ESD設計與測試

1、 TINNO ESD設計與測試TINNO ESDMARK XIA2009年4月25日 ESD的介紹ESD的基本概念是在兩個物體之間電荷的突然傳遞。舉ESD是在兩個物體之間電荷的突然傳遞舉一個熟悉的例子,譬如當你離開汽車座位去觸聲當離開時身體摸車門把手所感到的”吱吱”聲。當離開時身體開始帶上電荷,這時身體遭遇到一個未帶電或者帶上相反電荷的物體時,電荷會突然發(fā)生轉者帶上相反電荷的物體時電荷會突然發(fā)生轉移(在本例中為車門把手。在干燥季節(jié)的條件下會使該問題變得很嚴重,因為周圍干燥的空氣會使該問題變得很嚴重因為周圍干燥的空氣會抑制電荷的釋放,從而潛在更大的靜電后果。通常時靜電電何不為人所感覺但其依然能夠

2、通常時靜電電何不為人所感覺,但其依然能夠破壞敏感電子器件。ESD產(chǎn)生原因當兩個不同差異材料相互接觸或者摩擦然后分開,于是會產(chǎn)生靜電電荷,列如下面打開一個會產(chǎn)靜個玻璃紙膠帶ESD 控制技術ESDESD 損壞的一個辦法是在器件、電路包裝和系統(tǒng)防止損壞的個辦法是在器件電路包裝和系統(tǒng)里設計抗ESD 的專門保護結構,另一個方法是防止靜電電荷積累,從而避免ESD 的發(fā)生。是防止靜電電荷積累從而避免ESD的發(fā)生ESDESD 控制的基本原則 1. ESD 控制的基本原則:a 認識到所有的電子組件和裝配件都對于ESD 破壞敏感;a ESD b 在沒有適當接地情況下避免觸摸敏感組件和裝配件; c 除非在一個靜電安

3、全環(huán)境中,應該避免運輸、儲藏和搬運靜電敏感組件和裝配件。和裝配件設計保護保護微電子電路組件的主要有效手段是在器件制造時建立保護回路。設計保護回路要在三個要素之間綜合考慮器件的主要功能、器件制造制約(例如屏蔽水平和材料特性和器件的位置(ESD 控制。保護電路對于ESD 瞬間的反應必須比被保護的器件迅速。雖然典ESD瞬間的反應必須比被保護的器件迅速雖然典型的器件保護可以通過設計回路獲得,然而沒有器件制造商能夠完全消除ESD 破壞問題,因此,還需要附加的保護措施。由于標準的控制程序不夠充分以及不允許一些自動安裝技術,這樣的要求對于靜電敏感器件極為關鍵。電路封裝保護技術包括采用適當?shù)恼诒伪Ｗo膜、特殊連

4、接設計、保護環(huán)和組件放置。完整的系統(tǒng)使設計也必須考慮ESD 引起的臨時性干擾,解決措施可以采用屏蔽,并且電路板的設計布置需要考慮到典型的噪聲抑制技術。 靜電破壞方式 A. 直接接觸方式B B.電弧方式 C.場藕合方式 ESD防治通過靜電放電試驗的原則有三點: 1.防止靜電荷積累,外殼直接接地屏蔽;1防止靜電荷積累外殼直接接地屏蔽; 2.手機表面絕緣處理,使靜電放電無法發(fā)生; 3.使靜電放電路徑處于受控狀態(tài),遠離敏感源; 消除靜電的基本方法防止靜電產(chǎn)生遠離靜電源絕緣耗散屏蔽中和傳導手機ESD測試標準介紹IEC 61000-4-2EN61000-4-2EN6100042GB/T 17626.219

5、98電磁兼容試驗和測量技術靜電放電抗擾度試驗 手機ESD的危害手機在整個生命周期內(nèi)都處在一個充滿靜電的環(huán)境之中,如果抗靜電釋放(ESD設計不好,則可能導致之中如果抗靜電釋放設計不好則可能導致手機在使用過程中發(fā)生鎖死、復位、數(shù)據(jù)丟失和不可靠等現(xiàn)象。 PCB的ESD設計手機PCB設計手機PCB(Printed Circuit Board都是高密度板,通常為6層板。隨著密度的增加,趨勢是使用8層板,其設計直都需要考慮性能層板,其設計一直都需要考慮性能與面積的平衡。一方面,越大的空間可以有更多的空間擺放元器件,同時,走線的線寬和線距越寬,對于EMI、音頻、ESD等各方面性能都有好處。另方面,手機體積設

6、計的小巧又是趨勢與方面性能都有好處另一方面手機體積設計的小巧又是趨勢與需要。所以,設計時需要找到平衡點。就ESD問題而言,設計上需要注意的地方很多,尤其是關于GND布線的設計以及線矩,很有講究。有些手機中ESD存在很大的問題,一直找不到原因,經(jīng)有講究有些手機中存在很大的問題直找不到原因經(jīng)過反復研究與實驗,發(fā)現(xiàn)是PCB設計中的出現(xiàn)的問題。 PCB靜電破壞防護之設計原則1減少回路面積走線越短越好PCB接地面積越大越好Power與Ground接電容零件與靜電源隔離PCB接之地線須低阻抗且要有良好的隔離所有的組件靠越近越好同一屬性靠越近越好Power / Ground Layout在板中間較在四周好.

7、Power/Ground Layout PCB靜電破壞防護之設計原則2Power & Ground越接近越好多組Power & Ground時以格子方式連接Power&Ground并行之導體接近越好信號線越靠近地線越好太長的信號線或Power線須與地線交錯傳輸在Power & Ground放置一高頻旁路電容PCB與ESD的關系1電子產(chǎn)品內(nèi)部的PCB線路,如能在設計前即考慮到,并加以防范,使PCB線路能夠避開或能承受ESD試驗,就是成功的設計。2PCB對ESD的防護是屬被動的,且不一定有效,因此還需要機構工程師、電子工程師和PCB Layout人員等,互相配合才能

8、通過實驗。實驗機構防護、電子線路防護。 PCB 上外露金屬的設計外露金屬容易被ESD 擊中,因此金屬本體及延伸至PC 板內(nèi)部線路周圍必須隔離2mm 以上間隙。2mm加上尖端放電,吸收靜電(GND 銅箔越寬越好,并直接回主地。多層板的內(nèi)層同樣需要隔離。整面的防護:加上金屬接地面。整面的防護加上金屬接地面 PCB 板邊緣和螺絲孔的設計 A A處為機構設計加長靜電路徑,防止靜電進入。A A處為機構設計加長靜電路徑防止靜電進入b B處在板邊緣設計一條銅箔,直接連回主地,不可連接其它回路,并適度露銅或取消阻焊,以吸收靜電。c C處螺孔設計原理同B。d D機構加上防護片,防止靜電進入。 手機PCB ESD

9、設計原則1PCB板邊(包括通孔Via邊界與其它布線之間的距離應大于0.3mm;(2PCB的板邊最好全部用GND走線包圍;(3GND與其它布線之間的距離保持在0.2mm0.3mm;02mm03mm;(5重要的線如Reset、Clock等與其它布線之間的距離應大于0.3mm;(6大功率的線如PA等與其它布線之間的距離保持在0.2mm020.3mm;(7不同層的GND之間應有盡可能多的通孔(VIa相連;(8在最后的鋪地時應盡量避免尖角,有尖角應盡量使其平滑。在最后的鋪地時應盡量避免尖角有尖角應盡量使其平滑 PCB板ESD防護設計評審點1PCB地線連通性良好表面層敏感線少LCD的Reset線離地及其余

10、線距離0.35mm以上板邊緣是否有漏銅GND做保護PCB板上是否預留接地點漏銅灌銅與走線距離為0.25mmVbat線寬是否達到要求,是否有大電容穩(wěn)定電壓線寬是否達到要求是否有大電容穩(wěn)定電壓Vcore,Vmem線寬是否達到要求敏感線走線層是否符合要求Reset、Vrtc線是否有靜電保護設計 PCB板ESD防護設計評審點2充電線路上是否有大電容穩(wěn)定充電電壓Speaker、Recevier、MIC等線上是否靜電保護設計FPC是否設計假地層FPC兩端是否有支出部分接地FPC到主板是否加ESD(+EMI器件保護I/O口是否有ESD器件保護側鍵FPC是否設計地線側鍵FPC到主板是否加ESD保護SIM卡部分

11、電路是否夠短、不受其他線或地影響卡部分電路是否夠短不受其他線或地影響 結構ESD的設計殼體的設計(1如果將釋放的靜電看成是洪水的話,那么主要的解決方法與治水類似,就是堵和疏。如果有個理想的殼體是密不透風類似,就是“堵”和“疏”。如果有一個理想的殼體是密不透風的,靜電也就無從而入,當然不會有靜電問題了。但實際的殼體在合蓋處常有縫隙,而且許多還有金屬的裝飾片,所以一定要加以注意。以注意其一,用“堵”的方法。盡量增加殼體的厚離,即增加外殼到電路板之間的距離,或者通過一些等效方法增加殼體氣隙的距離,這樣可以避免或者大大減少ESD的能量強度。的能量強度通過結構的改進,可以增大外殼到內(nèi)部電路之間氣隙的距離

12、從而使ESD的能量大大減弱。根據(jù)試驗,8kV的ESD在通過過4mm的距離后能量一般衰減為零。距離后能量般衰減為零 殼體的設計(2其二,用“疏”的方法,可以用EMI油漆噴涂在殼體的內(nèi)側。EMI油漆是導電的,可以看成是個金屬的屏蔽層,這樣可以將油漆是導電的,可以看成是一個金屬的屏蔽層,這樣可以將靜電導在殼體上;再將殼體與PCB(Printed Circuit Board的地連接,將靜電從地導走。這樣處理的方法除了可以防止靜電,還能有效抑制EMI的干擾。如果有足夠的空間,還可以用個金屬屏的干擾如果有足夠的空間還可以用一個金屬屏蔽罩將其中的電路保護起來,金屬屏蔽罩再連接PCB的GND。用金屬屏蔽罩將L

13、CD模塊保護起來的例子?？傊?ESD設計殼體上需要注意很多地方,首先是盡量不讓總之設計殼體上需要注意很多地方首先是盡量不讓ESD進入殼體內(nèi)部,最大限度地減弱其進入殼體的能量。對于進入殼體內(nèi)部的ESD盡量將其從GND導走,不要讓其危害電路的其它部分殼體上的金屬裝飾物使用時定要小因為很很可能它部分。殼體上的金屬裝飾物使用時一定要小心,因為很很可能帶來意想不到的結果,需要特別注意。 外殼的金屬部份需接機殼地a外殼的金屬部份需接機殼地 b 至少需要與電子器件或電路走線距離2.2mm 以上2 c 若無法接機殼地時須距離2cm 以上 d 盡量使同屬性電子器件在一起e PCBe 要有足夠空間,以避免阻礙PC

14、B 設計 f 所有相連接之金屬材料其EMF 差要小于0.75V所有設計須有另加隔離片的空間h 所有孔洞或縫隙不能大于2cmi使用多個小孔取代一個大孔jj 不可在接機殼地或靜電敏感組件附近挖孔k 使用金屬帶(foil tape時,必須與機殼實現(xiàn)電接觸h h 連接帶需短而寬 手機ESD電路設計 手機ESD電路設計在殼體和PCB的設計中,對ESD問題加以注意之后,ESD還會不可避免地進入到手機電路中,尤其是以下幾個部件:SIM卡的CPU讀卡電路、鍵盤電路、耳機、麥克風電路、數(shù)據(jù)接口、電源接口、USB接口、彩屏LCD驅(qū)動接口,這些部位很可能將人體的靜電引入手機中。所以,需要在這些部分中使用ESD防護器

15、件。靜電引入手機中所以需要在這些部分中使用防護器件 ESD防護器件ESD防護器件主要有以下幾種:它是陶瓷元件將氧化鋅和添加劑在一定條壓敏電阻(MOV。它是陶瓷元件,將氧化鋅和添加劑在定條件下“燒結”,電阻受電壓的強烈影響,其電流隨著電壓的升高而急劇上升。壓敏電阻內(nèi)部發(fā)熱量很大,其缺點是響應速度慢,性能會因多次使用而變差,極間電容大。性能會因多次使用而變差極間電容大瞬態(tài)電壓抑制器(TVS。它是半導體器件,由于其最大特點是快速反應(1ns5ns、非常低的極間電容(1pf3pf,很小的漏電流(1A和很大的耐流量,尤其是其結合芯片的方式,非常適合各種接口的防護。 手機ESD的軟件技術 ESD的軟件技術

16、WATCHDOGLCMSIM ESD 糾錯方法及補救措施ESD由于ESD 控制的復雜性,即使經(jīng)驗非常豐富的工程師也難做到萬無一失,對進入生產(chǎn)環(huán)節(jié)才發(fā)現(xiàn)ESD 問題的產(chǎn)品能夠準確及時補救十分重要。 1、糾錯的原則及步驟ESD 通不過是個讓工程師頭疼的問題,可以根據(jù)下面的步驟樣機ESD來發(fā)現(xiàn)并分析產(chǎn)生的問題及原因。 a. 仔細觀察實驗現(xiàn)象。注意電弧的放電強度及放電方向,讓ESD 放電槍(GUN從不同方向靠近放電點,觀察現(xiàn)象有何不同,分析靜電是如何進入機身。 b.b. 逐漸增加或減少放電電壓,觀察手機是在哪個電壓區(qū)間發(fā)生失效。例如,在做空氣放電測試時,如果8KV 不能通過,向下打6KV、4KV;如果

17、8KV 通過,則向上15KV打10KV、12KV、15KV 觀察實驗現(xiàn)象。 糾錯的原則及步驟2 c. 畫圖及列表,詳細記錄實驗現(xiàn)象。畫出手機正面,反面及側面示意圖,準確標注放電點,必要處以彩色筆標出電弧方向列表詳細記錄每放電點的實驗現(xiàn)象如某點在以彩色筆標出電弧方向。列表詳細記錄每一放電點的實驗現(xiàn)象。如某點在某一正負電壓值放電次數(shù)、失效次數(shù)及每次失效現(xiàn)象,是關機、復位還是LCD 顯示不正常,都詳細記錄以便參考。錄以便參考 d. 一臺樣機的現(xiàn)象總是帶有隨機性,需要對幾臺樣機進行同樣的測試找失效的共性現(xiàn)象便準確判斷失效原測試,找出失效的共性現(xiàn)象,以便準確判斷失效原因。 e. 根據(jù)實驗現(xiàn)象進行分析,判

18、斷失效原因。由于ESD 的失效原因是多種多樣的,所以由一個現(xiàn)象可能分析出幾種不同的原因,其中的某個或幾個引起手機ESD 失效。這可能分析出幾種不同的原因其中的某一個或幾個引起手機ESD失效這需要工程師進行更深一步的分析,針對每一種可能進行具體實驗,最終找出失效的真正原因。補救措施如果不是萬不得已,盡量找到較好的補救措施,使產(chǎn)品不至于從新設計。分析失效原因之后,必須認真尋找最恰當?shù)难a救措施。a. 必須做大量的試驗來尋找解決方案,這是一個反復而枯燥的過程,針對不同的原因采用不同的方法,如露銅吸收靜電、加導電材料釋放靜電、添加防護墊及防靜方法如露銅吸收靜電加導電材料釋放靜電添加防護墊及防靜電器件等方

19、法,將靜電合理阻擋、疏通或吸收。b. 找到解決方案后,必須對此方案進行進一步的分析,盡量做到經(jīng)b找到解決方案后必須對此方案進行進步的分析盡量做到經(jīng)濟并適于量產(chǎn),避免采用昂貴的元器件及在制造過程中采用手工操作。案例分析 目前，手機設計中出現(xiàn)的ESD問題，可以歸結為靜電直接注入和 靜電場輻射影響兩種。其中靜電場輻射的影響往往不為設計者所 重視，下面就具體問題一一分析。 重視 下面就具體問題 分析 1導航鍵、鍵盤 金屬/電鍍導航鍵相當于在人和手機主板之間放置一塊金屬擋板， 如果不接地，放電發(fā)生時，電場就存在于導航鍵和主板之間，這 一電場在主板中感應出的電流會對系統(tǒng)造成很大影響，擊打?qū)Ш?電場在主板中

20、感應出的電流會對系統(tǒng)造成很大影響 擊打?qū)Ш?鍵手機關機、重啟的主要原因就是它 . 金屬導航鍵懸空導致ESD Fail 建議接地，或使用非金屬導航鍵 建議接地 或使用非金屬導航鍵 如果使用全金屬按鍵請?zhí)幚砗媒拥?MOTO V3按鍵接地 建議我們用全金屬按鍵的時候增大接地面積，強化接地效果 建議我們用全金屬按鍵的時候增大接地面積 強化接地效果 鍵盤2 鍵盤內(nèi)嵌鋼片彈性不足造成接地不良，導致ESD Fail。 建議增加彈片強度，加大接地面積 按鍵ESD采用堵的方法 這個按鍵裝飾件采用堵的方法. 這個按鍵裝飾件采用堵的方法 2.側鍵側鍵的ESD問題分為兩種:縫隙過大靜電直接通過縫隙進入放電對主板造成影響1、縫隙過大,靜電直接通過縫隙進入放電對主板造成影響2、全電鍍/金屬側鍵,未加處理措施 全金屬/電鍍側鍵導致ESD Fail,側鍵支撐鋼板懸空導致ESD Fail 建議只電鍍外表面,內(nèi)表面