ESD的产生原理及防护措施

ESD的产生原理及防护措施ESD的产生原理及防护措施第1页ESD产生原因几个常见ESD模型ESD危害ESD防护ESD防护器件摆放ESD与EOS区分ESD器件类型比较主要内容ESD的产生原理及防护措施第2页ESD：ElectrostaticDischarge，即是静电放电。静电是一个客观存在自然现象，是一个电能,它存在于物体表面,是正负电荷在局部失衡时产生一个现象。静电现象是指电荷在产生与消失过程中所表现出现象总称。静电产生方式有各种，如接触、摩擦、电器间感应等。静电特点是长时间积聚、高电压、低电量、大电流和作用时间短（ns等级）特点。为何会产生静电呢？任何物质都是由原子组合而成，而原子基础结构为质子、中子及电子。科学家们将质子定义为正电，中子不带电，电子带负电。在正常情况下，一个原子质子数与电子数量相同，正负电平衡，所以对外表现出不带电现象。不过电子围绕于原子核周围，一经外力即脱离轨道，离开原来原子A而侵入其它原子B，A原子因缺乏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。因为外界作用如摩擦或以各种能量（如动能、位能、热能、化学能等）形式作用会使原子正负电不平衡。人体本身动作或与其它物体接触，分离，摩擦或感应等原因，能够产生几千伏甚至上万伏静电。比如人在化纤地毯上行走大聚会有35KV静电，翻阅塑料说明书会有7KV静电产生。ESD产生原因ESD的产生原理及防护措施第3页ESD产生原因ESD的产生原理及防护措施第4页人体放电模型(Human-BodyModel,HBM)机器放电模型(MachineModel,MM)元件充电模型(Charged-DeviceModel,CDM)电场感应模型(Field-InducedModel,FIM)几个常见ESD模型ESD的产生原理及防护措施第5页

人体放电模型(HBM)ESD是指人体在地上走动摩擦或其它原因在人体上累积了静电，当此人去触碰IC时，人体上静电便经由ICpin脚进入IC内部，再经由IC内部放电到地。

放电过程会在几百ns时间内产生数安培瞬间放电电流，此电流可能会把IC内元件给烧毁。几个常见ESD模型

人体放电模型(Human-BodyModel,HBM)ESD的产生原理及防护措施第6页几个常见ESD模型

人体放电模型(Human-BodyModel,HBM)ESD的产生原理及防护措施第7页几个常见ESD模型

人体放电模型(Human-BodyModel,HBM)工业标准MIL-STD-883Cmethod3015.7中HBM等效线路图，其中人体等效电容定义为100pF,人体等效放电电阻定义为1.5kohmESD的产生原理及防护措施第8页机器放电模型ESD是指机器本身也积累了静电，当此机器去触碰IC时，静电便经由ICpin脚放电。机器放电放电过程时间更短，在几十ns时间内会有数安培瞬间放电电流产生。几个常见ESD模型

机器放电模型(MachineModel,MM)工业标准EIAJ-IC-121method20中MM等效电路图，其中机器等效电容定义为200pF，机器等效放电电阻为0ohmESD的产生原理及防护措施第9页几个常见ESD模型

机器放电模型(MachineModel,MM)人体放电模型2kV和机器放电模型200V放电电流比较图ESD的产生原理及防护措施第10页几个常见ESD模型

机器放电模型(MachineModel,MM)ESD的产生原理及防护措施第11页元件充电模型是指IC本身先因摩擦或其它原因而在IC内部累积了静电，但在静电累积过程中IC并未损伤。在处理此IC过程中，ICpin脚触碰到了地，IC内部静电便经由IC内部pin脚流出来，而造成了放电现象。此种模式放电时间更短，仅约为几ns，而且放电现象更难以被真实模拟。因为IC内部积累静电会因IC内部等效电容不一样而改变。几个常见ESD模型

元件充电模型(Charged-DeviceModel,CDM)ESD的产生原理及防护措施第12页几个常见ESD模型

元件充电模型(Charged-DeviceModel,CDM)两种常见CDM放电情况ESD的产生原理及防护措施第13页几个常见ESD模型

元件充电模型(Charged-DeviceModel,CDM)CDM测试标准ESD的产生原理及防护措施第14页几个常见ESD模型

元件充电模型(Charged-DeviceModel,CDM)HBM2kV,MM200V,CDM1kV三种模型放电电流比较图CDM更轻易造成IC损伤ESD的产生原理及防护措施第15页FIM静电放电是因电场感应而引发。当IC因传输带或其它原因，经过一个电场时，其相对极性电荷可能会从ICpin脚排放掉，这么当IC经过电场以后，IC便累积了静电。此静电再以类似CDM放电模型情况放电出来。几个常见ESD模型

电场感应模型(Field-InducedModel,FIM)ESD的产生原理及防护措施第16页ESD（静电放电）对电子产品造成破坏和损伤有突发性损伤和潜在性损伤两种。所谓突发性损伤，指是器件被严重损坏，功效丧失。这种损伤通常能够在生产过程中质量检测中能够发觉，所以给工厂带来主要是返工维修成本。而潜在性损伤指是器件个别被损，功效还未丧失，且在生产过程检测中不能发觉，但在使用当中会使产品变得不稳定，时好时坏，因而对产品质量组成更大危害。

这两种损伤中，潜在性失效占据了90%，突发性失效只占10%。也就是说90%静电损伤是没方法检测到，只有到了用户手里使用时才会发觉。比如手机屏幕、摄像头、扬声器、听筒、耳机插口、键区、MIC、USB接口、音量键、T-Flash卡、SIM卡等都可能成为ESD进入点。手机出现经常死机、自动关机、话音质量差、杂音大、信号时好时差、按键犯错等问题有绝大多数与静电损伤相关。也因为这一点，静电放电被认为是电子产品质量最大潜在杀手，静电防护也成为电子产品质量控制一项主要内容。而我国外品牌手机使用时稳定性差异也基础上反应了他们在静电防护及产品防静电设计上差异。ESD危害

ESD的产生原理及防护措施第17页基础方法1、接地，接地就是将静电经过一条线连接放入大地，这是防静电办法中最直接最有效。导体常见接地方法有：带防静电手腕及工作表面接地等。

2、静电屏蔽，静电敏感元件在储存或运输过程中会暴露于有静电区域中，用静电屏蔽方法可减弱外界静电对电子元件影响。最通常方法是用静电屏蔽袋作为保护。3、离子中和，绝缘体往往是易产生静电，对绝缘体静电消除，用接地方法是无效，通常采取方法是离子中和，即在工作环境中使用离子风机，离子气枪。

电路设计中需注意一下几点1）器件选型时必须认证ESD等级2）IO接口线路上摆放ESD防护器件（ESD防护器件能够有效抑制由ESD放电产生直接电荷注入）3）做好EMI防护（PCB设计中更主要是克服放电电流产生电磁干扰效应）ESD防护---基础方法ESD的产生原理及防护措施第18页(1)控制静电生成环境

①湿度控制，在不致造成器材或产品腐蚀生锈或其它危害前提下,尽可能加大湿度。

②温度控制，在可能条件下尽可能降低温度,包含环境温度和物体接触温度。

③尘埃控制，此为预防附着(吸附)带电主要办法。

④地板、桌椅面料和工作台垫应由防静电材料制成,并正确接地。

⑤静电敏感产品运输传递和存放及包装应采取静电防护办法。

⑥喷射、流动、运输、缠绕和分离速度应予控制,在液体、粉体等材料输送管道中使用缓解器。(2)预防人体带电①操作者应该佩戴防静电腕带，应该穿着防静电服装，鞋，围巾，椅子应该套防静电套。（一端与人体接触，另一端与地线相连）

ESD防护---工厂操作防护ESD的产生原理及防护措施第19页常见ESD防护器件：IO口二极管阵列ESD防护---常见器件ESD的产生原理及防护措施第20页ESD防护器件普通连接方式ESD防护---常见器件ESD的产生原理及防护措施第21页ESD电流路径上寄生自感影响ESD防护器件摆放被保护IC所承受电压Vx其中VF1为D1正向导通电压ESD的产生原理及防护措施第22页常见ESD防护器件：电源或接口保护器件TVSESD的产生原理及防护措施第23页常见ESD防护器件：电源或接口保护器件TVSESD的产生原理及防护措施第24页在PCB布线时，遵照几个简单规则就能够使这些寄生自感最小：1）尽可能地，用Vcc和地平面充当电源和地分散能量。2）ESD器件尽可能靠近接口放置，确保印刷电路上走线从ESD保护二极管阵列Vp和Vn到Vcc和地平面间走线尽可能地短、宽。理想情况是，将Vp和Vn直接经过多个口连到Vcc和地平面。3）在Vp和地平面间连入一个高频旁路电容---用最短走线使自感最小。

在ESD保护器件选择时注意以下几个参数：1）Vc即钳位电压不能大于被保护回路可承受极限电压。2）选型时应使Vrwm（维持电压-在此阶段TVS为不导通之状态）应等于或略高于电路正常工作电压，不能低于被保护器件或线路正常工作电压。3）VBR不能小于电路最大允许工作电压。4）Cd为ESD/TVS器件引脚寄生电容，通信速率越高，线路上使用ESD保护器件结电容要越低。5）

最大峰值脉冲功率（PN=VC·IPP）：确定电路干扰脉冲情况，依据干扰脉冲波形、脉冲连续时间，确定能够有效抑制该干扰TVS峰值脉冲功率。ESD防护器件摆放及选择ESD的产生原理及防护措施第25页ESD与EOS区分EOS:ElectricalOverStress指全部过分电性应力，超出其最大指定极限后，器件功效会减弱或损坏。ESD:ElectricalstaticDischarge静电放电，电荷从一个物体转移到另一个物体。ESD的产生原理及防护措施第26页ESD与EOS区分

ESD的产生原理及防护措施第27页瞬态电压抑制器(TVS)、压敏电阻、玻璃陶瓷GcDiode静电抑制器和聚合物是近几年发展起来几个专用ESD保护元件。其中前三种元件均采取电压钳位方式进行保护，带导电粒子聚合物则是采取消弧(crowbar)保护策略。压敏电阻、玻璃陶瓷GcDiode静电抑制器和聚合物支持双向保护，但TVS可支持单向或双向保护。

传统压敏电阻即使在成本上含有一定优势，但它存在一个最大问题是体积太大，无法满足手持设备封装要求。实际上，与压敏电阻相比，基于硅材料TVS含有更加好钳制性能、更低泄漏和更长使用寿命。高分子聚合物和TVS在多重应力下依然可保持强大性能，而压敏电阻则会伴随使用次数增多性能下降。TVS技术利用是半导体钳位原理，在经受瞬时高压时，会马上将能量释放出去，而压敏电阻采取是物理吸收原理，所以每经过一次ESD事件，材料就会受到一定物理损伤，形成无法恢复漏电通道。“TVS技术原理就好像传统打太极，能够轻松释放掉能量而不是直接与之反抗”。这么做好处是器件不会受到损害，基础上没有寿命限制。从现场展示TVS与压敏电阻钳制电压曲线来看，TVS器件能够在极短时间内将输入大电压钳制到5至6伏水平，而压敏电阻曲线则下降得非常迟缓，而且无法到达TVS器件效果。这表明TVS器件在响应时间和钳制性能方面均优于压敏电阻。ESD器件类型比较ESD的产生原理及防护措施第28页ESD器件类型比较ESD的产生原理及防护措施第29页ESD器件类型比较双向消弧保护器件(黑色)和单向钳位保护器件(红色)I-V