ESD静电放电的原理危害、解决方案以及防护措施

第一篇   ESD

1. ESD定义和静电产生原理

ESD：Electrostatic Discharge即“静电放电”的意思，静电放电是具有不同静电电位的特体互相靠近或直接接触引起的电荷转移。静电是一种电能,它存在于物体表面。物质都是由分子组成，分子是由原子组成，原子中有带负电的电子和带正电荷的质子组成。在正常状况下，一个原子的质子数与电子数量相同，正负平衡，所以对外表现出不带电的现象。但是电子环绕于原子核周围，一经外力即脱离轨道，离开原来的原子A而侵入其他的原子B，A原子因缺少电子数而带有正电现象，称为阳离子、B原子因增加电子数而呈带负电现象，称为阴离子。造成不平衡电子分布的原因即是电子受外力而脱离轨道，这个外力包含各种能量(如动能、位能、热能、化学能……等)。这种正负电荷在局部失衡时就会产生静电.静电现象是指电荷在产生与消失过程中所表现出的现象的总称。静电的产生取决于物体的起始电压、电阻、电感和寄生电容：1. 可能产生电弧的比如人体、带电器件和机器。2. 可能产生尖峰电弧的比如手或金属物体。3. 可能产生同极性或者极性变化的多个电弧的比如家具。常见的静电现象有接触分离、摩擦起电、感应起电、传导起电。

2. ESD的表现形式和危害

静电的许多功能已经应用到军工或民用产品中，如静电除尘、静电喷涂、静电分离、静电复印等。然而，静电放电ESD（Electro-Static Discharge）却又成为电子产品和设备的一种危害，造成电子产品和设备的功能错乱甚至部件损坏。

ESD表现形式：

静电放电的模式通常可以分为机器装置放电模式(Machinery ESD model)、家具放电模式(Furniture ESD model)、人体放电模式(Personnel ESD model)等三类。简单说明如下:

机器装置放电模式较容易在自动化的控制流程中发生，因在自动化机器中被绝缘之金属组件与绝缘体的摩擦、或是绝缘液体或高压气体等流过摩擦产生的静电，当能量累积到某程度而对邻近形成放电的情形。

家具放电模式通常发生在金属家俱与绝缘物体的摩擦，如在地毯上或塑料地板拉动家具，或是人从椅子上站起来瞬间的摩擦产生静电。

人体放电模式是因人体的动作摩擦产生静电，如我们穿胶鞋在地毯行走时，因摩擦使地毯带正电胶鞋带负电，此时人体脚底会感应而带正电，同时使上半身带负电, 若这时候如用手接触半导体电子组件,会导致该组件损坏。

上述三种形式的静电放电对半导体制程和电子产品组装都显得很重要，其中以人体放电模式所产生的放电电压，对电子产品(半导体组件)之伤害问题最广。

其它还有：微电子器件带电型、场感类型、场增强模型、人体金属模型、电容耦合模型、悬浮器件模型。

ESD对电子产品的危害：

ESD破坏电子元件是完全感觉不到的，要产生能听到“啪啪”声的放电需要约2000V的电荷积累，3000V电荷可以感到像一次小的电击，5000V才可看到火花。

ESD能量是经由传导性能量转移方式引入产品的电子组件内, 主要破坏力是瞬间峰值电流, 电压是引导放电作用的诱发位能. ESD开始时是经由直接(电流)或间接辐射方式以快速的瞬时突波冲击到电路组件上, 这当中有电流热效应也有电磁场的干扰效应。

ESD 对造成电子组件失效情况可概分三种情形, (1) 硬件失效(Hard failure),(2) 潜在性失效(Latent failure)和 (3) 场强感应失效 (Field induction failure)

1)  硬件失效问题: ESD电弧电压(Spark voltage)窜入半导体内部使绝缘部位损坏. 如在P-N接合点短路或开路,内部绝缘的氧化层贯穿(punch-through)-金属氧化处理部位产生熔蚀(melting)等, 这都是属于永久性失效.如图6;图7.

2)  潜在性失效问题: 当ESD发生时系统虽暂时受到影响,仍然可继续动作, 但功能会随时间逐渐变差, 隔数日或数周后系统出现异常, 最后成为硬件失效. 这是因为半导体组件已经受到部分不可回复的损伤, 随着使用时间日增,异常功能自会逐渐显现. 这种失效是最难捉模,无法以失效模式分析确认. 若使用者若遇这类产品, 应该要能意识到该产品的质量状况,尚不成熟.

3)  感应场强失效问题: 当 ESD的高压放电火花跟电流会对产生电场辐射效应, 这种宽带的辐射, 经常使临近的电路受干扰而失常, 如Latch-Up, 或暂时性程序错乱,及数据流失等, 严重时更会损伤硬件成为永久行硬件失效.

ESD电流产生的场可以直接穿透设备,或通过孔洞.缝隙.通风孔.输入输出电缆等耦合到敏感电路.当ESD电流在系统内部流动时,它们激发路径中所经过的天线,这些天线的发射效率主要依赖于尺寸.ESD脉冲所导致的辐射波长从几厘米到数百米,这些辐射能量产生的电磁噪声将损坏电子设备或者骚扰它们的运行.

电磁噪声可通过传导或辐射方式进入电子设备.电路及ESD的近场.辐射耦合的基本方式可以是电容或电感方式取决于ESD源和接受器的阻抗.在远场,则存在电磁场耦合.

如果ESD感应的电压和/或电流超过电路的信号电平,电路操作将失常.在高阻抗电路中,电流信号很小,信号用电压电平表示,此时电容耦合将占主导地位,ESD感应电压为主要问题.在低阻电路中,信号主要为电流形式,因而电感耦合占主导地位,ESD电流将导致大多数电路出现问题.

因为使设备产生损坏比导致它失常所必需的电压和电流要大1~2个数量级,损坏更有可能在传导耦合时产生,这就是说,造成损坏,ESD电火花必须直接接触电路,而辐射耦合通常只导致工作失常.

所有的元器件、组件和设备在焊接、组装、调试和实际使用的全寿命过程中都有可能受到静电或ESD的破坏或损伤。所以对元器件、组件和设备要有一定的抗静电能力才能保证其静电安全，就像人本身要有一定的抗病毒能力样。

3.  ESD解决方案

现在各类数码产品的功能越来越强大，而电路板却越来越小，集成度越来越高。并都或多或少的装有部分接口用于人机交互，这样就存在着人体静电放电的ESD问题。一般数码产品中需要进行ESD防护的部位有：USB接口、HDMI接口、IEEE1394接口、天线接口、VGA接口、DVI接口、按键电路、SIM卡、耳机及其他各类数据传输接口。

结构上的解决方案：

如果将释放的静电看成是洪水的话，那么主要的解决方法与治水类似，就是“堵”和“疏”。如果我们设计的产品有一个理想的壳体是密不透风的，静电也就无从而入，当然不会有静电问题了。但实际的壳体在合盖处常有缝隙，而且许多还有金属的装饰片，所以一定要加以注意。

其一，用“堵”的方法。尽量增加壳体的厚离，即增加外壳到电路板之间的距离，或者通过一些等效方法增加壳体气隙的距离，这样可以避免或者大大减少ESD的能量强度。

通过结构的改进，可以增大外壳到内部电路之间气隙的距离从而使ESD的能量大大减弱。根据经验，8kV的ESD在经过4mm的距离后能量一般衰减为零。

其二，用“疏”的方法，可以用EMI油漆喷涂在壳体的内侧。EMI油漆是导电的，可以看成是一个金属的屏蔽层，这样可以将静电导在壳体上；再将壳体与PCB（Printed Circuit Board）的地连接，将静电从地导走。这样处理的方法除了可以防止静电，还能有效抑制EMI的干扰。如果有足够的空间，还可以用一个金属屏蔽罩将其中的电路保护起来，金属屏蔽罩再连接PCB的GND。

总之，ESD设计壳体上需要注意很多地方，首先是尽量不让ESD进入壳体内部，最大限度地减弱其进入壳体的能量。对于进入壳体内部的ESD尽量将其从GND导走，不要让其危害电路的其它部分。壳体上的金属装饰物使用时一定要小心，因为很可能带来意想不到的结果，需要特别注意。

PCB板上的解决方案：

现在产品的PCB（Printed Circuit Board）都是高密度板，通常为4层板。随着密度的增加，趋势是使用6层板，其设计一直都需要考虑性能与面积的平衡。一方面，越大的空间可以有更多的空间摆放元器件，同时，走线的线宽和线距越宽，对于EMI、音频、ESD等各方面性能都有好处。另一方面，数码产品设计的小巧又是趋势与需要。所以，设计时需要找到平衡点。就ESD问题而言，设计上需要注意的地方很多，尤其是关于GND布线的设计以及线距，很有讲究。有些产品中ESD存在很大的问题，一直找不到原因，通过反复研究与实验，发现是PCB设计中的出现的问题。为此，这里总结了PCB设计中应该注意的要点：

(1)PCB板边（包括通孔Via边界）与其它布线之间的距离应大于0.3mm；

(2)PCB的板边最好全部用GND走线包围；

(3)GND与其它布线之间的距离保持在0.2mm～0.3mm；

(4)Vbat与其它布线之间的距离保持在0.2mm～0.3mm;

(5)重要的线如Reset、Clock等与其它布线之间的距离应大于0.3mm;

(6)大功率的线与其它布线之间的距离保持在0.2mm～0.3mm；

(7)不同层的GND之间应有尽可能多的通孔（VIa）相连；

(8)在最后的铺地时应尽量避免尖角，有尖角应尽量使其平滑。

电路器件的解决方案：

在壳体和PCB的设计中，对ESD问题加以注意之后，ESD还会不可避免地进入到产品的内部电路中，尤其是以下一些端口：USB接口、HDMI接口、IEEE1394接口、天线接口、VGA接口、DVI接口、按键电路、SIM卡、耳机及其他各类数据传输接口，这些端口很可能将人体的静电引入内部电路中。所以，需要在这些端口中使用ESD防护器件。

以往主要使用的静电防护器件是压敏电阻和TVS器件，但这些器件普遍的缺点是响应速度太慢，放电电压不够精确，极间电容大，寿命短，电性能会因多次使用而变差。所以目前行业中普遍使用专业的“静电抑制器（Electrostatic Suppressor）”来取代以往的静电防护器件 。“静电抑制器”是专业解决静电问题的产品，其内部构造和工作原理比其他产品更具科学性和专业性。它由聚合物高分子材料制成，内部菱形分子以规则离散状排列，当静电电压超过该器件的触发电压时，内部分子迅速产生尖端对尖端的放电，将静电在瞬间泄放到地。它最大特点是反应速度快（0.5ns～1ns）、非常低的极间电容（0.05pf～3pf），很小的漏电流（1μA），非常适合各种接口的防护。

因为静电抑制器具有体积小（0603、0402）、无极性、反应速度快等诸多优点，现在的设计中使用静电抑制器作为防护器件的比例越来越多，在使用时应注意以下几点：

1) 将该器件尽量放置在需要保护的端口附近；

2) 到GND的连线尽可能短;

3) 所接GND的面积尽可能大。

4.  ESD测试方法

ESD测试设备分为整机设备ESD试验和元器件ESD测试以及工厂ESD检测。ESD测试要有专门的设备并根据相关的ESD测试标准或参考相关的ESD测试方法才能获得准确的测试结果。不同的ESD测试设备或ESD测试仪是根据不同的ESD测试原理和ESD测试模型进行的。例如对于手机ESD测试就要按手机ESD测试标准或ESD测试方法，在国际上最常用的是IEC61000-4-2，国内是按国家标准GB17626.2。

国际间对电子产品防护人体放电模式的法规要求日益严谨，即使半导体电子组件在出厂前通过零件标准法规的静电测试，被安装到成品后经常仍不能通过系统产层次的法规要求。

IEC 61000-4-2 模拟人体放电（150pF/330W）测试方法包括下列事项.

表3: IEC 61000-4-2 测试电压与环境条件。

5.  ESD保护器件常见种类及优缺点

a)  以硅技术为代表的ESD器件,如瞬态电压抑制器TVS管。

原理：利用PN结的反向击穿，将静电能量导入大地。

优点：响应速度快，钳位电压很低；

因本身不承受静电能量，所以抗冲击次数较高。

这类分立和多通道器件设计用于保护数据线和I/O线免受ESD和低级别瞬态浪涌的伤害。它的关键特性是非常低的钳位电压，这允许它们保护最敏感的电路。

缺点：单向性，实现双向保护必须使用至少两个PN结；

漏电流较大；

容值较高，低容值产品价格较高；

因本身不承受静电能量，所以静电能量走到大地上之后，如果此大地做的不干净，那么可能对局部电路还会产生影响。

b) 以陶瓷技术为代表的ESD器件，如多层压敏电阻MLV, 金属氧化物压敏电阻MOV等

原理：利用氧化锌等压敏材料的特性，实现对静电的防护。

优点：稳定；

无极性；

价格极低；

因本身承受静电能量，所以流到大地上的能量减少很多。

可提供ESD保护和低级别的电涌保护。它们的小形状因子(尺寸已下降到0402

和0201)使得它们非常适合于便携式应用(如手机和数码相机等)。

缺点：钳位电压较高；

漏电流较大；

容值较高，低容值产品价格较高；

因本身承受静电能量，所以抗冲击次数不高。

c) 以聚合物技术为代表的ESD器件

原理：以高分子为载体加入导体粒子、压敏材料、绝缘粒子从而构成一个压敏     

体系，在电压超过一定区间的范围内，由非导体剧变为导体，导电性

电压的升高而急剧增加，从而实现对静电的防护。

优点：无极性；漏电流极低；

 电容极低。

用于产生最小的寄生电容值(<0.2pF)。这一特性允许它们用于高速数字和射频电路，而不会引起任何信号衰减。

缺点：高分子材料，耐高温耐老化能力差；

钳位电压较高；

抗冲击次数不高。

d) 以玻璃陶瓷技术为代表的ESD器件，此为最新技术代表，与上述三类产品的实现技术各不相同

    原理：利用具有非线性电阻特性的玻璃陶瓷两相复合物的材料体系，含有多种氧化物的陶瓷相和玻璃相，该材料体系在被施加低电压时呈高电阻，在被施加高电压时呈低阻态。

优点：无极性；

钳位电压与TVS相当；

漏电流极低，相应速度快；

耐高温，耐老化；

抗冲击次数高。

缺点：触发电压稍高；

目前封装只有0603和0402。

6. ESD保护器件选用和替换原则

ESD保护器件的主要性能参数：

1) 最大工作电压Max Working Voltage：

允许长期连续施加在ESD保护器件两端的工频电压的有效值，在此工作状态下ESD器件保持高阻态，这个电压大于等于正常工作电压即可。

2) 触发电压Triggering  Voltage

ESD元件开始动作（导通）电压，是电压曲线的最高点，这个电压根据被保护对像的工作特性来定，太高了起不到保护作用，太低了会影响到正常工作。

3) 钳位电压Clamping Voltage

关键参数之一，ESD元件上的类似于稳态电压，一般在指定时间（30NS）读取，其值越小使得静电脉冲对被保护器件的损伤越小。

4) 漏电电流Leakage Current

在指定直流工作电压的作用下，ESD保护器件中流过的电流，其值越小对被保护电路影响越小。

5) 电容Capacitance

关键参数之一，给定电压、频率下测得。其值越小，对传输信号影响越小，对数据信号的正常传输起重要作用。但不是说这个值越小越好，大体上，在高频信号需要做ESD防护的时候，就需要1PF以下的低容值。