產(chǎn)生ESD靜電的原因及該如何解決此問題

靜電是人們非常熟悉的一種自然現(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。然而，靜電放電ESD（Electro-Static Discharge）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)備的功能紊亂甚至部件損壞。

下面談一談靜電相關(guān)問題，在Part1文末部分介紹了一種終極大招，來解決數(shù)碼產(chǎn)品ESD靜電問題，在Part2部分，例舉了PCB設(shè)計(jì)過程中抗ESD問題，作了詳細(xì)剖析。

Part 1 ESD靜電基本問題

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(duì)外界電磁騷擾敏感程度也大大提高。ESD對(duì)于電路引起的干擾、對(duì)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(cè)試的一項(xiàng)重要內(nèi)容寫入國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)。

1.靜電成因及其危害

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(gè)特體上而形成。當(dāng)兩個(gè)物體接觸時(shí)，其中一個(gè)趨從于另一個(gè)吸引電子，因而二者會(huì)形成不同的充電電位。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因之一。

靜電源與其它物體接觸時(shí)，依據(jù)電荷中和的機(jī)理存在著電荷流動(dòng)，傳送足夠的電量以抵消電壓。在高速電量的傳送過程中，將產(chǎn)生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場(chǎng)，嚴(yán)重時(shí)將其中物體擊毀，這就是靜電放電。

A.接觸分離起電

任何兩個(gè)不同物材質(zhì)地物體接觸后再分離即可產(chǎn)生靜電,當(dāng)兩個(gè)不同物體相互接觸時(shí)就會(huì)產(chǎn)使得一個(gè)物體失去一些電荷如電子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體使其帶正電.而另一個(gè)物體得到一些剩余電子的物體而帶負(fù)電.若在分離的過程中電荷難以中和,電荷就會(huì)積累使物體帶上靜電,所以物體與其它物體接觸后分離就會(huì)帶上靜電.

B.摩擦起電

實(shí)質(zhì)上摩擦起電是一種接觸又分離的造成正負(fù)電荷不平衡的過程.摩擦是一個(gè)不斷接觸與分離的過程.因此摩擦起電實(shí)質(zhì)上是接觸分離起電,而產(chǎn)生靜電的最普通方法,就是摩擦生電.材料的絕緣性越好,越容易是使用摩擦起電.

摩擦起電是一個(gè)機(jī)械過程,依靠相對(duì)表面移動(dòng)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,摩擦特性以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度.一個(gè)人或一輛車所能帶來的電量的電壓值大程度上由它們的電容決定.

C.感應(yīng)起電

針對(duì)導(dǎo)體材料而言,因電子能在它的表面自由流動(dòng),如將其置于一電場(chǎng)中，由于同性相斥，異性相吸，正負(fù)離子就會(huì)轉(zhuǎn)移.

D.傳導(dǎo)起電

針對(duì)導(dǎo)電材料而言,因電子能在它的表面移動(dòng),如帶電物體接觸,將會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移.

國家標(biāo)準(zhǔn)中定義：靜電放電是具有不同靜電電位的特體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移，一般用ESD表示。ESD會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞或操作失常。

靜電對(duì)器件造成的損壞有顯性和隱性兩種。隱性損壞在當(dāng)時(shí)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ESD電流產(chǎn)生熱量導(dǎo)致設(shè)備的熱失效；由ESD感應(yīng)出過高電壓導(dǎo)致絕緣擊穿。兩種破壞可能在一個(gè)設(shè)備中同時(shí)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。 除容易造成電路損害外，靜電放電也極易對(duì)電子電路造成干擾。靜電放電對(duì)電子電路的干擾有二種方式。一種是傳導(dǎo)干擾，另一種是輻射干擾。

2.數(shù)碼產(chǎn)品的構(gòu)造及其ESD問題

現(xiàn)在各類數(shù)碼產(chǎn)品的功能越來越強(qiáng)大，而電路板卻越來越小，集成度越來越高。并都或多或少的裝有部分接口用于人機(jī)交互，這樣就存在著人體靜電放電的ESD問題。一般數(shù)碼產(chǎn)品中需要進(jìn)行ESD防護(hù)的部位有：USB接口、HDMI接口、IEEE1394接口、天線接口、VGA接口、DVI接口、按鍵電路、SIM卡、耳機(jī)及其他各類數(shù)據(jù)傳輸接口.

ESD可能會(huì)造成產(chǎn)品工作異常、死機(jī)，甚至損壞并引發(fā)其他的安全問題。所以在產(chǎn)品上市之前，國內(nèi)或國外檢測(cè)部門都要求進(jìn)行ESD和其它浪涌沖擊的測(cè)試。其中接觸放電需要達(dá)到±8kV，空氣放電需要達(dá)到±15kV，這就對(duì)ESD的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。

3.數(shù)碼產(chǎn)品中ESD問題解決與防護(hù)

3.1 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如果將釋放的靜電看成是洪水的話，那么主要的解決方法與治水類似，就是“堵”和“疏”。如果我們?cè)O(shè)計(jì)的產(chǎn)品有一個(gè)理想的殼體是密不透風(fēng)的，靜電也就無從而入，當(dāng)然不會(huì)有靜電問題了。但實(shí)際的殼體在合蓋處常有縫隙，而且許多還有金屬的裝飾片，所以一定要加以注意。

其一，用“堵”的方法。盡量增加殼體的厚離，即增加外殼到電路板之間的距離，或者通過一些等效方法增加殼體氣隙的距離，這樣可以避免或者大大減少ESD的能量強(qiáng)度。

通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，可以增大外殼到內(nèi)部電路之間氣隙的距離從而使ESD的能量大大減弱。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，8kV的ESD在經(jīng)過4mm的距離后能量一般衰減為零。

其二，用“疏”的方法，可以用EMI油漆噴涂在殼體的內(nèi)側(cè)。EMI油漆是導(dǎo)電的，可以看成是一個(gè)金屬的屏蔽層，這樣可以將靜電導(dǎo)在殼體上；再將殼體與PCB（Printed Circuit Board）的地連接，將靜電從地導(dǎo)走。這樣處理的方法除了可以防止靜電，還能有效抑制EMI的干擾。如果有足夠的空間，還可以用一個(gè)金屬屏蔽罩將其中的電路保護(hù)起來，金屬屏蔽罩再連接PCB的GND。

總之，ESD設(shè)計(jì)殼體上需要注意很多地方，首先是盡量不讓ESD進(jìn)入殼體內(nèi)部，最大限度地減弱其進(jìn)入殼體的能量。對(duì)于進(jìn)入殼體內(nèi)部的ESD盡量將其從GND導(dǎo)走，不要讓其危害電路的其它部分。殼體上的金屬裝飾物使用時(shí)一定要小心，因?yàn)楹芸赡軒硪庀氩坏降慕Y(jié)果，需要特別注意。

3.2 產(chǎn)品的PCB設(shè)計(jì)

現(xiàn)在產(chǎn)品的PCB（Printed Circuit Board）都是高密度板，通常為4層板。隨著密度的增加，趨勢(shì)是使用6層板，其設(shè)計(jì)一直都需要考慮性能與面積的平衡。一方面，越大的空間可以有更多的空間擺放元器件，同時(shí)，走線的線寬和線距越寬，對(duì)于EMI、音頻、ESD等各方面性能都有好處。另一方面，數(shù)碼產(chǎn)品設(shè)計(jì)的小巧又是趨勢(shì)與需要。所以，設(shè)計(jì)時(shí)需要找到平衡點(diǎn)。就ESD問題而言，設(shè)計(jì)上需要注意的地方很多，尤其是關(guān)于GND布線的設(shè)計(jì)以及線距，很有講究。有些產(chǎn)品中ESD存在很大的問題，一直找不到原因，通過反復(fù)研究與實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)是PCB設(shè)計(jì)中的出現(xiàn)的問題。為此，這里總結(jié)了PCB設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的要點(diǎn)：

(1)PCB板邊（包括通孔Via邊界）與其它布線之間的距離應(yīng)大于0.3mm；

(2)PCB的板邊最好全部用GND走線包圍；

(3)GND與其它布線之間的距離保持在0.2mm～0.3mm；

(4)Vbat與其它布線之間的距離保持在0.2mm～0.3mm;

(5)重要的線如Reset、Clock等與其它布線之間的距離應(yīng)大于0.3mm;

(6)大功率的線與其它布線之間的距離保持在0.2mm～0.3mm；

(7)不同層的GND之間應(yīng)有盡可能多的通孔（VIa）相連；

(8)在最后的鋪地時(shí)應(yīng)盡量避免尖角，有尖角應(yīng)盡量使其平滑。

3.3 產(chǎn)品的電路設(shè)計(jì)

在殼體和PCB的設(shè)計(jì)中，對(duì)ESD問題加以注意之后，ESD還會(huì)不可避免地進(jìn)入到產(chǎn)品的內(nèi)部電路中，尤其是以下一些端口：USB接口、HDMI接口、IEEE1394接口、天線接口、VGA接口、DVI接口、按鍵電路、SIM卡、耳機(jī)及其他各類數(shù)據(jù)傳輸接口，這些端口很可能將人體的靜電引入內(nèi)部電路中。所以，需要在這些端口中使用ESD防護(hù)器件。

以往主要使用的靜電防護(hù)器件是壓敏電阻和TVS器件，但這些器件普遍的缺點(diǎn)是響應(yīng)速度太慢，放電電壓不夠精確，極間電容大，壽命短，電性能會(huì)因多次使用而變差。所以目前行業(yè)中普遍使用專業(yè)的“靜電抑制器”來取代以往的靜電防護(hù)器件 。“靜電抑制器”是專業(yè)解決靜電問題的產(chǎn)品，其內(nèi)部構(gòu)造和工作原理比其他產(chǎn)品更具科學(xué)性和專業(yè)性。它由Polymer高分子材料制成，內(nèi)部菱形分子以規(guī)則離散狀排列，當(dāng)靜電電壓超過該器件的觸發(fā)電壓時(shí)，內(nèi)部分子迅速產(chǎn)生尖端對(duì)尖端的放電，將靜電在瞬間泄放到地。它最大特點(diǎn)是反應(yīng)速度快（0.5ns～1ns）、非常低的極間電容（0.05pf～3pf），很小的漏電流（1μA），非常適合各種接口的防護(hù)。

因?yàn)殪o電抑制器具有體積小、無極性、反應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)中使用靜電抑制器作為防護(hù)器件的比例越來越多，在使用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1、將該器件盡量放置在需要保護(hù)的端口附近；

2、到GND的連線盡可能短;

3、所接GND的面積盡可能大。

ESD 的問題是眾多重要問題之一。在不同的電子設(shè)備中有不同的方式來避免對(duì)電路的危害。由于現(xiàn)在的數(shù)碼產(chǎn)品體積小、密度大，在 ESD 的防護(hù)上有獨(dú)到的特點(diǎn)。通過大量的靜電測(cè)試實(shí)驗(yàn)證明，采用本文的設(shè)計(jì)方法處理，將一個(gè)原本± 2kV 放電就會(huì)死機(jī)的產(chǎn)品加以保護(hù)和改進(jìn)，在± 8kV 的靜電放電情況下依然可以穩(wěn)定工作，起到了很好的靜電防護(hù)效果。隨著電子設(shè)備使用的日益廣泛， ESD 設(shè)計(jì)是每一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師和電子設(shè)計(jì)工程師需要重點(diǎn)關(guān)心的問題，通過不斷總結(jié)與學(xué)習(xí)， ESD 問題將不再是一個(gè)難題！

Part 2 淺談設(shè)計(jì)PCB時(shí)抗ESD的方法

在PCB板的設(shè)計(jì)當(dāng)中,可以通過分層、恰當(dāng)?shù)牟季植季€和安裝實(shí)現(xiàn)PCB的抗ESD設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中,通過預(yù)測(cè)可以將絕大多數(shù)設(shè)計(jì)修改僅限于增減元器件。通過調(diào)整PCB布局布線,能夠很好地防范ESD。以下是一些常見的防范措施。

盡可能使用多層PCB,相對(duì)于雙面PCB而言,地平面和電源平面,以及排列緊密的信號(hào)線-地線間距能夠減小共模阻抗和感性耦合,使之達(dá)到雙面PCB的 1/10到1/100。盡量地將每一個(gè)信號(hào)層都緊靠一個(gè)電源層或地線層。對(duì)于頂層和底層表面都有元器件、具有很短連接線以及許多填充地的高密度PCB,可以考慮使用內(nèi)層線。

對(duì)于雙面PCB來說,要采用緊密交織的電源和地柵格。電源線緊靠地線,在垂直和水平線或填充區(qū)之間,要盡可能多地連接。一面的柵格尺寸小于等于60mm,如果可能,柵格尺寸應(yīng)小于13mm。

確保每一個(gè)電路盡可能緊湊。

盡可能將所有連接器都放在一邊。

如果可能,將電源線從卡的中央引入,并遠(yuǎn)離容易直接遭受ESD影響的區(qū)域。

在引向機(jī)箱外的連接器(容易直接被ESD擊中)下方的所有PCB層上,要放置寬的機(jī)箱地或者多邊形填充地,并每隔大約13mm的距離用過孔將它們連接在一起。

在卡的邊緣上放置安裝孔,安裝孔周圍用無阻焊劑的頂層和底層焊盤連接到機(jī)箱地上。

PCB裝配時(shí),不要在頂層或者底層的焊盤上涂覆任何焊料。使用具有內(nèi)嵌墊圈的螺釘來實(shí)現(xiàn)PCB與金屬機(jī)箱/屏蔽層或接地面上支架的緊密接觸。

在每一層的機(jī)箱地和電路地之間,要設(shè)置相同的“隔離區(qū)”;如果可能,保持間隔距離為0.64mm。

在卡的頂層和底層靠近安裝孔的位置,每隔100mm沿機(jī)箱地線將機(jī)箱地和電路地用1.27mm寬的線連接在一起。與這些連接點(diǎn)的相鄰處,在機(jī)箱地和電路地之間放置用于安裝的焊盤或安裝孔。這些地線連接可以用刀片劃開,以保持開路,或用磁珠/高頻電容的跳接。

如果電路板不會(huì)放入金屬機(jī)箱或者屏蔽裝置中,在電路板的頂層和底層機(jī)箱地線上不能涂阻焊劑,這樣它們可以作為ESD電弧的放電極。

要以下列方式在電路周圍設(shè)置一個(gè)環(huán)形地：

(1)除邊緣連接器以及機(jī)箱地以外,在整個(gè)外圍四周放上環(huán)形地通路。

(2)確保所有層的環(huán)形地寬度大于2.5mm。

(3)每隔13mm用過孔將環(huán)形地連接起來。

(4)將環(huán)形地與多層電路的公共地連接到一起。

(5)對(duì)安裝在金屬機(jī)箱或者屏蔽裝置里的雙面板來說,應(yīng)該將環(huán)形地與電路公共地連接起來。不屏蔽的雙面電路則應(yīng)該將環(huán)形地連接到機(jī)箱地,環(huán)形地上不能涂阻焊劑,以便該環(huán)形地可以充當(dāng)ESD的放電棒,在環(huán)形地(所有層)上的某個(gè)位置處至少放置一個(gè)0.5mm寬的間隙,這樣可以避免形成一個(gè)大的環(huán)路。信號(hào)布線離環(huán)形地的距離不能小于0.5mm。

在能被ESD直接擊中的區(qū)域,每一個(gè)信號(hào)線附近都要布一條地線。

I/O電路要盡可能靠近對(duì)應(yīng)的連接器。

對(duì)易受ESD影響的電路,應(yīng)該放在靠近電路中心的區(qū)域,這樣其他電路可以為它們提供一定的屏蔽作用。

通常在接收端放置串聯(lián)的電阻和磁珠,而對(duì)那些易被ESD擊中的電纜驅(qū)動(dòng)器,也可以考慮在驅(qū)動(dòng)端放置串聯(lián)的電阻或磁珠。

通常在接收端放置瞬態(tài)保護(hù)器。用短而粗的線(長(zhǎng)度小于5倍寬度,最好小于3倍寬度)連接到機(jī)箱地。從連接器出來的信號(hào)線和地線要直接接到瞬態(tài)保護(hù)器,然后才能接電路的其他部分。

在連接器處或者離接收電路25mm的范圍內(nèi),要放置濾波電容。

(1)用短而粗的線連接到機(jī)箱地或者接收電路地(長(zhǎng)度小于5倍寬度,最好小于3倍寬度)。

(2)信號(hào)線和地線先連接到電容再連接到接收電路。

要確保信號(hào)線盡可能短。
信號(hào)線的長(zhǎng)度大于300mm時(shí),一定要平行布一條地線。
確保信號(hào)線和相應(yīng)回路之間的環(huán)路面積盡可能小。對(duì)于長(zhǎng)信號(hào)線每隔幾厘米便要調(diào)換信號(hào)線和地線的位置來減小環(huán)路面積。
從網(wǎng)絡(luò)的中心位置驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)入多個(gè)接收電路。

確保電源和地之間的環(huán)路面積盡可能小,在靠近集成電路芯片每一個(gè)電源管腳的地方放置一個(gè)高頻電容。
在距離每一個(gè)連接器80mm范圍以內(nèi)放置一個(gè)高頻旁路電容。

在可能的情況下,要用地填充未使用的區(qū)域,每隔60mm距離將所有層的填充地連接起來。

確保在任意大的地填充區(qū)(大約大于25mm×6mm)的兩個(gè)相反端點(diǎn)位置處要與地連接。

電源或地平面上開口長(zhǎng)度超過8mm時(shí),要用窄的線將開口的兩側(cè)連接起來。

復(fù)位線、中斷信號(hào)線或者邊沿觸發(fā)信號(hào)線不能布置在靠近PCB邊沿的地方。

將安裝孔同電路公地連接在一起,或者將它們隔離開來。

(1)金屬支架必須和金屬屏蔽裝置或者機(jī)箱一起使用時(shí),要采用一個(gè)零歐姆電阻實(shí)現(xiàn)連接。

(2)確定安裝孔大小來實(shí)現(xiàn)金屬或者塑料支架的可靠安裝,在安裝孔頂層和底層上要采用大焊盤,底層焊盤上不能采用阻焊劑,并確保底層焊盤不采用波峰焊工藝進(jìn)行焊接。

不能將受保護(hù)的信號(hào)線和不受保護(hù)的信號(hào)線并行排列。

要特別注意復(fù)位、中斷和控制信號(hào)線的布線。

(1)要采用高頻濾波。

(2)遠(yuǎn)離輸入和輸出電路。

(3)遠(yuǎn)離電路板邊緣。

PCB要插入機(jī)箱內(nèi),不要安裝在開口位置或者內(nèi)部接縫處。

要注意磁珠下、焊盤之間和可能接觸到磁珠的信號(hào)線的布線。有些磁珠導(dǎo)電性能相當(dāng)好,可能會(huì)產(chǎn)生意想不到的導(dǎo)電路徑。

如果一個(gè)機(jī)箱或者主板要內(nèi)裝幾個(gè)電路板,應(yīng)該將對(duì)靜電最敏感的電路板放在最中間。