ESD(静电)原理、测试方法及设计对策

ESD原理 测试方法及设计对策 内部使用 简要提纲 1 ESD原理2 ESD测试2 1ESD测试方法2 2ESD调试步骤3 ESD设计应对策略3 1结构设计对策 整机3 2硬件设计对策 主板4 鸣谢 内部使用 1 ESD原理 ESD是英文ElectroStaticDischarge即 静电放电 意思 静电是由于物体之间相互摩擦起电所形成的高压电场 这样的高压会对电子设备例如手机瞬时放电 从而导致设备暂时性功能失效甚至永久性的损伤 我们要做的课题就是分析ESD产生的机理 建立合理的测试方法和标准 从设计上采取合理的方式来防止静电对手机的损害 保证我们设计出来的手机可以抵抗一定等级静电损害 提高产品的可靠性 ESD对电子设备的影响按程度分为破坏和干扰 破坏导致暂时隐性或者永久性损伤 干扰导致电子设备暂时功能失效 从作用机理上可分为传导和耦合 内部使用 ESD两种主要的破坏机制 由ESD电流产生热量导致设备的热失效 由ESD感应出过高电压导致绝缘击穿 两种破坏可能在一个设备中同时发生 例如 绝缘击穿可能激发大的电流 这又进一步导致热失效 具体从手机的产品特性来讲 静电损坏的机理可以简单降为传导干扰 击穿和耦合干扰 击穿 特别是耦合干扰 击穿易发生在手机外壳有大面积金属的产品中 也就是说静电不仅仅是所谓的 打 到手机外壳的狭缝或者接口中 也会通过感应电场 在电子器件内部产生瞬时高压 导致手机内部信号波形畸变导致功能失效 或者直接击穿器件 导致永久性损伤 ESD属于EMC中EMS的一部分 适用标准GB T17626 2 IEC61000 4 2 EN61000 4 2 之间关系是等同的 内部使用 建立合理有效的静电测试模型 对于有效控制产品防ESD的能力 非常重要 目前业界提出的通用静电模型有3种 人体模型 HBM 机器静电放电模型 MM 充电器件模型 CDM 这3种模型适用不同的静电放电场合 其中最常用的是HBM模型 同样静电电压等级下 对器件的损MM CDM HBM 目前产品规格书最常见的是HBM MM模型 CDM提到的不多 下面是同一个器件 三种模型下的静电等级 电子器件标准一般是HBM接触2kv 具体手机静电测试标准是按照HBM制定的 细分为空气放电和接触放电 参考国标GB T17626 2 2 ESD测试 内部使用 HBM放电波形 内部使用 2 1ESD测试方法 湿度要求在35 60 建议取40 温度要求在15 30 建议25 大气压力要求在86kpa 106kpa 其他的实验室要求请参考GB T17626 2 1998环境状况特别是湿度一定要在测试报告中记录 和静电测试关系最大 具体要求参考公司静电规范文件 ESD测试规范 ESD作业办法 ESD测试报告 内部使用 ESD测试规范 详细制定了手机静电测试环境和判定的标准 ESD作业办法 具体规定了如何使用静电枪进行合理有效的测试 ESD测试报告 用于记录手机每个放电点的通过静电等级 内部使用 国标的手机静电测试只定义了整机的静电测试标准 锐嘉科送CTA整机的静电测试标准是手机连充电器空气放电 12kv 量产标准是通话不连充电器空气放电 8kv 锌合金整机 6kv可以放行 公司内部为了保证硬件主板的抗静电性能 要求所有主板所有地裸露部分接触放电要过 6kv 在做静电测试时 要用原装电池供电 不要用电源供电 整机静电和电池的质量有很大关系 保证整机装配良好 所有螺丝打上 金属外壳和主板的接地电阻保证在1ohm以内 内部使用 2 2ESD调试步骤 首先 我们必须要消除对静电的恐惧心理 要坚定地相信静电是有迹可循的 是可以量化可以定位解决的 在实际解决静电问题过程中 工程师往往花几天甚至数个星期的时间去定位到底是那个点被打死了 并且反复时有发生 陷入一筹莫展的境地 之所以会这样 一是因为ESD存在传导和耦合两条干扰途径 耦合本身就存在随机干扰 二是ESD性能受结构整机和主板本身两方面的影响 多个问题绕着一起 容易导致结论的反复 因此 我们解决静电问题要有清晰的思路 内部使用 2 2 1ESD调试的基础步骤 1 要做好记录工作 建立一个excel表格 把每一个点的通过的静电电压都记录下来 把实验步骤也记录下来 分析时 先从低电压打 逐级提高 例如2kv 3kv 2 首先要保证主板地露铜击穿放电的稳定性和一致性 规定是稳定通过 6kv接触放电 最少不低于4kv 这个是非常关键的步骤 3 在保证主板静电性能的前提下 保证主板和配套小板的良好接地 必须大面积接地 例如滑盖机通过滑轨接地 翻盖机FPC接地 键盘板露铜接地 锌合金和主板良好接地 屏通过金属框接地等等 接地电阻要求1ohm以下 这是阻断ESD形成耦合电场 防止随机干扰产生的必要手段 内部使用 2 2 2主板ESD调试方法 1 主板只保留喇叭或者屏 把Powekey直接短接到地 这样死机后会自动重启 同时用夹子电池 直接扣在电池座上 这样可以明显提高实验效率 2 检查PCB走线 标出可能被静电打死的信号 PowerON OFF SYSRST VBATsense 同时结合手机布局 按照从低到高的顺序逐个对怀疑的点进行排查 接触放电 空气放电 定位容易打死的点后 在信号上加TVS 确认是否有效 3 排查一遍后 对整个主板静电就有了全面的把握 待主板稳定后 就可以进行整机验证了 内部使用 主板ESD测试示例 内部使用 2 2 3整机ESD调试方法 在保证2 2 2主板调试通过的基础上 就可以进行整机调试了 注意整机电池 充电器要用质量可靠的 在整机调试的过程中 首先保证主板裸露的焊盘堵上 不会和金属外壳短路 或者形成电弧放电 保证屏的金属框 无金属框 要做FPC露铜 各个小板之间的地直接接地 消除结构的尖端 锌合金外壳 通过导电泡棉4 6个点把主板地均匀接起来 确认整机装配良好开始测试 整机静电的一个重要原则 以接地为主 内部使用 3 ESD应对策略 ESD应对策略分为前期设计预防和后期补救两部分 前期预防和后期补救要遵循以下原则 1 设计时要充分考虑结构堵和导的可行性 配合主板留好接地位置 改用非导电材料 在PCB布局布线评审阶段 结构和硬件要一起核对 同时保证主板地的完整性 2 ESD电路设计预防和后期补救都要从静电入口进行 这样代价最小 同时注意成本最小 量产可行 避免手工装配操作 3 整机静电防护要保证先堵后导 堵要充分堵 导也要保证充分导 内部使用 3 1结构设计对策 整机 考虑好锌合金外壳 金属电池盖 按键 电镀装饰件能否和主板的露铜 屏蔽罩良好接地 对必须留孔的喇叭 听筒 MIC 侧键等 留一定的绝缘距离 电镀件装配时尽量远离主板裸露的器件 板边等 翻盖机 旋转机考虑好上下板FPC留出专用的地焊脚 或者利用金属转轴实现上下板接地 滑盖机通过滑轨充分接地 选用合理的工艺和装配件 例如内层电镀 屏加铁框 接插件要加金属外壳接地 选用非金属或者加绝缘层的喇叭 听筒等等 后期加导电布 Mylar 刷绝缘漆 导电漆等材料做为补救措施 内部使用 3 2硬件设计对策 主板 1 原理图设计阶段 在听筒 喇叭 MIC 尾插 键盘电路预留静电防护措施 如串电阻 加TVS 压敏电阻 齐纳管 大的滤波电容等等 2 PCB布局阶段 要把静电防护器件靠近静电入口放置 保证BB