電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策課件

1、電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策中國賽寶（總部）實驗室 （中國電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境實驗研究所） 朱文立 中國賽寶（總部）實驗室有愛電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策中國賽寶（總部）實驗室 （中國電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境實驗研究所） 朱文立 中國賽寶（總部）實驗室0. 前言 靜電是人們?nèi)粘Ｉ钪幸环N司空見慣的現(xiàn)象； 靜電的許多功能已經(jīng)應(yīng)用到軍工或民用產(chǎn)品中：如：靜電除塵、靜電噴涂、靜電分離、靜電復(fù)印等。 靜電放電（ESD）卻又成為電子產(chǎn)品和設(shè)備的一種危害，造成電子產(chǎn)品和設(shè)備的功能紊亂甚至

2、部件損壞。 一個操作員在正常的設(shè)備操作中也可能因衣服或皮膚帶有危害的電荷而使機(jī)器運(yùn)行紊亂，甚至損壞硬件設(shè)備。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策0. 前言（續(xù)一） 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件的規(guī)模越來越大，工作電壓越來越低，導(dǎo)致了半導(dǎo)體器件對外界電磁騷擾敏感程度也大大提高。 ESD對于電路引起的干擾、對元器件、CMOS電路及接口電路造成的破壞等問題越來越引起人們的重視。 電子設(shè)備的ESD也開始作為電磁兼容性測試的一項重要內(nèi)容寫入國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)。 下面就ESD的形成機(jī)理、對電子產(chǎn)品的危害及ESD敏感度測試、電路設(shè)計對策等與大家共同探討。 電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策一、靜電放電（ESD）機(jī)理及其

3、危害 靜電是兩種介電系數(shù)不同的物質(zhì)磨擦?xí)r，正負(fù)極性的電荷分別積累在兩個物體上而形成： 當(dāng)兩個物體接觸時，其中一個趨于從另一個吸引電子，因而二者會形成不同的充電電位。 摩擦起電是機(jī)械過程，依靠相對表面移動傳送電量。 傳送的電量取決于接觸的次數(shù)、表面粗糙度、濕度、接觸壓力、摩擦物質(zhì)的摩擦特性以及相對運(yùn)動速度。 兩個帶上電荷的物體也就成了靜電源。 就人體而言，衣服與皮膚之間的磨擦發(fā)生的靜電是人體帶電的主要原因之一。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策一、ESD機(jī)理及其危害（續(xù)一） 靜電源跟其它物體接觸時，依據(jù)電荷中和的原則，存在著電荷流動，傳送足夠的電量以抵消電壓。這個高速電量的傳送過程中，將產(chǎn)生潛

4、在的破壞電壓、電流以及電磁場，嚴(yán)重時將其中物體擊毀。這就是靜電放電。 國家標(biāo)準(zhǔn)是這樣定義的：“靜電放電：具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移（GB/T4365-1995）”，一般用ESD表示。 ESD會導(dǎo)致電子設(shè)備嚴(yán)重地?fù)p壞或操作失常。半導(dǎo)體專家以及設(shè)備的用戶都在想辦法抑制ESD。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策一、ESD機(jī)理及其危害（續(xù)二） 在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用過程中，操作者是最活躍的靜電源。 當(dāng)人體穿著絕緣材料的織物，并且鞋也是對地絕緣的時候，人在地面上運(yùn)動，就可能積累一定數(shù)量的電荷，當(dāng)人體接觸與地相連的元件、裝置的時候就會產(chǎn)生靜

5、電放電。 現(xiàn)以人體為例，計算人體的帶電情況。 當(dāng)人們穿著化纖織物時，人體運(yùn)動的充電電流約 107106A，總的充電電荷約（0.15）X106庫侖，人體對地的電容約150250pF，若以電荷3X106庫侖計，則充電電壓可達(dá)525kV。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策一、ESD機(jī)理及其危害（續(xù)三） 人體的靜電放電模型可用電阻和電容的串聯(lián)來模擬： 設(shè)人體電阻R=500， 人體電容C=300pF， 人體帶靜電電壓U=10kV， 則靜電所含能量為： W=1/2（CU2）15（mJ）電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策一、ESD機(jī)理及其危害（續(xù)四） 盡管靜電電壓高達(dá)

6、10kV，但能量僅15mJ，對人體沒傷害； 但當(dāng)人手去觸摸設(shè)備的金屬部分時會產(chǎn)生火花放電，瞬間的脈沖峰值很高，很可能對電子電路產(chǎn)生干擾或破壞。 本例中放電電流的峰值為： IPUR=20（A）； 放電時間很短，可近似為：TdRC150（ns）， 這對于MOS電路來說，則將受到致命打擊。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策一、ESD機(jī)理及其危害（續(xù)五） 大多數(shù)半導(dǎo)體器件都很容易受靜電放電而損壞，特別是大規(guī)模集成電路器件更為脆弱。 通常以半導(dǎo)體器件中管結(jié)與絕緣層被靜電放電擊穿的靜電電壓值來表示半導(dǎo)體器件的易損性。 常見的半導(dǎo)體器件對靜電放電的易損值為（1003000）V。 表1 列出了常見器件的易損

7、參考值。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策一、ESD機(jī)理及其危害（續(xù)六） 靜電不加以防范的話，很容易將電路毀壞。 靜電對器件造成的損壞有顯性的和隱性的兩種。 隱性損壞在當(dāng)時看不出來，但器件變得更脆弱，在過壓、高溫等條件下極易損壞。 ESD兩種主要的破壞機(jī)制是： 由于ESD電流產(chǎn)生熱量導(dǎo)致設(shè)備的熱失效； 由于ESD感應(yīng)出高的電壓導(dǎo)致絕緣擊穿。 兩種破壞可能在一個設(shè)備中同時發(fā)生，例如：絕緣擊穿可能激發(fā)大的電流，這又進(jìn)一步導(dǎo)致熱失效。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策一、ESD機(jī)理及其危害（續(xù)七） 除容易造成電路損害外，靜電放電也極易對電子電路造成干擾。 靜電

8、放電對電子電路的干擾有二種方式： 一種方式是傳導(dǎo)干擾 一種方式是輻射干擾電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策一、ESD機(jī)理及其危害（續(xù)八）傳導(dǎo)方式： 若電路的某個部分構(gòu)成了放電路徑，即靜電放電電流直接侵入設(shè)備內(nèi)的電路： 例如人手去觸摸印制板上的軌線、管腳、設(shè)備的I/O接口端子、同軸插座的芯線等等 靜電放電電流流過集成片的輸入端，造成干擾。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策一、ESD機(jī)理及其危害（續(xù)九） 輻射干擾：即靜電放電時伴隨火花產(chǎn)生了尖峰電流，這種電流中包含有豐富的高頻成分。從而將輻射磁場和電場，磁場能夠在附近電路的各個信號環(huán)路中感應(yīng)出干擾電動勢。 由

9、于在很短時間內(nèi)發(fā)生較大的電流變化（上例中150ns內(nèi)電流變化20A），所以在信號環(huán)路中產(chǎn)生的干擾電動勢很可能超過邏輯電路的閥值電平，引起誤觸發(fā)。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策一、ESD機(jī)理及其危害（續(xù)十） 輻射干擾大小還取決于電路與靜電放電點(diǎn)的距離。 靜電放電產(chǎn)生的磁場隨距離的平方衰減。 靜電放電產(chǎn)生的電場可以被印制板上的軌線，設(shè)備的I/O線接收，從而產(chǎn)生干擾。 電場的瞬時峰值很高可達(dá)幾百至幾千伏米，但隨距離立方衰減。 當(dāng)距離較近時，無論是電場還是磁場都是很強(qiáng)的。 在靜電放電位置附近的電路一般會受到影響。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策一、ESD機(jī)理及其危害（續(xù)十一） ESD在近場，

10、輻射耦合的基本方式可以是電容或電感方式，取決于ESD源和接受器的阻抗。 在高阻電路中，電流信號很小，信號用電壓電平表示，此時電容耦合將占主導(dǎo)地位，ESD感應(yīng)電壓為主要問題。 在低阻電路中，信號主要電流形式，因而電感耦合占主導(dǎo)地位，ESD感應(yīng)電流將導(dǎo)致大多數(shù)電路出現(xiàn)的問題。 在遠(yuǎn)場，則存在電磁場耦合。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策4kV靜電放電在不同距離產(chǎn)生的電磁場電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策一、ESD機(jī)理及其危害（續(xù)十二） 與ESD相關(guān)的電磁干擾（EMI）能量上限頻率可以超過1GHz； 取決于電平、相對濕度、靠近速度和放電物體的形狀。 在這個頻率上，典型的設(shè)備電纜甚至印制板上的走

11、線會變成非常有效的接收天線。 因而，對于典型的模擬或數(shù)字電子設(shè)備，ESD會感應(yīng)出高電平的噪聲。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策一、ESD機(jī)理及其危害（續(xù)十三） 使設(shè)備產(chǎn)生損壞比導(dǎo)致它失常所必需的電壓和電流要大一至兩個數(shù)量級。 損壞更有可能在傳導(dǎo)耦合時產(chǎn)生。這就是說，造成損壞，ESD電火花必須直接觸電路線。 輻射耦合通常只導(dǎo)致失常。 在ESD作用下，電路中的器件在通電條件下比不通電條件下更易損壞。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策二、電子產(chǎn)品ESD測試及要求 從第一節(jié)的敘述中我們了解ESD對電子產(chǎn)品的危害。 隨著電子產(chǎn)品的復(fù)雜程度和自動化程度越來越高，電子產(chǎn)品的ESD敏感度也越高，電子產(chǎn)品

12、抵御ESD干擾的能力已經(jīng)成為電子產(chǎn)品質(zhì)量好壞的一個重要因素。 那么如何來衡量電子產(chǎn)品抗ESD干擾的能力？ 通過靜電放電抗擾度試驗可以檢測這種能力。 為此越來越多的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)將靜電放電抗擾度試驗作為推薦或強(qiáng)制性內(nèi)容納入其中。 電子設(shè)備的靜電放電抗擾度試驗也作為電子設(shè)備電磁兼容性測試一項重要內(nèi)容列入國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策二、電子產(chǎn)品ESD測試及要求（續(xù)一） 對不同使用環(huán)境、不同用途、不同ESD敏感度的電子產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對ESD抗擾度試驗的要求是不同的。 但這些標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于ESD抗擾度試驗大多都直接或間接引用GB/T17626.2-1998 （idt IEC 61000-4-2

13、:1995）：電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗這一國家電磁兼容基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，并按其中的試驗方法進(jìn)行試驗。 下面就簡要介紹一下該標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容、試驗方法及相關(guān)要求。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策2.1 試驗對象： 該標(biāo)準(zhǔn)所涉及的是處于靜電放電環(huán)境中和安裝條件下的裝置、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和外部設(shè)備。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策2.2 試驗內(nèi)容： 靜電放電的起因有多種，但該標(biāo)準(zhǔn)主要描述在低濕度情況下，通過摩擦等因素，使操作者積累了靜電， 電子和電氣設(shè)備遭受直接來自操作者的靜電放電和對臨近物體的靜電放電時的抗擾度要求和試驗方法。 對電子產(chǎn)品而言，因操作者的靜電放電造成受設(shè)備干擾或損壞的幾率

14、相對其他靜電放電起因大得多。 若電子產(chǎn)品能提高針對因操作者的靜電放電的抗擾性，則針對因其他因素的靜電放電的抗擾性也會有相應(yīng)的提高。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策2.3 試驗?zāi)康模?試驗單個設(shè)備或系統(tǒng)的抗靜電干擾的能力。 它模擬：（1）操作人員或物體在接觸設(shè)備時的放電。（2）人或物體對鄰近物體的放電。 電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策 2.4 ESD的模擬： 下圖ESD發(fā)生器的基本線路其中高壓真空繼電器是目前唯一的能夠產(chǎn)生重復(fù)與高速的放電波形的器件（放電開關(guān)）。放電線路中的儲能電容CS代表人體電容，現(xiàn)公認(rèn)150pF比較合適。放電電阻Rd為330，用以代表手握鑰匙或其他金屬工具的人體電阻

15、。 現(xiàn)已證明，用這種放電狀態(tài)來體現(xiàn)人體放電的模型是足夠嚴(yán)酷的。 電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策2.4 ESD的模擬（續(xù)一） 下面為ESD發(fā)生器的放電電流的波形參數(shù)及波形。 圖中Im表示電流峰值，上升時間tr=（0.71）ns。 電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策2.5 試驗方法 該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗方法有兩種：接觸放電法和空氣放電法。 接觸放電法：試驗發(fā)生器的電極保持與受試設(shè)備的接觸并由發(fā)生器內(nèi)的放電開關(guān)激勵放電的一種試驗方法。 空氣放電法：將試驗發(fā)生器的充電電極靠近受試設(shè)備并由火花對受試設(shè)備激勵放電的一種試驗方法。

16、接觸放電是優(yōu)先選擇的試驗方法，空氣放電則用在不能使用接觸放電的場合中。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策2.6 試驗等級及其選擇： 試驗電平以最切合實際的安裝環(huán)境和條件來選擇，表2提供了一個指導(dǎo)原則。表2同時也給出了靜電放電試驗等級的優(yōu)先選擇范圍，試驗應(yīng)滿足該表所列的較低等級。 標(biāo)準(zhǔn)中接觸放電之所以可以用比較低的試驗電壓來進(jìn)行試驗，是因為接觸放電有著極其陡峭的上升時間，其諧波成分更豐富，對設(shè)備的考核也更嚴(yán)格。 等級的選擇取決于環(huán)境等因素，對具體的產(chǎn)品來說，往往已在相應(yīng)的產(chǎn)品或產(chǎn)品族標(biāo)準(zhǔn)中加以規(guī)定。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、

17、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策2.7 試驗環(huán)境 對空氣放電該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了環(huán)境條件： 環(huán)境溫度：1535、 相對濕度：30%60%RH、 大氣壓力：86kPa106kPa 對接觸放電該標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定特定的環(huán)境條件。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策2.8 試驗布置 該標(biāo)準(zhǔn)對試驗布置也做出了詳細(xì)的規(guī)定，下圖所示為臺式設(shè)備的試驗布置示意圖。 在木桌上放置一個 1.6m0.8m的金屬板，這作為水平耦合板，可以對這個金屬板直接放電。另外在距 EUT 0.1m的地方還要垂直放置一塊0.5m0.5m的金屬板。這塊金屬板與水平的金屬板要相互絕緣。這作為垂直耦合用。 受試設(shè)備距離水平板邊緣的距離不

18、能小于0.1m。當(dāng)EUT較大時，可增加一塊水平耦合板，但不能搭接起來，而要距離0.3m，短邊相鄰，通過電阻和銅片連到公共地上。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策2.9 試驗實施 實施部位：直接放電施加于操作人員在正常使用受試設(shè)備時可能接觸到的點(diǎn)或面上；間接放電施加于水平耦合板和垂直耦合板。 直接放電模擬了操作人員對受試設(shè)備直接接觸時發(fā)生的靜電放電情況。 間接放電則是對水平耦合板和垂直耦合板進(jìn)行放電，模擬了操作人員對放置于或安裝在受試設(shè)備附近的物體放電

19、時的情況。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策2.9 試驗實施（續(xù)一） 直接放電時，接觸放電為首選形式。 只有在不能用接觸放電的地方（如表面涂有絕緣層，計算機(jī)鍵盤縫隙等情況）才改用氣隙放電。 試驗中一般以1次/秒的速率進(jìn)行放電，以便讓設(shè)備對試驗來得及響應(yīng)。 對選定點(diǎn)以正極性或負(fù)極性中最敏感的極性至少施加10次單次放電。 另外正式試驗前可用20次/秒的放電速率，對被試設(shè)備表面很快掃視一遍，目的是找出設(shè)備對靜電放電敏感的部位。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策2.9 試驗實施（續(xù)二） 間接放電：選用接觸放電，試驗次數(shù)、試驗間隔及試驗極性同直接放電。 試驗電壓由低等級到高等級逐漸增加到規(guī)定值。（由

20、于被測設(shè)備與實驗電壓可能存在非線形關(guān)系，高等級通過有時并不能確保低等級也能通過） 不同的產(chǎn)品或產(chǎn)品族標(biāo)準(zhǔn)對試驗的實施可能根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)有特定的規(guī)定。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策2.10 試驗結(jié)果 靜電放電可能產(chǎn)生的如下后果： （1）直接通過能量交換引起半導(dǎo)體器件的損壞。 （2）放電所引起的電場與磁場變化，造成設(shè)備的誤動作。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策2.10 試驗結(jié)果（續(xù)一） 對不同試驗結(jié)果，可以根據(jù)該產(chǎn)品的工作條件和功能規(guī)范按以下內(nèi)容分類：A：技術(shù)要求范圍內(nèi)的性能正常；B：功能暫時降低或喪失，但可自行恢復(fù)性能；C：功能暫時降低或喪失，要求操作人員干預(yù)或系統(tǒng)復(fù)位；D：由于設(shè)備（

21、元件）或軟件的損壞或數(shù)據(jù)的喪失，而造成不可恢復(fù)的功能降低或喪失。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策2.10 試驗結(jié)果（續(xù)二） 符合A的產(chǎn)品，試驗結(jié)果判合格。這意味著產(chǎn)品在整個試驗過程中功能正常，性能指標(biāo)符合技術(shù)要求。 符合B的產(chǎn)品，試驗結(jié)果應(yīng)視其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品使用說明書或者試驗大綱的規(guī)定，當(dāng)認(rèn)為某些影響不重要時，可以判為合格。 符合C的產(chǎn)品，試驗結(jié)果除了特殊情況并且不會造成危害以外，多數(shù)判為不合格。 符合D的產(chǎn)品判別為不合格。 符合B和C的產(chǎn)品試驗報告中應(yīng)寫明B類或C類評判依據(jù)。符合B類應(yīng)記錄其喪失功能的時間。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策三 電子產(chǎn)品的靜電放電對策及設(shè)計要點(diǎn) 有很多辦

22、法減小ESD產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）影響電子產(chǎn)品或設(shè)備： 完全阻止ESD產(chǎn)生； 阻止EMI（本文中專指因ESD產(chǎn)生的EMI）耦合到電路或設(shè)備； 以及通過設(shè)計工藝增加設(shè)備固有的ESD抗擾性。 在一個環(huán)境中控制ESD產(chǎn)生及阻止ESD耦合是有可能實現(xiàn)的。 但是對于電子產(chǎn)品本身而言，必須通過設(shè)計及工藝來增強(qiáng)產(chǎn)品的ESD抗擾性。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策三 電子產(chǎn)品的ESD對策及設(shè)計要點(diǎn)(續(xù)一) 一個良好的電子設(shè)備應(yīng)該在電路設(shè)計的最初階段就考慮瞬態(tài)保護(hù)要求。 ESD通常發(fā)生在產(chǎn)品自身暴露在外的導(dǎo)電物體，或者發(fā)生在鄰近的導(dǎo)電物體上。 對設(shè)備而言，容易產(chǎn)生靜電放電的部位是：電纜、鍵盤及暴露在外的金

23、屬框架。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策三 電子產(chǎn)品的ESD對策及設(shè)計要點(diǎn)(續(xù)二) 常用的設(shè)計方法是在產(chǎn)品ESD發(fā)生或侵入危險點(diǎn)，例如輸入點(diǎn)和地之間設(shè)置瞬態(tài)保護(hù)電路。 這些電路僅僅在ESD感應(yīng)電壓超過極限時發(fā)揮作用，例如：電壓箝位電路阻止高壓進(jìn)入電路內(nèi)部，同時提供大電流分流通道，系統(tǒng)存儲的電荷可以由這些通道安全地流入地。 保護(hù)電路可以包括多個電流分流單元：在工作時間，其中的一個單元能迅速打開，分流ESD電流，直到第二個更強(qiáng)力的單元被激活。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策三 電子產(chǎn)品的ESD對策及設(shè)計要點(diǎn)(續(xù)三) 有多種電路設(shè)計可以達(dá)到ESD保護(hù)的目的

24、，但選用時必須考慮以下原則，并在性能和成本之間加以權(quán)衡：速度要快，這是ESD干擾的特點(diǎn)決定的；能應(yīng)付大的電流通過；考慮瞬態(tài)電壓會在正、負(fù)極性兩個方向發(fā)生；對信號增加的電容效應(yīng)和電阻效應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)；考慮體積因素；考慮產(chǎn)品成本因素。 產(chǎn)品設(shè)計中抑制ESD干擾的方法大致有以下幾種：電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策 3.1 外殼設(shè)計： 外殼在人手和內(nèi)部電路間建立隔離層，阻止ESD的發(fā)生。 金屬外殼同時也是阻止EMI輻射及傳導(dǎo)耦合的關(guān)鍵。 一個完整的封閉金屬殼能在輻射噪聲中屏蔽電路。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策 3

25、.1 外殼設(shè)計（續(xù)一） 由于從電路到屏蔽殼體的ESD副級電弧可能產(chǎn)生傳導(dǎo)耦合，因而一些外殼設(shè)計使用絕緣體，在絕緣殼中，放置一個金屬的屏蔽體。 這種設(shè)計的好處：可以防止因操作者對金屬外殼的直接接觸放電造成干擾；可以防止操作者對周圍物體放電時形成的EMI耦合到內(nèi)部形成干擾；在操作者對外殼的孔、洞、縫隙放電時給放電電流一個泄放通道，防止對內(nèi)部電路直接放電。 這種做法的簡化是在設(shè)備金屬外殼上涂絕緣漆或貼一層絕緣物質(zhì)，使絕緣能力大于20kV。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.1 外殼設(shè)計（續(xù)二） 因為靜電會穿過孔洞、縫隙放電，所以絕緣外殼的孔洞、縫隙與內(nèi)部電路間

26、應(yīng)留有足夠的空間。 2cm左右的空氣隙可以阻止靜電放電的發(fā)生。 對外殼上的孔、洞、排氣口等，用幾個小孔代替一個大孔，從EMI抑制的角度來說更好。 為減小EMI噪聲，縫隙邊沿每隔一定距離處使用電連接。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策 對金屬外殼而言，外殼各部分之間的搭接非常重要！ 若機(jī)箱兩部分之間的搭接阻抗較高，當(dāng)ESD電流流過搭接點(diǎn)時，會產(chǎn)生電壓降： 如果電路利用這個機(jī)箱作為公共地，則意味著不同電路的參考電位會不同，這可能會影響電路的正常工作； 即使不共地，而是電路與金屬外殼隔離，金屬殼上的電位差通過電路與殼體之間的寄生電容會在電路上產(chǎn)生電位差，從而影響電路的工作。3.1 外殼設(shè)計（續(xù)三）

27、電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.1 外殼設(shè)計（續(xù)四） 為了避免這種情況的發(fā)生，可以采取兩個辦法：一是減小機(jī)箱兩部分之間的搭接阻抗；另一個辦法是采用單點(diǎn)接地。 這里還要注意：靜電放電電流的頻率很高（頻率上限可達(dá)1GHz），普通連接方式絕不意味著在這樣高的頻率下具有較低的阻抗。 一定要按照搭接的規(guī)范進(jìn)行搭接設(shè)計，才能夠保證對ESD具有真正低的阻抗。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.1 外殼設(shè)計（續(xù)五） 解決這個問題的方法有兩個：1）盡量使外殼保持導(dǎo)電連續(xù)，減少搭接阻抗。2）在電路與機(jī)箱之間增加一層屏蔽，減小電路與機(jī)箱之間的電容耦合。內(nèi)層屏蔽要與外殼

28、連接起來。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.1 外殼設(shè)計（續(xù)六） 如果是塑料外殼，則要求對電路的接地進(jìn)行仔細(xì)布置，以防止放電電流感應(yīng)到電路上去。 塑料外殼的優(yōu)點(diǎn)是不會產(chǎn)生直接放電現(xiàn)象。 如果塑料外殼上沒有大的開孔，則塑料外殼能對電路起到保護(hù)作用。 但塑料外殼對防止操作者對周圍物體放電時形成的EMI耦合到內(nèi)部形成干擾無抑制能力。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策 3.2 接地設(shè)計： 一旦發(fā)生了靜電放電，應(yīng)該讓其盡快旁路入地，不要直接侵入內(nèi)部電路。 例如：內(nèi)部電路如用金屬機(jī)箱屏蔽，則機(jī)箱應(yīng)良好接地，接地電阻要盡量小，這樣放電電流可以由機(jī)箱外層流入大地； 同時也可以將對周圍物體放電時形成的E

29、MI導(dǎo)入大地，不會影響內(nèi)部電路。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策 3.2 接地設(shè)計（續(xù)一） 對金屬機(jī)箱，通常機(jī)箱內(nèi)的電路會通過I/O電纜、電源線等接地。 當(dāng)機(jī)箱上發(fā)生靜電放電時，機(jī)箱的電位上升，而內(nèi)部電路由于接地，電位保持在地電位附近。 這時，機(jī)箱與電路之間存在著很大的電位差，這會在機(jī)箱與電路之間引起二次電弧。 由于沒有電阻限流，這個電弧產(chǎn)生的電流可能很大。使電路造成損壞。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.2 接地設(shè)計（續(xù)二） 當(dāng)外殼沒有接地時，機(jī)箱上的電位更高，可達(dá)到與靜電源相當(dāng)?shù)某潭取?因此屏蔽機(jī)箱應(yīng)接地。

30、通過增加電路與外殼之間的距離可以避免二次電弧的發(fā)生。 對于外殼接地的場合，間隙耐壓要達(dá)到1500伏； 對于未接地的場合，間隙耐壓要達(dá)到25000伏。 當(dāng)電路與外殼之間的距離不能增加時，可以在外殼與電路之間加一層接地的擋板，檔住電弧。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.2 接地設(shè)計（續(xù)三） 如果電路與機(jī)箱連在一起，則只應(yīng)通過一點(diǎn)連接，防止電流流過電路。 當(dāng)機(jī)箱上發(fā)生靜電放電時，機(jī)箱的電位升高，由于線路板與機(jī)箱連接在一起，電路板的電位也同時升高。 線路板與機(jī)箱連接的點(diǎn)應(yīng)在電纜人口處。 對塑料機(jī)箱，則不存在機(jī)箱接地的問題。 接地對I/O接口、保護(hù)電路等均很重要

31、，這些內(nèi)容在相關(guān)部分將詳細(xì)描述。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.3 電纜設(shè)計： 一個正確設(shè)計的電纜保護(hù)系統(tǒng)可能是提高系統(tǒng)ESD非易感性的關(guān)鍵。 作為大多數(shù)系統(tǒng)中的最大的“天線” I/O電纜特別易于被EMI感應(yīng)出大的電壓或電流。 從另一方面，如果電纜屏蔽同機(jī)殼地連接的話，電纜也對EMI提供低阻抗通道。 通過該通道EMI電量可從系統(tǒng)接地回路中釋放，因而可間接地避免傳導(dǎo)耦合。 為減少輻射EMI耦合到電纜：線長和回路面積要減??；應(yīng)抑制共模耦合；并且使用金屬屏蔽。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測

32、試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.3 電纜設(shè)計（續(xù)一） 對于I/O電纜可采用使用屏蔽電纜、共模扼流圈、過壓箝位電路及電纜旁路濾波器措施。 在電纜的兩端，電纜屏蔽必須與殼體屏蔽連接。 在互聯(lián)電纜上安裝一個共模扼流圈可以使ESD造成的共模電壓降在扼流圈上，而不是另一端的電路上。 由于ESD電流的上升時間很短，因此扼流圈的寄生電容必須最小化。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.3 電纜設(shè)計（續(xù)二） 兩個機(jī)箱之間用屏蔽電纜連接時，通過電纜的屏蔽層將兩個機(jī)箱連接在一起，這樣可以

33、使兩個機(jī)箱之間的電位差盡量小。 這里，機(jī)箱與電纜屏蔽層之間的搭接方式很重要。 下表是一組實驗數(shù)據(jù)：當(dāng)一個機(jī)箱上發(fā)生10000V的靜電放電時，另一個機(jī)箱上信號線與地之間的電壓隨著電纜屏蔽層的搭接方式不同而變化。 在實驗中，發(fā)生靜電放電一側(cè)的機(jī)箱與電纜屏蔽層之間360o搭接，而另一端采取不同的搭接方式。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.3 電纜設(shè)計（續(xù)三）屏蔽層搭接方式 信號線對地之間的電壓 無屏蔽層或屏蔽層與機(jī)箱不連接 500V 屏蔽層用導(dǎo)線與機(jī)箱連接 16V 屏蔽層焊接到連接器上， 連接器通過螺釘與機(jī)箱連接 2V 屏蔽層焊接到連接器上， 連接器與機(jī)箱之

34、間 360o搭接 1.25V 屏蔽層直接與機(jī)箱360o搭接 0.6V電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.3 電纜設(shè)計（續(xù)四） 如果讓包括電源線在內(nèi)的所有電纜都進(jìn)入同一區(qū)域的系統(tǒng)內(nèi)，并且使用獨(dú)立的輸入/輸出接地平板，那么該接地平板可把電纜上的放電電流旁路到安全地線。 由于靜電放電有很陡的上升沿（小于1ns），一些小的電感，甚至只有幾nH，它將呈現(xiàn)一定的阻抗。因此，采用安全地線，其高頻接地效果會受到一定的影響。 但這種接地技術(shù)對金屬機(jī)殼是常用的。 在電路系統(tǒng)中使用一些大面積的金屬結(jié)構(gòu)是有益處的，它既可以作為靜電放電電流的參考電位，也可以作為低感抗回路。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策 3.

35、4 鍵盤和面板： 鍵盤和控制面板的設(shè)計必須保證放電電流能夠直接流到地，而不會經(jīng)過敏感電路。 對于絕緣鍵盤，在鍵與電路之間要安裝一個放電防護(hù)器（如金屬支架），為放電電流提供一條放電路徑。 放電防護(hù)器要直接連接到機(jī)箱或機(jī)架上，而不能連接到電路地上。 當(dāng)然，用較大的旅鈕（增加操作者到內(nèi)部線路的距離）能夠直接防止靜電放電。鍵盤和控制面板的設(shè)計應(yīng)能使放電電流不經(jīng)過敏感電路而直接到地。采用絕緣軸和大旋鈕可以防止向控制鍵或電位器放電。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策 3.4 鍵盤和面板（續(xù)一） 現(xiàn)在，較多的電子產(chǎn)品面板采用薄膜按鍵和薄膜顯示窗，由于該薄膜由耐高壓的絕緣

36、材料構(gòu)成，可有效防止ESD通過按鍵和顯示窗進(jìn)入內(nèi)部電路形成干擾。 另外，現(xiàn)在大多數(shù)鍵盤的按鍵內(nèi)部均有由耐高壓的絕緣薄膜構(gòu)成的襯墊，可有效防止ESD的干擾。 建議在產(chǎn)品設(shè)計中盡量選用這種模式的鍵盤和面板，從而提高產(chǎn)品ESD抗擾性。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策 3.5 電路設(shè)計： 設(shè)備中不用的輸入端不允許處于不連接或懸浮狀態(tài)，而應(yīng)當(dāng)直接或通過適當(dāng)電阻與地線或電源端相連通。 一般來說，與外部設(shè)備連接的接口電路都需要加保護(hù)電路，其中也包括電源線，這一點(diǎn)往往被硬件設(shè)計所忽視。 以微機(jī)為例：應(yīng)該考慮安排保護(hù)電路的環(huán)節(jié)有：串行通信接口、并行通信接口、鍵盤接口、顯示接口等。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試

37、及其對策3.5 電路設(shè)計（續(xù)一） 濾波器（分流電容或一系列電感或兩者的結(jié)合）必須用在電路中以阻止EMI耦合到設(shè)備。 如果輸入為高阻抗，一個分流電容濾波器（使用雜散電感非常小的電容）最有效，因為它的低阻抗將有效地旁路高的輸入阻抗，分流電容越接近輸入端越好（在保護(hù)設(shè)備的管腳的34cm以內(nèi)）。 如果輸入阻抗低，使用一系列鐵氧體可以提供最好的濾波器，這些鐵氧體也應(yīng)盡可能接近輸入端。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.5 電路設(shè)計（續(xù)二） 在內(nèi)部電路上加強(qiáng)防護(hù)措施： 對于直接傳導(dǎo)的靜電放電干擾，可以在I/O接口處串接電阻或并聯(lián)二極管至正負(fù)電源端。 MOS管的輸入端串接100k電阻，輸出端串接1k電阻

38、，以限制放電電流量。 TTL管輸人端串接22100電阻，輸出端串接2247電阻。 模擬管輸入端串接100100k，并且加并聯(lián)二極管，分流放電電流至電源正或負(fù)極，模擬管輸出端串接100的電阻。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.5 電路設(shè)計（續(xù)三） 在I/O信號線上安裝一個對地的電容能夠?qū)⒔涌陔娎|上感應(yīng)的靜電放電電流分流到機(jī)箱，避免流到電路上。 但這個電容也會將機(jī)殼上的電流分流到信號線上。 為了避免這種情況的發(fā)生，可以在旁路電容與線路板之間安裝一只鐵氧體磁珠，增加流向線路板的路徑的阻抗。 需要注意的是，電容的耐壓一定要滿足要求。靜電放電的電壓可以高達(dá)數(shù)千伏。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對

39、策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.5 電路設(shè)計（續(xù)四） 一個瞬態(tài)防護(hù)二極管也能夠?qū)SD起到有效的保護(hù)。 但需要注意，用二極管雖然將瞬態(tài)干擾的電壓限制住了，但高頻干擾成分并沒有減少，該電路中一般應(yīng)有與瞬態(tài)防護(hù)二極管并聯(lián)的高頻旁路電容抑制高頻干擾。 在電路設(shè)計及電路板布線方面，應(yīng)采用門電路和選通脈沖。 這種輸入方式只有在靜電放電和選通同時發(fā)生時才能造成損壞。 而脈沖邊沿觸發(fā)輸入方式對ESD引起的瞬變很敏感，不宜采用。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.5 電路設(shè)計（續(xù)五） CMOS的襯底有寄生的PNPN器件。PNPN器件能起到可控硅（SCR）的作用。 如果電源電壓的變化率dVdt比較

40、高，可能發(fā)生“閉鎖”現(xiàn)象。 即在電源和地之間產(chǎn)生低阻通路，造成過熱，最終有可能導(dǎo)致器件的損壞。 一旦寄生的PNPN器件被導(dǎo)通，就需要斷開電源來解除PNPN導(dǎo)通現(xiàn)象。 因此在不影響電路正常工作的情況下，附加的限流電阻是必要的。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.5 電路設(shè)計（續(xù)六） 常用的瞬態(tài)抑制保護(hù)電路有以下幾種： (1) 箝位二極管保護(hù)電路。工作原理如圖所示。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.5 電路設(shè)計（續(xù)七） 使用2只二極管的目的是為了同時抑制正、負(fù)極性的瞬態(tài)電壓。 瞬態(tài)電壓被箝位在V+VPNV-VPN范圍內(nèi)，串聯(lián)電阻擔(dān)負(fù)功率耗散的作用。 利用現(xiàn)有電源的電壓范圍作為瞬態(tài)電壓的抑

41、制范圍，二極管的正向?qū)娏骱痛?lián)電阻的阻值決定了該電路的保護(hù)能力。 本電路具有極好的保護(hù)效果，同時其代價低廉，適合成本控制比較嚴(yán)、ESD強(qiáng)度和頻率不十分嚴(yán)重的場合。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.5 電路設(shè)計（續(xù)八） (2) 壓敏電阻保護(hù)電路： 壓敏電阻的阻值隨兩端電壓變化而呈非線性變化： 當(dāng)施加在其兩端的電壓小于閥值電壓時，器件呈現(xiàn)無窮大的電阻； 當(dāng)施加在其兩端的電壓大于閥值電壓時，器件呈現(xiàn)很小電阻值。 此物理現(xiàn)象類似穩(wěn)壓管的齊納擊穿現(xiàn)象，不同的是壓敏電阻無電壓極性要求。 使用壓敏電阻保護(hù)電路的特點(diǎn)是簡單、經(jīng)濟(jì)、瞬態(tài)抑制效果好、對電路帶來的負(fù)面影響甚微，且可以獲得較大的保護(hù)功率。電

42、子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.5 電路設(shè)計（續(xù)九） (3) 穩(wěn)壓管保護(hù)電路： 背對背串接的穩(wěn)壓管對瞬態(tài)抑制電路的工作原理是顯而易見的： 當(dāng)瞬態(tài)電壓超過V1的穩(wěn)壓值時，V1反向擊穿，V2正向?qū)ǎ?當(dāng)瞬態(tài)電壓是負(fù)極性時，V2反向擊穿，V1正向?qū)ā?將這2只穩(wěn)壓管制作在同一硅片上就制成了穩(wěn)壓管對，使用更加方便。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.5 電路設(shè)計（續(xù)十） (4) TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）二極管： 這是最近發(fā)展起來的一種固態(tài)二極管，適用用于ESD保護(hù)。 一般選擇工作電壓大于或等于電路正常工作電壓的器件。 TVS二極管是和被保護(hù)電路并聯(lián)的：當(dāng)瞬態(tài)電壓超過電路的正常工作電壓時，

43、二極管發(fā)生雪崩，為瞬態(tài)電流提供通路，使內(nèi)部電路免遭超額電壓的擊穿或超額電流的過熱燒毀。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.5 電路設(shè)計（續(xù)十一） 由于TVS二極管的結(jié)面積較大，使得它具有泄放瞬態(tài)大電流的優(yōu)點(diǎn)，具有理想的保護(hù)作用。 但同時必須注意，結(jié)面積大造成結(jié)電容增大，因而不適合高頻信號電路的保護(hù)。 改進(jìn)后的TVS二極管還具有適應(yīng)低壓電路(5V )的特點(diǎn)，且封裝集成度高，適用于在印制電路板面積緊張的情況下使用。 這些特點(diǎn)決定了它有廣泛的適用范圍，尤其在高檔便攜設(shè)備的接口電路中有很好的使用價值。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策 3.6 PCB設(shè)計： PCB設(shè)計在提高系統(tǒng)的ESD抗騷擾特性

44、起著重要的作用。 PCB上的走線是ESD產(chǎn)生EMI的發(fā)射天線。 為了把這些天線的耦合降低，線長要求盡可能的短，包圍的面積盡可能的小。 同時，當(dāng)元件沒有均勻的遍布一塊大板的整個區(qū)域時，共模耦合得到了增強(qiáng)。 使用多層板或柵格減小耦合，也能抑制共模輻射噪聲。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策 不好 好電源去耦電容的連接電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策供電電源的連接電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策地線網(wǎng)格電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.6 PCB設(shè)計（續(xù)一） PCB的布置應(yīng)避免將敏感的MOS器件直接連到容易發(fā)生ESD的連接器引出端。 如果不得不將敏感引線連接到連接器的引出端： 那么應(yīng)在上述引線上增加串聯(lián)電阻、分流或電壓箝位措施， 或者采用對ESD敏感度較低的邏輯電路進(jìn)行隔離使其得到保護(hù)。電子產(chǎn)品的靜電放電危害、測試及其對策3.6 PCB設(shè)計（續(xù)二） 有時把印制