ESD的產(chǎn)生原理及防護措施

ESD的產(chǎn)生原理及防護措施ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第1頁ESD產(chǎn)生原因幾個常見ESD模型ESD危害ESD防護ESD防護器件擺放ESD與EOS區(qū)分ESD器件類型比較主要內(nèi)容ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第2頁ESD：ElectrostaticDischarge，即是靜電放電。靜電是一個客觀存在自然現(xiàn)象，是一個電能,它存在于物體表面,是正負(fù)電荷在局部失衡時產(chǎn)生一個現(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)出現(xiàn)象總稱。靜電產(chǎn)生方式有各種，如接觸、摩擦、電器間感應(yīng)等。靜電特點是長時間積聚、高電壓、低電量、大電流和作用時間短（ns等級）特點。為何會產(chǎn)生靜電呢？任何物質(zhì)都是由原子組合而成，而原子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為質(zhì)子、中子及電子?？茖W(xué)家們將質(zhì)子定義為正電，中子不帶電，電子帶負(fù)電。在正常情況下，一個原子質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)量相同，正負(fù)電平衡，所以對外表現(xiàn)出不帶電現(xiàn)象。不過電子圍繞于原子核周圍，一經(jīng)外力即脫離軌道，離開原來原子A而侵入其它原子B，A原子因缺乏電子數(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(fù)電現(xiàn)象，稱為陰離子。因為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）形式作用會使原子正負(fù)電不平衡。人體本身動作或與其它物體接觸，分離，摩擦或感應(yīng)等原因，能夠產(chǎn)生幾千伏甚至上萬伏靜電。比如人在化纖地毯上行走大聚會有35KV靜電，翻閱塑料說明書會有7KV靜電產(chǎn)生。ESD產(chǎn)生原因ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第3頁ESD產(chǎn)生原因ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第4頁人體放電模型(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)幾個常見ESD模型ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第5頁

人體放電模型(HBM)ESD是指人體在地上走動摩擦或其它原因在人體上累積了靜電，當(dāng)此人去觸碰IC時，人體上靜電便經(jīng)由ICpin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時間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培瞬間放電電流，此電流可能會把IC內(nèi)元件給燒毀。幾個常見ESD模型

人體放電模型(Human-BodyModel,HBM)ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第6頁幾個常見ESD模型

人體放電模型(Human-BodyModel,HBM)ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第7頁幾個常見ESD模型

人體放電模型(Human-BodyModel,HBM)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-883Cmethod3015.7中HBM等效線路圖，其中人體等效電容定義為100pF,人體等效放電電阻定義為1.5kohmESD的產(chǎn)生原理及防護措施第8頁機器放電模型ESD是指機器本身也積累了靜電，當(dāng)此機器去觸碰IC時，靜電便經(jīng)由ICpin腳放電。機器放電放電過程時間更短，在幾十ns時間內(nèi)會有數(shù)安培瞬間放電電流產(chǎn)生。幾個常見ESD模型

機器放電模型(MachineModel,MM)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EIAJ-IC-121method20中MM等效電路圖，其中機器等效電容定義為200pF，機器等效放電電阻為0ohmESD的產(chǎn)生原理及防護措施第9頁幾個常見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放電電流比較圖ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第10頁幾個常見ESD模型

機器放電模型(MachineModel,MM)ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第11頁元件充電模型是指IC本身先因摩擦或其它原因而在IC內(nèi)部累積了靜電，但在靜電累積過程中IC并未損傷。在處理此IC過程中，ICpin腳觸碰到了地，IC內(nèi)部靜電便經(jīng)由IC內(nèi)部pin腳流出來，而造成了放電現(xiàn)象。此種模式放電時間更短，僅約為幾ns，而且放電現(xiàn)象更難以被真實模擬。因為IC內(nèi)部積累靜電會因IC內(nèi)部等效電容不一樣而改變。幾個常見ESD模型

元件充電模型(Charged-DeviceModel,CDM)ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第12頁幾個常見ESD模型

元件充電模型(Charged-DeviceModel,CDM)兩種常見CDM放電情況ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第13頁幾個常見ESD模型

元件充電模型(Charged-DeviceModel,CDM)CDM測試標(biāo)準(zhǔn)ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第14頁幾個常見ESD模型

元件充電模型(Charged-DeviceModel,CDM)HBM2kV,MM200V,CDM1kV三種模型放電電流比較圖CDM更輕易造成IC損傷ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第15頁FIM靜電放電是因電場感應(yīng)而引發(fā)。當(dāng)IC因傳輸帶或其它原因，經(jīng)過一個電場時，其相對極性電荷可能會從ICpin腳排放掉，這么當(dāng)IC經(jīng)過電場以后，IC便累積了靜電。此靜電再以類似CDM放電模型情況放電出來。幾個常見ESD模型

電場感應(yīng)模型(Field-InducedModel,FIM)ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第16頁ESD（靜電放電）對電子產(chǎn)品造成破壞和損傷有突發(fā)性損傷和潛在性損傷兩種。所謂突發(fā)性損傷，指是器件被嚴(yán)重?fù)p壞，功效喪失。這種損傷通常能夠在生產(chǎn)過程中質(zhì)量檢測中能夠發(fā)覺，所以給工廠帶來主要是返工維修成本。而潛在性損傷指是器件個別被損，功效還未喪失，且在生產(chǎn)過程檢測中不能發(fā)覺，但在使用當(dāng)中會使產(chǎn)品變得不穩(wěn)定，時好時壞，因而對產(chǎn)品質(zhì)量組成更大危害。

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%靜電損傷是沒方法檢測到，只有到了用戶手里使用時才會發(fā)覺。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進入點。手機出現(xiàn)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、按鍵犯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(rèn)為是電子產(chǎn)品質(zhì)量最大潛在殺手，靜電防護也成為電子產(chǎn)品質(zhì)量控制一項主要內(nèi)容。而我國外品牌手機使用時穩(wěn)定性差異也基礎(chǔ)上反應(yīng)了他們在靜電防護及產(chǎn)品防靜電設(shè)計上差異。ESD危害

ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第17頁基礎(chǔ)方法1、接地，接地就是將靜電經(jīng)過一條線連接放入大地，這是防靜電辦法中最直接最有效。導(dǎo)體常見接地方法有：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區(qū)域中，用靜電屏蔽方法可減弱外界靜電對電子元件影響。最通常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，對絕緣體靜電消除，用接地方法是無效，通常采取方法是離子中和，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(rèn)證ESD等級2）IO接口線路上擺放ESD防護器件（ESD防護器件能夠有效抑制由ESD放電產(chǎn)生直接電荷注入）3）做好EMI防護（PCB設(shè)計中更主要是克服放電電流產(chǎn)生電磁干擾效應(yīng)）ESD防護---基礎(chǔ)方法ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第18頁(1)控制靜電生成環(huán)境

①濕度控制，在不致造成器材或產(chǎn)品腐蝕生銹或其它危害前提下,盡可能加大濕度。

②溫度控制，在可能條件下盡可能降低溫度,包含環(huán)境溫度和物體接觸溫度。

③塵?？刂?，此為預(yù)防附著(吸附)帶電主要辦法。

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)品運輸傳遞和存放及包裝應(yīng)采取靜電防護辦法。

⑥噴射、流動、運輸、纏繞和分離速度應(yīng)予控制,在液體、粉體等材料輸送管道中使用緩解器。(2)預(yù)防人體帶電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防護---工廠操作防護ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第19頁常見ESD防護器件：IO口二極管陣列ESD防護---常見器件ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第20頁ESD防護器件普通連接方式ESD防護---常見器件ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第21頁ESD電流路徑上寄生自感影響ESD防護器件擺放被保護IC所承受電壓Vx其中VF1為D1正向?qū)妷篍SD的產(chǎn)生原理及防護措施第22頁常見ESD防護器件：電源或接口保護器件TVSESD的產(chǎn)生原理及防護措施第23頁常見ESD防護器件：電源或接口保護器件TVSESD的產(chǎn)生原理及防護措施第24頁在PCB布線時，遵照幾個簡單規(guī)則就能夠使這些寄生自感最?。?）盡可能地，用Vcc和地平面充當(dāng)電源和地分散能量。2）ESD器件盡可能靠近接口放置，確保印刷電路上走線從ESD保護二極管陣列Vp和Vn到Vcc和地平面間走線盡可能地短、寬。理想情況是，將Vp和Vn直接經(jīng)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)等于或略高于電路正常工作電壓，不能低于被保護器件或線路正常工作電壓。3）VBR不能小于電路最大允許工作電壓。4）Cd為ESD/TVS器件引腳寄生電容，通信速率越高，線路上使用ESD保護器件結(jié)電容要越低。5）

最大峰值脈沖功率（PN=VC·IPP）：確定電路干擾脈沖情況，依據(jù)干擾脈沖波形、脈沖連續(xù)時間，確定能夠有效抑制該干擾TVS峰值脈沖功率。ESD防護器件擺放及選擇ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第25頁ESD與EOS區(qū)分EOS:ElectricalOverStress指全部過分電性應(yīng)力，超出其最大指定極限后，器件功效會減弱或損壞。ESD:ElectricalstaticDischarge靜電放電，電荷從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體。ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第26頁ESD與EOS區(qū)分

ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第27頁瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)、壓敏電阻、玻璃陶瓷GcDiode靜電抑制器和聚合物是近幾年發(fā)展起來幾個專用ESD保護元件。其中前三種元件均采取電壓鉗位方式進行保護，帶導(dǎo)電粒子聚合物則是采取消弧(crowbar)保護策略。壓敏電阻、玻璃陶瓷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)壓敏電阻即使在成本上含有一定優(yōu)勢，但它存在一個最大問題是體積太大，無法滿足手持設(shè)備封裝要求。實際上，與壓敏電阻相比，基于硅材料TVS含有更加好鉗制性能、更低泄漏和更長使用壽命。高分子聚合物和TVS在多重應(yīng)力下依然可保持強大性能，而壓敏電阻則會伴隨使用次數(shù)增多性能下降。TVS技術(shù)利用是半導(dǎo)體鉗位原理，在經(jīng)受瞬時高壓時，會馬上將能量釋放出去，而壓敏電阻采取是物理吸收原理，所以每經(jīng)過一次ESD事件，材料就會受到一定物理損傷，形成無法恢復(fù)漏電通道?！癟VS技術(shù)原理就好像傳統(tǒng)打太極，能夠輕松釋放掉能量而不是直接與之反抗”。這么做好處是器件不會受到損害，基礎(chǔ)上沒有壽命限制。從現(xiàn)場展示TVS與壓敏電阻鉗制電壓曲線來看，TVS器件能夠在極短時間內(nèi)將輸入大電壓鉗制到5至6伏水平，而壓敏電阻曲線則下降得非常遲緩，而且無法到達TVS器件效果。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ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第28頁ESD器件類型比較ESD的產(chǎn)生原理及防護措施第29頁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)I-V