需要操作使用市电的工具,记得取下手环以避免可能的触电危险!

——细节也很重要

相比于正确使用防静电垫和防静电手环,合理安排工作空间及穿合适的衣服同样重要。如果买来的元件使用普通塑料袋包装,在带入工作区之前需要先将元件取出(防静电袋看起来通常是深灰色的,表面带有ESD-Safe标志);如果你需要参考杂志或书中的电路图,将它们远离你正在进行的制作;穿棉制衣服,因为棉花本身就可以泄放掉静电电荷,而羊毛或合成纤维的衣服容易产生并积聚电荷;避免过于宽松的衣服,以防止衣服下垂接触元件或工件;不要让宠物接触工件,因为皮毛容易产生静电,也不要让家人随意触动;有条件可以使用ESD安全的烙铁;在选购工具时,选择带有ESD安全标志的工具,同时可以买一些防静电袋,用来保存元件及未完成的工件。

我的工作台是买来的工业淘汰的防静电工作台,所以我没有使用防静电垫。工作台表面和手环相连,并直接和电源插座地线相连,在我身后是Edsyn烙铁,如图5所示。

是否需要担心ESD问题和你制作中用到的元器件有关。如果你只用到电阻,电容和双极晶体管,那么不需要太担心ESD问题;相反,如果你用到了MOSFET,微处理器,存储芯片等,或者考虑使用新型器件,那么就需要合适的预防ESD措施。

感谢

感谢Ideal Industries公司的罗宾·富兰克林(Robin Franklin)提供的Stat-Gard ESD接地套件的照片;感谢Tyco Electronics/Hartman公司的Greg Ryshen帮助检查本文技术方面准确性;感谢Ora Remmer允许我拍摄她的工作室。

 

威廉·里斯(William Reese)【此处怀疑是原文错误,应为比尔·里斯(Bill Reese)】,呼号是W8WER,在1976年第一次获得电台执照,并使用呼号WB8ZRN进行通联。目前比尔持有业余高级电台执照。比尔于1968年获得俄亥俄州立大学电气工程学士学位,是一名注册专业工程师,目前任职于Tyco Electronics/Hartman公司,担任高级项目工程师职位,在任职期间曾为航空航天工业设计过大功率机电接触器和电子电力监测仪。比尔活跃在城际业余无线电俱乐部,任技术委员会主席,并持有俱乐部一台中继台许可证。比尔的地址是2651 Bell Rd, Mansfield, OH, 44904,电子邮箱是w8wer@arrl.net

图1:Ora Remmer正在工业级的ESD安全工作台前,演示ESD防护措施。

图2:ESD安全的防静电垫和防静电手环,图中是我制作样机使用的工作台。

图3:随3M防静电垫附带的等电势接地连接点,图中已经连接防静电手环。

图4:Ideal Industries 61-046 Stat-Gard静电接地套装,可以方便的为手环和防静电垫提供接地点。

图5:作者的工作台。工作台是购买的工业淘汰的防静电工作台,图中可见防静电手环和ESD安全的烙铁。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

此站点使用Akismet来减少垃圾评论。了解我们如何处理您的评论数据