淺談ESD（Electro-Static Discharge）

01什么是ESD

靜電放電(Electrostatic Discharge，ESD)是指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。當(dāng)帶了靜電荷的物體(也就是靜電源)跟其它物體接觸時(shí)，這兩個(gè)具有不同靜電電位的物體依據(jù)電荷中和的原則，存在著電荷流動(dòng)，傳送足夠的電量以抵消電壓。這個(gè)電量在傳送過程中，將產(chǎn)生具有潛在破壞作用的電壓、電流以及電磁場，嚴(yán)重時(shí)會(huì)將物體擊毀。

02ESD是怎么產(chǎn)生的

1.摩擦起電——哪里有運(yùn)動(dòng)，哪里就有靜電!

2.感應(yīng)起電——物體在靜電場的作用下，發(fā)生了電荷上再分布的現(xiàn)象。比如：一個(gè)設(shè)備加電工作的過程中，產(chǎn)生了一定的電磁場，外圍的物體受場的作用會(huì)感應(yīng)出部分電荷，電視屏幕帶電現(xiàn)象。

3.容性起電——由于已經(jīng)具有一定電荷的帶電體在與另一個(gè)物體靠近、分離時(shí)。根據(jù)平行板電容公式c=εS/4πkd (S為金屬片的正對面積，d為兩金屬片間的距離)， Q=CV得出，系統(tǒng)的電容發(fā)生改變，攜帶一定電量的物體或是人體上的靜電電位將發(fā)生變化，這就會(huì)導(dǎo)致電子元器件的損壞。

03ESD的特點(diǎn)及危害

ESD 可形成高電位、強(qiáng)電場、瞬時(shí)大電流

大多數(shù)情況下 ESD 過程往往會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)脈沖大電流，尤其是帶電導(dǎo)體或手持小金屬物體的帶電人體對接地導(dǎo)體產(chǎn)生火花放電時(shí)，產(chǎn)生的瞬時(shí)脈沖電流的強(qiáng)度可達(dá)到幾十安培甚至上百安培。

2 .ESD 過程會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁脈沖輻射

在 ESD 過程中會(huì)產(chǎn)生上升時(shí)間極快、持續(xù)時(shí)間極短的初始大電流脈沖，并產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射形成靜電放電電磁脈沖(ESD Electromagnetic Pulse-ESD EMP)，它的電磁能量往往會(huì)引起電子系統(tǒng)中敏感部件的損壞、翻轉(zhuǎn)，使某些裝置中的易爆品誤爆，造成事故。

3.硬損傷：硬損傷又稱 “突發(fā)性徹底失效”、“一次性損壞”，這種類型的損壞數(shù)約占總損壞數(shù)的10 %。表現(xiàn)為器材電參數(shù)俄然劣化， 失去原有功能。首要原因是靜電放電導(dǎo)致過壓使得介質(zhì)被擊穿，或過流產(chǎn)生高溫使得內(nèi)部電路金屬導(dǎo)線熔斷 、硅片局部消融等。硬損壞可通過慣例的性能測驗(yàn)手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)，相對軟損壞而言危害要小得多。

4.軟損傷：軟損傷又稱 “潛在性緩慢失效”、“ 屢次損害累積后失效 ”，數(shù)目約占總損壞數(shù)的90%。遭到軟損害的產(chǎn)品，盡管各類電參數(shù)仍合格 ，但其使用壽命會(huì)大大縮短，可靠性變差，或許會(huì)在后續(xù)過程中持續(xù)遭受ESD軟損害或其它過應(yīng)力損害積累而過早地失效 。因?yàn)檐洆p害是潛在的，運(yùn)用現(xiàn)在的技術(shù)還很難證明或檢測出來，特別是產(chǎn)品作為零部件被裝入整機(jī)之后，具有更大的危害性。這些產(chǎn)品流入市場后功能缺失造成的影響將比流入市場前嚴(yán)重 數(shù)倍。

04ESD防護(hù)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

ESD控制方法——電子硬件設(shè)計(jì)

1.并聯(lián)放電器件，常用的放電器件有TVS，穩(wěn)壓二極管 ，壓敏電阻等

穩(wěn)壓二極管( Zener Diodes )：利用穩(wěn)壓二極管 的反向擊穿特性可以保護(hù) ESD敏感器件。但是穩(wěn)壓二極管通常有幾十pF 的電容，這對于高速信號(例如 500 MHz)而言，會(huì)引起信號畸變。穩(wěn)壓二極管對電源上的浪涌也有很好的吸收作用。

2.串聯(lián)阻抗一般可以通過串聯(lián)電阻或者磁珠來限制ESD放電電流，達(dá)到防靜電的目的。

如圖。如手機(jī)的高輸入阻抗的端口可以串1K歐電阻來 防護(hù)，如ADC，輸入的GPIO，按鍵等。不要擔(dān)心0402的電阻會(huì)被打壞，實(shí)踐證明是打不壞的。這里不詳細(xì) 分析。用電阻做ESD防護(hù)幾乎不增加成本。如果用磁珠，磁珠的價(jià)格大約0.002$,和壓敏電阻差不多。

3.增加濾波網(wǎng)絡(luò)前面提到了靜電的能量頻譜，如果用濾波器濾掉主要的能量也能達(dá)到靜電防護(hù)的目的。

對于低頻信號，如GPIO輸入，ADC，音頻輸入可以用1k +1000PF的電容來做靜電防護(hù)，成本可以忽略，性能不比壓敏電阻差，如果用1K +50 PF的壓敏電阻效果更好，經(jīng)驗(yàn)證明這樣防護(hù)效果有時(shí)超過TVS。

ESD控制方法—— 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.產(chǎn)品外殼為金屬材質(zhì)：結(jié)構(gòu)上要預(yù)留有效且布局均勻的接地點(diǎn);一般來說金屬彈片的接地效果優(yōu)于導(dǎo)電膠帶和導(dǎo)電泡棉。

2.產(chǎn)品外殼為非金屬材質(zhì) ：材質(zhì)本身不易吸引和聚集靜電，但是容易被高靜電能量穿透。所以外殼要遠(yuǎn)離PCB，一般情況下1mm對應(yīng)1KV。例如要通過15KV的靜電 測試，外殼到PCB板距離要15 mm。

3.產(chǎn)品外殼上有螺絲孔：可以考慮用橡膠塊堵住螺絲孔。防止靜電能量通過螺絲傳導(dǎo)到PCB板上。

ESD控制方法——電子PCB板&FPC設(shè)計(jì)

1.敏感信號 ：電路板上所有的敏感信號要參考完整地平面

2. PCB屏蔽：電路板四周邊緣做地線保護(hù);如果是PCB，電路板上可以做屏蔽罩設(shè)計(jì)，屏蔽罩必須保證 有效而分布均勻接地，一 般會(huì)和PCB地平面相連，器件擺放時(shí)，容易被靜電影響的器件盡量放在屏蔽罩 中

3.器件選擇 ：在器件選擇上盡可能 選擇高耐ESD的型號，以避免本身規(guī)格問題導(dǎo)致測試不通過

ESD器件(TVS)選型步驟：

a.計(jì)算接口信號幅值的范圍來確定ESD器件的工作電壓。

b.根據(jù)信號類型決定使用單向或雙向ESD器件。

c.根據(jù)信號速率決定該接口能承受的最大寄生電容。

d.根據(jù)電路系統(tǒng)的最大承受電壓沖擊，選擇合適的鉗位電壓。

e.確保ESD器件可達(dá)到或超過IEC 61000-4-2 LEVEL 4。

4. ESD放置器件放置：ESD保護(hù)器件擺放要靠近IO或是連接器端口，避免靠近芯片擺放;這樣能夠減少ESD脈沖信號干擾到附近線路

5.走線規(guī)則：layout走線應(yīng)該從接口處先走到保護(hù)元件然后再走到芯片等其他位置，保證靜電能量進(jìn)來可以馬上泄放掉

ESD控制方法——作業(yè)及包裝環(huán)境

1.靜電源接地且靜電帶及工作表面接地。

2.靜電屏蔽和靜電屏蔽袋。

3.離子風(fēng)機(jī)、離子氣槍。

05ESD的放電模型分類

目前根據(jù)ESD 產(chǎn)生的原因及其對集成電 放電的方式 同，常見的ESD 被分類為下 三類(還有一些模式并不常用)，分別是：人體放電模式(HBM, Human Body Model), 機(jī)器放電模式(MM, Machine Model)以及元件充電模式(CDM, Charge Device Model)。

1.人體放電模式(HBM, Human Body Model)：是指因人體通過磨擦或其他因素積累靜電，此時(shí)當(dāng)人去碰觸IC時(shí)，人體上的靜電會(huì)經(jīng)由IC的PIN腳進(jìn)入IC內(nèi)，再經(jīng)由IC放電到地。

對一般元件可承受的HBM 2KV來說，在2~10ns時(shí)間內(nèi)，瞬間電流峰值可達(dá)1.33A。

2.機(jī)器放電模式(MM, Machine Model)：是指機(jī)器( 如機(jī)械手臂)本身積累靜電，當(dāng)此機(jī)器碰觸IC時(shí)，該靜電經(jīng)由IC的PIN腳放電。此放電的過程時(shí)間更短，電流更大。比較HBM大數(shù)倍。

3.元件充電模式(CDM, Charge Device Model)：是指IC先因磨擦或其他因素而在IC內(nèi)部積累靜電，但在靜電積累的過程中IC并未受到損傷。這種帶有靜電的IC在處過程中，當(dāng)其PIN腳碰觸到接地面時(shí)，IC內(nèi)部的靜電會(huì)經(jīng)由PIN腳自IC內(nèi)部形成放電，此種模式的放電時(shí)間可能只在幾ns內(nèi)。

06ESD的測試

ESD測試符合IEC 61000-4-2

IEC 61000-4-2是抗擾度ESD測試的標(biāo)準(zhǔn)。它在稱為ESD槍的手持發(fā)生器的指定電壓電平下施加定義的電流波形。

它使用由高壓電源提供的電容器，其充電電壓通過接觸點(diǎn)通過串聯(lián)阻抗放電到地。使用兩種放電方法。它們是接觸放電和空氣放電。

ESD測試-接觸放電

在接觸放電方法中，應(yīng)力可以直接施加到EUT或鄰近EUT的耦合平面。在每個(gè)測試脈沖之前，電容器充電到所需的電平，但其電壓通過真空繼電器保持在發(fā)生器的探頭上。

將探針應(yīng)用于EUT或耦合平面上的適當(dāng)選擇的點(diǎn)。然后觸發(fā)發(fā)電機(jī)，使繼電器觸點(diǎn)閉合，電容器電壓通過探頭施加到EUT。

當(dāng)電壓通過發(fā)生器，EUT和接地平面的組合串聯(lián)阻抗放電時(shí)，這會(huì)產(chǎn)生電流脈沖。在每個(gè)位置以適當(dāng)?shù)臉O性和水平重復(fù)該動(dòng)作所需的次數(shù)。

ESD測試-空氣放電

相同的發(fā)電機(jī)用于空氣放電方法，但具有圓形而不是尖的探針尖端。電容器如前所述充電到所需的電平，但電壓現(xiàn)在連續(xù)施加到探頭上，探頭遠(yuǎn)離EUT。

對于每個(gè)測試脈沖，尖端被巧妙地提升到EUT上的選定點(diǎn)，直到它接觸為止。就在此之前，尖端和EUT之間的氣隙將被擊穿并且放電電流將流動(dòng)，

如前所述受到發(fā)電機(jī)的組合串聯(lián)阻抗，氣隙，EUT和返回路徑的限制。

同樣，在每個(gè)位置以適當(dāng)?shù)臉O性和水平重復(fù)動(dòng)作所需的次數(shù)。

靜電放電ESD測試布局

ESD脈沖具有亞納秒的上升時(shí)間，因此射頻布局預(yù)防措施至關(guān)重要。

1.測試必須重新創(chuàng)建實(shí)際發(fā)現(xiàn)的快速上升時(shí)間，因?yàn)檫@是決定放電通過EUT的路徑和EUT本身的響應(yīng)的重要參數(shù)。接地參考平面(GRP)是設(shè)置的組成部分，發(fā)電機(jī)的返回引線必須與其良好連接，因?yàn)榇诉B接形成電流返回路徑的一部分。

2.測試的間接放電部分使用另外兩個(gè)不同于GRP的平面，稱為水平耦合平面(HCP)和垂直耦合平面(VCP)。這些飛機(jī)的放電模擬了從現(xiàn)實(shí)生活中放射到附近物體的輻射場所產(chǎn)生的應(yīng)力。

3.每個(gè)耦合平面通過電阻引線連接到GRP，以確保任何電荷在幾微秒內(nèi)流出。這些引線的結(jié)構(gòu)至關(guān)重要：每端應(yīng)靠近一個(gè)電阻，使它們之間的引線長度與連接隔離，并且與它的雜散耦合被中和。

4.雖然額定功率并不重要，但電阻器本身應(yīng)能承受高脈沖dV / dt而不會(huì)損壞，因此碳成分類型適合。

5.對于幾十納秒的ESD事件，該平面承載全應(yīng)力電壓，該電壓電容耦合到EUT。從平面到EUT以外的物體的任何雜散電容都會(huì)修改平面的電壓和電流波形，從而修改所施加的應(yīng)力。

6.因此，重要的是在EUT周圍保持至少1米的凈空間，這意味著桌面設(shè)置與墻壁或其他物體有一些分離。

7.同樣，從VCP到EUT的分離規(guī)定為10cm; 即使這個(gè)距離的微小變化也會(huì)導(dǎo)致與EUT的耦合發(fā)生很大的變化，因此控制它的便利方法，例如平面表面上的塑料10cm間隔物，是有幫助的。

07ESD失效判斷

進(jìn)行ESD測試之后，要判斷其是否已被ESD破壞，以決定是否進(jìn)一步測試，但是如何判定該IC是否已被ESD損壞呢?常用的有下述三種方法：

1.絕對漏電流:當(dāng)IC進(jìn)行ESD測試后，在其 I/O PIN上加一定電壓，電壓超過規(guī)定值，即可認(rèn)為ESD失效。

2.相對I-V漂移:當(dāng)IC進(jìn)行ESD測試后，其 I/O PIN的I-V曲線漂移超過規(guī)定值，即可認(rèn)為ESD失效。

3.功能判斷:當(dāng)IC進(jìn)行ESD測試后，其 I/O PIN的功能已經(jīng)不滿足性能規(guī)格，即可認(rèn)為ESD失效。

需要注意的是：即使是對同一IC而言， 同樣的ESD失效判斷標(biāo)準(zhǔn)，可能會(huì)得到差距較大的ESD失效電壓，因此ESD失效電壓要在一定的故障判定準(zhǔn)則下才有其意義。

審核編輯：湯梓紅