ESD的產(chǎn)生原理及防護措施

ESD產(chǎn)生原理與預(yù)防目前一頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點ESD的產(chǎn)生原因幾種常見的ESD模型ESD的危害ESD的防護ESD防護器件的擺放ESD與EOS的區(qū)別ESD器件類型比較主要內(nèi)容目前二頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點ESD：ElectrostaticDischarge，即是靜電放電。靜電是一種客觀存在的自然現(xiàn)象，是一種電能,它存在于物體表面,是正負電荷在局部失衡時產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。靜電現(xiàn)象是指電荷在產(chǎn)生與消失過程中所表現(xiàn)出的現(xiàn)象的總稱。靜電產(chǎn)生的方式有多種，如接觸、摩擦、電器間感應(yīng)等。靜電的特點是長時間積聚、高電壓、低電量、大電流和作用時間短（ns級別）的特點。為什么會產(chǎn)生靜電呢？任何物質(zhì)都是由原子組合而成，而原子的基本結(jié)構(gòu)為質(zhì)子、中子及電子。科學(xué)家們將質(zhì)子定義為正電，中子不帶電，電子帶負電。在正常狀況下，一個原子的質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)量相同，正負電平衡，所以對外表現(xiàn)出不帶電的現(xiàn)象。但是電子環(huán)繞于原子核周圍，一經(jīng)外力即脫離軌道，離開原來的原子A而侵入其他的原子B，A原子因缺少電子數(shù)而帶有正電現(xiàn)象，稱為陽離子、B原子因增加電子數(shù)而呈帶負電現(xiàn)象，稱為陰離子。由于外界作用如摩擦或以各種能量（如動能、位能、熱能、化學(xué)能等）的形式作用會使原子的正負電不平衡。人體自身的動作或與其他物體的接觸，分離，摩擦或感應(yīng)等因素，可以產(chǎn)生幾千伏甚至上萬伏的靜電。比如人在化纖地毯上行走大約會有35KV的靜電，翻閱塑料說明書會有7KV靜電產(chǎn)生。ESD的產(chǎn)生原因目前三頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點ESD的產(chǎn)生原因目前四頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點人體放電模型(Human-BodyModel,HBM)機器放電模型(MachineModel,MM)元件充電模型(Charged-DeviceModel,CDM)電場感應(yīng)模型(Field-InducedModel,FIM)幾種常見的ESD模型目前五頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點

人體放電模型(HBM)的ESD是指人體在地上走動摩擦或其他因素在人體上累積了靜電，當此人去觸碰IC時，人體上的靜電便經(jīng)由IC的pin腳進入IC內(nèi)部，再經(jīng)由IC內(nèi)部放電到地。

放電過程會在幾百ns的時間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培的瞬間放電電流，此電流可能會把IC內(nèi)的元件給燒毀。幾種常見的ESD模型

人體放電模型(Human-BodyModel,HBM)目前六頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點幾種常見的ESD模型

人體放電模型(Human-BodyModel,HBM)目前七頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點幾種常見的ESD模型

人體放電模型(Human-BodyModel,HBM)工業(yè)標準MIL-STD-883Cmethod3015.7中HBM的等效線路圖，其中人體的等效電容定義為100pF,人體的等效放電電阻定義為1.5kohm目前八頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點機器放電模型的ESD是指機器本身也積累了靜電，當此機器去觸碰IC時，靜電便經(jīng)由IC的pin腳放電。機器放電的放電過程時間更短，在幾十ns的時間內(nèi)會有數(shù)安培的瞬間放電電流產(chǎn)生。幾種常見的ESD模型

機器放電模型(MachineModel,MM)工業(yè)標準EIAJ-IC-121method20中MM的等效電路圖，其中機器的等效電容定義為200pF，機器的等效放電電阻為0ohm目前九頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點幾種常見的ESD模型

機器放電模型(MachineModel,MM)人體放電模型2kV和機器放電模型200V的放電電流比較圖目前十頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點幾種常見的ESD模型

機器放電模型(MachineModel,MM)目前十一頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點元件充電模型是指IC本身先因摩擦或其它因素而在IC內(nèi)部累積了靜電，但在靜電累積的過程中IC并未損傷。在處理此IC的過程中，IC的pin腳觸碰到了地，IC內(nèi)部的靜電便經(jīng)由IC內(nèi)部的pin腳流出來，而造成了放電現(xiàn)象。此種模式的放電時間更短，僅約為幾ns，而且放電現(xiàn)象更難以被真實的模擬。因為IC內(nèi)部積累的靜電會因IC內(nèi)部的等效電容的不同而改變。幾種常見的ESD模型

元件充電模型(Charged-DeviceModel,CDM)目前十二頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點幾種常見的ESD模型

元件充電模型(Charged-DeviceModel,CDM)兩種常見的CDM的放電情況目前十三頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點幾種常見的ESD模型

元件充電模型(Charged-DeviceModel,CDM)CDM測試標準目前十四頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點幾種常見的ESD模型

元件充電模型(Charged-DeviceModel,CDM)HBM2kV,MM200V,CDM1kV三種模型的放電電流比較圖CDM更容易造成IC的損傷目前十五頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點FIM的靜電放電是因電場感應(yīng)而引起的。當IC因傳輸帶或其它因素，經(jīng)過一個電場時，其相對極性的電荷可能會從IC的pin腳排放掉，這樣當IC通過電場以后，IC便累積了靜電。此靜電再以類似CDM放電模型的情況放電出來。幾種常見的ESD模型

電場感應(yīng)模型(Field-InducedModel,FIM)目前十六頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點ESD（靜電放電）對電子產(chǎn)品造成的破壞和損傷有突發(fā)性損傷和潛在性損傷兩種。所謂突發(fā)性損傷，指的是器件被嚴重損壞，功能喪失。這種損傷通常能夠在生產(chǎn)過程中的質(zhì)量檢測中能夠發(fā)現(xiàn)，因此給工廠帶來的主要是返工維修的成本。而潛在性損傷指的是器件部分被損，功能尚未喪失，且在生產(chǎn)過程的檢測中不能發(fā)現(xiàn)，但在使用當中會使產(chǎn)品變得不穩(wěn)定，時好時壞，因而對產(chǎn)品質(zhì)量構(gòu)成更大的危害。

這兩種損傷中，潛在性失效占據(jù)了90%，突發(fā)性失效只占10%。也就是說90%的靜電損傷是沒辦法檢測到，只有到了用戶手里使用時才會發(fā)現(xiàn)。比如手機屏幕、攝像頭、揚聲器、聽筒、耳機插口、鍵區(qū)、MIC、USB接口、音量鍵、T-Flash卡、SIM卡等都可能成為ESD的進入點。手機出現(xiàn)的經(jīng)常死機、自動關(guān)機、話音質(zhì)量差、雜音大、信號時好時差、按鍵出錯等問題有絕大多數(shù)與靜電損傷相關(guān)。也因為這一點，靜電放電被認為是電子產(chǎn)品質(zhì)量最大的潛在殺手，靜電防護也成為電子產(chǎn)品質(zhì)量控制的一項重要內(nèi)容。而國內(nèi)外品牌手機使用時穩(wěn)定性的差異也基本上反映了他們在靜電防護及產(chǎn)品的防靜電設(shè)計上的差異。ESD的危害

目前十七頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點基本方法1、接地，接地就是將靜電通過一條線的連接放入大地，這是防靜電措施中最直接最有效的。導(dǎo)體常用的接地方法有：帶防靜電手腕及工作表面接地等。

2、靜電屏蔽，靜電敏感元件在儲存或運輸過程中會暴露于有靜電的區(qū)域中，用靜電屏蔽的方法可削弱外界靜電對電子元件的影響。最通常的方法是用靜電屏蔽袋作為保護。3、離子中和，絕緣體往往是易產(chǎn)生靜電的，對絕緣體靜電的消除，用接地方法是無效的，通常采用的方法是離子中和，即在工作環(huán)境中使用離子風(fēng)機，離子氣槍。

電路設(shè)計中需注意一下幾點1）器件選型時必須認證ESD等級2）IO接口線路上擺放ESD防護器件（ESD防護器件可以有效的抑制由ESD放電產(chǎn)生的直接電荷注入）3）做好EMI防護（PCB設(shè)計中更重要的是克服放電電流產(chǎn)生的電磁干擾效應(yīng)）ESD的防護---基本方法目前十八頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點(1)控制靜電的生成環(huán)境

①濕度控制，在不致導(dǎo)致器材或產(chǎn)品腐蝕生銹或其他危害前提下,盡量加大濕度。

②溫度控制，在可能條件下盡量降低溫度,包括環(huán)境溫度和物體接觸溫度。

③塵?？刂?，此為防止附著(吸附)帶電的重要措施。

④地板、桌椅面料和工作臺墊應(yīng)由防靜電材料制成,并正確接地。

⑤靜電敏感產(chǎn)品的運送傳遞和存儲及包裝應(yīng)采取靜電防護措施。

⑥噴射、流動、運送、纏繞和分離速度應(yīng)予控制,在液體、粉體等材料的輸送管道中使用緩和器。(2)防止人體帶電①操作者應(yīng)該佩戴防靜電腕帶，應(yīng)該穿著防靜電服裝，鞋，圍巾，椅子應(yīng)該套防靜電套。（一端與人體接觸，另一端與地線相連）

ESD的防護---工廠操作防護目前十九頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點常用的ESD防護器件：IO口二極管陣列ESD的防護---常用器件目前二十頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點ESD防護器件的一般連接方式ESD的防護---常用器件目前二十一頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點ESD電流路徑上寄生自感的影響ESD防護器件的擺放被保護IC所承受的電壓Vx其中VF1為D1的正向?qū)妷耗壳岸揬總數(shù)三十二頁\編于十二點常用的ESD防護器件：電源或接口保護器件TVS目前二十三頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點常用的ESD防護器件：電源或接口保護器件TVS目前二十四頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點在PCB布線時，遵循幾個簡單的規(guī)則就可以使這些寄生自感最?。?）盡可能地，用Vcc和地平面充當電源和地分散能量。2）ESD器件盡量靠近接口放置，確保印刷電路上的走線從ESD保護二極管陣列的Vp和Vn到Vcc和地平面間走線盡量地短、寬。理想情況是，將Vp和Vn直接通過多個口連到Vcc和地平面。3）在Vp和地平面間連入一個高頻旁路電容---用最短的走線使自感最小。

在ESD保護器件選擇時注意以下幾個參數(shù)：1）Vc即鉗位電壓不能大于被保護回路的可承受極限電壓。2）選型時應(yīng)使Vrwm（維持電壓-在此階段TVS為不導(dǎo)通之狀態(tài)）應(yīng)等于或略高于電路的正常工作電壓，不能低于被保護器件或線路的正常工作電壓。3）VBR不能小于電路的最大允許工作電壓。4）Cd為ESD/TVS器件的引腳寄生電容，通信速率越高，線路上使用的ESD保護器件的結(jié)電容要越低。5）

最大峰值脈沖功率（PN=VC·IPP）：確定電路的干擾脈沖情況，根據(jù)干擾脈沖的波形、脈沖持續(xù)時間，確定能夠有效抑制該干擾的TVS峰值脈沖功率。ESD防護器件的擺放及選擇目前二十五頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點ESD與EOS的區(qū)別EOS:ElectricalOverStress指所有的過度電性應(yīng)力，超過其最大指定極限后，器件功能會減弱或損壞。ESD:ElectricalstaticDischarge靜電放電，電荷從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體。目前二十六頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點ESD與EOS的區(qū)別

目前二十七頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)、壓敏電阻、玻璃陶瓷的GcDiode靜電抑制器和聚合物是近幾年發(fā)展起來的幾種專用ESD保護元件。其中前三種元件均采用電壓鉗位的方式進行保護，帶導(dǎo)電粒子的聚合物則是采用消弧(crowbar)保護策略。壓敏電阻、玻璃陶瓷的GcDiode靜電抑制器和聚合物支持雙向保護，但TVS可支持單向或雙向保護。

傳統(tǒng)的壓敏電阻雖然在成本上具有一定優(yōu)勢，但它存在的一個最大問題是體積太大，無法滿足手持設(shè)備的封裝要求。事實上，與壓敏電阻相比，基于硅材料的TVS具有更好的鉗制性能、更低的泄漏和更長的使用壽命。高分子聚合物和TVS在多重應(yīng)力下仍然可保持強大的性能，而壓敏電阻則會隨著使用次數(shù)的增多性能下降。TVS技術(shù)利用的是半導(dǎo)體的鉗位原理，在經(jīng)受瞬時高壓時，會立即將能量釋放出去，而壓敏電阻采用的是物理吸收原理，因此每經(jīng)過一次ESD事件，材料就會受到一定的物理損傷，形成無法恢復(fù)的漏電通道?！癟VS技術(shù)的原理就好像傳統(tǒng)的打太極，可以輕松釋放掉能量而不是直接與之對抗”。這樣做的好處是器件不會受到損害，基本上沒有壽命限制。從現(xiàn)場展示的TVS與壓敏電阻的鉗制電壓曲線來看，TVS器件可以在極短時間內(nèi)將輸入的大電壓鉗制到5至6伏的水平，而壓敏電阻的曲線則下降得非常緩慢，并且無法達到TVS器件的效果。這表明TVS器件在響應(yīng)時間和鉗制性能方面均優(yōu)于壓敏電阻。ESD器件類型比較目前二十八頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點ESD器件類型比較目前二十九頁\總數(shù)三十二頁\編于十二點ESD器件類型比較雙向消弧保護器件(黑色)和單向鉗位保護器件(紅色)的I-V