電磁兼容(第九章)靜電放電

第九章靜電放電第一節(jié)靜電的產(chǎn)生

第二節(jié)人體靜電模型（HBM）第三節(jié)靜電放電防護

未受控制的靜電放電(ESD)已逐漸成為電子工業(yè)的一個很大的威脅。自20世紀60年代以來，人們開始認識到厚膜與薄膜固態(tài)器件、金屬氧化物半導體器件以及許多分立的電子零件，如：薄膜電阻、電容器、晶體和雙極型IC等，都很容易受到靜電放電的沖擊而損壞。

隨著器件的封裝越來越小、速度越來越快，器件對靜電放電越來越敏感。前言靜電放電（ESD）對電子產(chǎn)品的危害主要為：

1、引起電子設備的故障或誤動作，造成電磁干擾．如：驅(qū)動電路程序被ESD打亂，出現(xiàn)花屏，白屏，聲音不正常。

2、擊穿集成電路和精密的電子元件，半導體元件或者促使元件老化，降低生產(chǎn)成品率。第一節(jié)靜電的產(chǎn)生相互接觸的材料分離就會產(chǎn)生靜電，產(chǎn)生靜電的材料可以是固體、液體甚至是液體。將兩個絕緣體接觸時，有一部分電荷（電子）從其中一個物體上傳到另一個物體上。這時，如果將兩個物體分離，由于電荷不能在絕緣體上自由移動，所以不能返回到原來的物體上。因此，最初兩個呈現(xiàn)中性的物體現(xiàn)在變成了帶電體，其中一個帶正電，另一個帶負電。

這種產(chǎn)生靜電的方法就稱為摩擦起電

有一些材料容易吸收電子，而另一些材料容易釋放電子。容易釋放電子的材料帶正電，容易吸收電子的材料帶負電。下面是以釋放電子難易度為順序的摩擦靜電序列表。1、空氣7、尼龍13、紙19、聚酯薄膜2、人皮膚8、羊毛14、棉花20、環(huán)氧玻璃3、石棉9、毛皮15、木材21、鎳、銅4、玻璃10、鉛16、鋼22、黃銅、銀5、云母11、絲綢17、封蠟23、金、鉑6、人頭發(fā)12、鋁18、硬橡膠24、聚苯乙烯塑料

摩擦靜電序列材料位置之間的距離并不一定代表摩擦起電所產(chǎn)生的電荷的多少。產(chǎn)生電荷的數(shù)量不僅僅與靜電序列中材料的位置相關，而且還和材料表面的清潔度、接觸壓力、摩擦數(shù)量、接觸面積、表面光滑度及分離速度有關。

兩塊相同的材料在接觸后分離也能產(chǎn)生電荷。一個明顯的例子就是塑料袋，分離是也可以感覺到靜電的存在。

電荷、電壓和電容的關系為：

兩種材料分離后，電荷不平衡的狀態(tài)保持不變，即電量Q不變。如果材料相互之間非常接近，則形成的電容很大，所以電壓就很低。隨著材料之間距離增大，電容減小電壓就不斷增大。

例如：如果電容等于75pF，電量為3uC，則電壓等于

10，000V

絕緣體和導體之間分離也會產(chǎn)生摩擦起電。物體之間緊密接觸是產(chǎn)生靜電荷的重要條件，摩擦只是趨向與使更大的物體表面產(chǎn)生良好的接觸，增大電荷的遷移。

物體分離的速度越快，留給電荷返回物體的時間就越短，這樣也使物體上存儲的電荷量與電壓增大。

在家庭和工作環(huán)境中，普通材料不大可能產(chǎn)生10KV-20KV的靜電電壓，不同條件下能產(chǎn)生的最大靜電電壓如下表：靜電產(chǎn)生方法靜電電壓（V）相對濕度10%--20%相對濕度65%--90%在地毯上行走35,0001,500在乙烯基地板上行走1,2000250工人在長椅上移動6,000100打開乙烯基包裝袋7,000600撿起普通聚乙烯塑料袋20,0001,200坐在聚氨酯塑料坐墊的椅子上18,0001,500

靜電是一種發(fā)生在材料表面的現(xiàn)象，電荷獨自在材料表面存在，而不是在材料內(nèi)部。絕緣體上的電荷只能保持在產(chǎn)生它的區(qū)域，并不會分布在材料的整個表面上。

因此，絕緣體接地并不能減少電荷

靜電放電的產(chǎn)生通常有三個過程：1、一個絕緣物體上產(chǎn)生了電荷2、這些產(chǎn)生的電荷通過接觸或感應遷移到一個導體上3、帶電的導體靠近金屬物體，這個金屬物體一般是接地的，然后便產(chǎn)生放電感應帶電

如果一個帶電體靠近一個中性的導體，那么靜電場會使中性導體上處于平衡狀態(tài)的電荷分離。

若將導體暫時接地（例如接地的人或其它的物體很快接觸導體），那么中性導體上距離帶電體最遠表面上的電荷將通過這個連接向大地泄放電荷。這樣盡管并沒用與帶電體接觸，原來不帶電的導體現(xiàn)在已經(jīng)帶電第二節(jié)人體靜電模型（HBM）

一個物體上所積累的電荷存儲在物體的電容中。通常我們認為只有兩個平板之間才會有電容，其實所有物體都有自己的自由空間電容。只是第二個平板無窮大而已（地球）。

這個電容是物體的最小電容，即使是不規(guī)則形狀物體，它的自由空間電容主要還是自己表面積的函數(shù)。所以可用簡單的幾何球體表示自由空間的電容。電荷的存儲兩個同心球體之間的電容可表示為：自由空間中，外球體半徑無窮大（地球）C=111rpF一個人的表面積近似等于1m的球體的表面積，可以計算得出人體的電容大約為50pF人體靜電模型(HBM)

除了自由空間的50pF電容外，人體電容主要還包括腳底與地面之間的電容。典型的人體電容為100pF。如果人體接近周圍的某些物體，還會增加50—100pF。

所以人體電容等于人體自由空間電容與平板電容之和，大小在50-250pF之間變化。

電荷存儲在人體電容之中，并通過一個等效的人體電阻產(chǎn)生放電，同時電感對確定放電電流的上升沿時間有決定作用。

人體的電阻大小在500--1000?之間變化，并于人體產(chǎn)生放電的位置有關。如果放電發(fā)生在手指尖，人體電阻大約為10,000?；若手持金屬物（如鑰匙）放電，人體電阻大約為500?；但若放電發(fā)生在較大的金屬體上，如椅子或購物車，人體電阻就可以減小到50?.人體靜電模型(HBM)

電路能夠模擬人體放電，可用于靜電測試，模擬多次放電的人體靜電模型：

人體靜電放電波形影響ESD放電能量參數(shù)：峰值電流、上升時間變率IEC61000-4-2電流波形上升時間0.7ns,頻寬可達到300MH以上

2:IEC61000-4-2放電電流上升時間放電測試電壓

(kV)IEC61000-4-2峰值放電電流(A)上升時間tr(ns)27.50.7-14120.7-16250.7-18300.7-1ContactdischargeAirdischargeLevelVoltagekVLevelVoltagekV1±21±22±42±43±63±84±84±15XSpecialXSpecial注(1):X保留對產(chǎn)品各別指定的測試規(guī)格.(2):測試環(huán)境相對濕度須保持30%–60%;15℃–35℃(3):樣品至少須打200次以上的放電.3:IEC61000-4-2測試電壓與環(huán)境條件

靜電放電對電子產(chǎn)品的危害(1)硬件失效(Hardfailure)

ESD電弧電壓(Sparkvoltage)竄入半導體內(nèi)部使絕緣部位損壞.如在P-N接合點短路或開路,內(nèi)部絕緣的氧化層貫穿(punch-through)-金屬氧化處理部位產(chǎn)生熔蝕(melting)等,這都是屬于永久性失效。(2)潛在性失效(Latentfailure)

當ESD發(fā)生時系統(tǒng)雖暫時受到影響,仍然可繼續(xù)動作,但功能會隨時間逐漸變差,隔數(shù)日或數(shù)周后系統(tǒng)出現(xiàn)異常,最后成為硬件失效。(3)場強感應失效

(Fieldinductionfailure)

ESD的高壓放電火花跟電流會產(chǎn)生電場輻射效應,這種寬帶的輻射,經(jīng)常使臨近的電路受干擾而失常,如Latch-Up,或暫時性程序錯亂,及數(shù)據(jù)流失等,嚴重時更會損傷硬件成為永久行硬件失效。

第三節(jié)靜電放電的防護ESD預防ESD軟件ESD硬件FPGACPLDRegisterRAM地址存儲器開關矩陣寄存器結構提升定位距離復位電路I/O位置（端口）完整大地與屏蔽電源并靜電抑制器電源線并抑制器電路設計PCBLayout原理圖設計把端口的地與金屬殼連接而加大ESD的泄放空間結構1結構2螺絲釘要避免伸入機構內(nèi)成為天線（方法截斷，換小螺絲，塑料螺絲）結構3把端口的地與金屬殼相連接而加大ESD的泄放空間

(左)ESD從隙縫竄進內(nèi)部對PCB的IC放電(右)機殼內(nèi)加一道輔助接地保護電路板結構4塑殼內(nèi)層噴導電漆屏蔽高速線（如電源線，排線等）盡量遠離金屬位置（地），把電源線與地隔離開結構5靜電防護—電路設計1、ESD電流直接流經(jīng)敏感電路組件的接腳，造成永久性損壞:

(如鍵盤,或I/O界面的連接器)直接帶入ESD突波電流損害電路。防護這種直接傷害的方法：并聯(lián)一顆靜電抑制器,串聯(lián)一顆電阻或并聯(lián)電容在這些電路上就可以限制流經(jīng)IC的ESD電流靜電防護—電路設計2、ESD電流流經(jīng)地回路造成復位，重啟損壞:

假設接地線為低阻抗,經(jīng)ESD脈沖電流通過，IC接地的阻抗容易產(chǎn)生（地電位）跳動(GroundBounce)，

這種地的電位彈跳會使IC重置或鎖定,IC如被鎖定時非常容易被供應的電源摧毀。防護這種地電位跳動的方法：電源并聯(lián)一顆靜電抑制器，串聯(lián)一顆電阻或并聯(lián)電容在這些電路上就可以限制流經(jīng)IC的ESD電流。Layout擴大地層的完整性，地的屏蔽性,地層的吸收性靜電防護—電路設計3.電磁場間接耦合

例：如垂直板與水平板之放電，使電路造成重置，

對于高阻抗組件曾經(jīng)有損壞。

這種失效模式與PCB環(huán)路面積，

機構屏蔽好壞而定。

防護這種電磁場間接耦合的方法：可以從機體的結構屏蔽和PCB設計布線著手。Layout擴大地層的完整性,地的屏蔽性,地層的吸收性.靜電防護—電路設計靜電防護—電路設計PCB上用箝制電路或突波吸收ESD靜電抑制器抑制瞬間高壓靜電防護—電路設計PCB布局架構對突波I/O端抑制電路靜電防護—電路設計低通ESD濾波及突波ESD吸收器方式疏導ESD能量靜電防護—電路設計I/O控制信號加ESD靜電抑制器保護靜電防護—電路設計（RESET）復位電路設計靜電防護—電路設計靜電防護—電路設計靜電防護—電路設計靜電防護—電路設計PCB上用IR（遙控）電路或突波吸收ESD靜電抑制器抑制瞬間高壓靜電防護—電路設計1層4層1。加大地的泄放面積保持地的完整：1.平整地：鋪銅均勻，保持地的電阻值不變，互相之間水平狀態(tài)（地平面平穩(wěn)）2。環(huán)繞地數(shù)據(jù)線用地包圍3。地孔越多越好，并使每層地緊密連合一起PCB

Layout防護設計靜電防護—電路設計環(huán)繞地地孔越多越好，并使每層地緊密連合一起靜電防護—電路設計靜電防護—電路設計PCB

Layout防護設計接地不僅涉及產(chǎn)品或系統(tǒng)的電氣安全，而且關聯(lián)著電磁兼容和其測量技術。良好的接地可以保護設備或系統(tǒng)的正常操作以及人身安全，可以消除各種電磁干擾和雷擊，ESD等。所以接地設計是非常重要的，但也是難度較大的課題。

地線的種類很多，有邏輯地、信號地、屏蔽地、保護地、數(shù)字信號地、模擬信號地、接機殼體的地、地線的布置、還要注意接地線在各種不同頻率下的阻抗等，接地的方式也可分單點接地、多點接地、混合接地和懸浮地等。理想的接地面應為零電位，各接地點之間無電位差。但實際上，任何“地”或接地線都有電阻。

當有電流通過時，就會產(chǎn)生壓降，使地線上的電位不為零，兩個接地點之間就會存在地電壓。當電路多點接地，并有高速信號層(信號線)通過時，就將構成地環(huán)路干擾電壓。因此，接地技術十分講究，如信號接地與電源接地要分開，復雜電路采用多點接地和公共地等。靜電防護—電路設計1.低功率PCB布線要點:提起PCB布線，許多工程技術人員都知道一個傳統(tǒng)的經(jīng)驗：正面橫向走線、反面縱向走線，橫平豎直，既美觀又短捷；還有個傳統(tǒng)經(jīng)驗是：只要空間允許，走線越粗越好?？梢悦鞔_地說，這些經(jīng)驗在注重ESD的今天已淘汰。要使單片機系統(tǒng)有良好的ESD性能，PCB設計十分關鍵。一個具有良好,ESD性能的PCB，必須按高頻電路來設計??這是反傳統(tǒng)的。PCB

Layout防護設計單片機系統(tǒng)按高頻電路來設計PCB的理由在于：盡管單片機系統(tǒng)大部分電路的工作頻率并不高，但是EMI的頻率是高的，ESD測試的模擬干擾頻率也是高的[8KV]。要有效抑制EMI，順利通過ESD測試，PCB的設計必須考慮高頻電路的特點。靜電防護—電路設計（1）要有良好的地線層。良好的地線層處處等電位，不會產(chǎn)生共模電阻偶合，也不會經(jīng)地線形成環(huán)流產(chǎn)生天線效應；良好的地線層能使靜電放電以最短的路徑進入地線而消失。建立良好的地線層最好的方法是采用多層板，一層專門用作線地層；如果只能用雙面板，應當盡量從正面走線，反面用作地線層，不得已才從反面過線。（2）保持足夠的距離。對于可能出現(xiàn)ESD耦合或幅射的兩根線或兩組或要保持足夠的距離，如濾波器的輸入與輸出、光偶的輸入與輸出、交流電源線與弱信號線等。（3）長線加低通濾波器。走線盡量短捷，不得已走的長線應當在合理的位置插入C、ESD靜電抑制器，RC或LC低通濾波器。（4）除了地線，能用細線的不要用粗線。因為PCB上的每一根走線既是有用信號的載體，又是接收幅射干擾的干線，走線越長、越粗，天線效應越強。2.高頻電路設計的要點：PCB

Layout防護設計靜電防護—電路設計PowerESDLayout技術:無論是信息技術設備還是無線電電子、電氣產(chǎn)品，都要有電源供電。電源有外電源和內(nèi)電源之分，電源是典型的也是危害嚴重的電磁干擾源。如電網(wǎng)的沖擊，尖峰電壓可高達千伏以上，會給設備或系統(tǒng)帶來毀滅性的破壞。另外，電源線是干擾信號侵入設備的主要途徑。因此，電源系統(tǒng)，特別是開關電源的ESD設計，是產(chǎn)品設計的重要環(huán)節(jié)。其