手機(jī)ESD的防護(hù)與設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）手機(jī)的靜電放電（ESD）防護(hù)設(shè)計(jì)學(xué)院XXXXXXXXXXXXXXXXX專業(yè)XXXXXXXXXXXX年級(jí)班另H XXXXXXXXXXXXX學(xué) 號(hào)XXXXXXXXXXXX學(xué)生姓名 XXXXXX扌指導(dǎo)教師 XXXXXXX2013年6月手機(jī)的靜電放電DS仁防護(hù)設(shè)計(jì)M 物理與光電工程學(xué)院隨著社會(huì)的發(fā)展，無線通信產(chǎn)品已被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中，但其靜電放電（ESD）的問題也日益突出；而手機(jī)作為無線通信產(chǎn)品中已成為社會(huì)上最普及的電子產(chǎn)品之一，靜 電放電（ESD）仍是引起其故障的主要原因之一，它造成了電子產(chǎn)品和設(shè)備的功能紊亂 甚至部件損壞；現(xiàn)代半導(dǎo)體器件的規(guī)模越來越大，工作電壓越來越低，導(dǎo)致了半

2、導(dǎo)體器 件對外界電磁騷擾敏感程度也大大提高。 ESD對于電路引起的干擾、對元器件、CMOS 電路及接口電路造成的破壞等問題越來越引起人們的重視。電子設(shè)備的ESD也開始作為電磁兼容性測試的一項(xiàng)重要內(nèi)容寫入國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)。本文所要研究的是對ESD手機(jī)產(chǎn)生的危害和ESD的形成機(jī)理作較詳細(xì)分析，重點(diǎn) 研究手機(jī)設(shè)計(jì)中的ESD問題及防護(hù)措施。關(guān)鍵詞：手機(jī)，靜電釋放，ESD，防護(hù)AbstractWith the developme nt of society, the products of wireless com muni cati on have bee n applied to various

3、kinds of fields, but the Electro-Static Discharge (ESD) problem is in creas in gly con spicuous. As a wireless com muni cati on product, the mobile pho ne has become one of the societys most popular electronic products, the Electro-Static Discharge(ESD) is still one of the main reasons which is caus

4、ed by the fault, it is also the cause of damage fun cti on disorderi ng electr onic products ,equipme nt and parts. Nowadays , the scope of semic on ductor devices is beco ming larger and larger, and its work ing voltage is more and more low, result ing in the semic on ductor devices to exter nal el

5、ectromag netic disturba nee sen sitivity is greatly improved. The destruct ion and other issues result ing from the Electro-Static Discharge(ESD),such as interfere the circuit of components, CMOS and in terface circuit ,caused more and more atte nti on. The Electro-Static Discharge (ESD) of the elec

6、tronic equipment also began to write to national and international standards as an important content of electromagnetic compatibility testing.This passage is to study the detailed analysis of the formation mechanism and the harm of ESD on the production of mobile phone; and the ESD problem and the p

7、rotection measures focus on the desig n of mobile phone.Key words：Mobile pho ne, The Electro-Static Discharge,ESD,Protectio n1緒論 11.1 課題研究的背景及目的 11.2 ESD產(chǎn)生的原理 21.2.1 靜電釋放的定義 21.2.2 靜電釋放的產(chǎn)生及特點(diǎn) 21.2.3 ESD的模型及標(biāo)準(zhǔn) 21.3 靜電對手機(jī)的危害 61.3.1 靜電對電子元件的危害 61.3.2 靜電對電路的危害 61.3.3 靜電對手機(jī)在生產(chǎn)過程中造成的危害 71.3.4 靜電放電對手機(jī)造成的危害

8、 71.4 國內(nèi)外研究狀況 81.5 本文主要內(nèi)容82手機(jī)中的ESD防護(hù)設(shè)計(jì) 92.1 手機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 92.2 手機(jī)PCB的ESD防護(hù)設(shè)計(jì) 102.3 手機(jī)ESD的軟件設(shè)計(jì) 122.4 手機(jī)電路設(shè)計(jì)中一些ESD器件簡介 123手機(jī)靜電ESD的測試標(biāo)準(zhǔn)及驗(yàn)證方法 153.1 手機(jī)ESD的測試標(biāo)準(zhǔn) 153.2 標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)的內(nèi)容 153.3 手機(jī)ESD驗(yàn)證方法16結(jié)論 18參考文獻(xiàn) 19致謝 201緒論1.1課題研究的背景及目的隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展及微電子技術(shù)的迅猛進(jìn)步，電子儀器儀表、設(shè)備和無線通 信等電子產(chǎn)品日趨小型化、多功能及智能化，半導(dǎo)體、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路、高 密度集成電路已成為電子

9、工業(yè)中不可缺少的器件，并在各種電子設(shè)備的設(shè)計(jì)制作中得到廣泛應(yīng)用。這些元器件都具有其特殊的功能和特性，然而，這些高集成度的電路元件都 可能因靜電電場和靜電釋放（ESD）引起失效，導(dǎo)致電子設(shè)備鎖死、復(fù)位、數(shù)據(jù)丟失而 影響設(shè)備正常工作，使設(shè)備可靠性降低，造成損壞。當(dāng)然，手機(jī)作為無線通信產(chǎn)品中應(yīng) 用最廣泛、最貼近人民生活的數(shù)字蜂窩通信產(chǎn)品，在國內(nèi)是人們主要的通信工具，為保 證手機(jī)的電磁兼容性能，解決手機(jī)的電磁兼容問題，使得手機(jī)的電磁兼容測試顯得越來 越重要。原信息產(chǎn)業(yè)部2000192號(hào)文件關(guān)于對部分電信設(shè)備進(jìn)行電磁兼容性能檢測 的通告就已要求對手機(jī)及其輔助設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)制性的電磁兼容檢驗(yàn)。目前實(shí)施的國家

10、強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證（3C認(rèn)證）更是將手機(jī)列于認(rèn)證范圍，其中，電磁兼容是手機(jī)3C認(rèn)證必須通過的項(xiàng)目。因此，電磁兼容性能成為現(xiàn)階段手機(jī)設(shè)計(jì)必須考慮的內(nèi)容。靜電是人們非常熟悉的一種自然現(xiàn)象。 靜電的許多功能已經(jīng)應(yīng)用到軍工或民用產(chǎn)品 中，如靜電除塵、靜電噴涂、靜電分離、靜電復(fù)印等。然而，靜電放電ESD （Electro-Static Discharge）卻又成為電子產(chǎn)品和設(shè)備的一種危害，造成電子產(chǎn)品和設(shè)備的功能紊亂甚至 部件損壞?，F(xiàn)代半導(dǎo)體器件的規(guī)模越來越大，工作電壓越來越低，導(dǎo)致了半導(dǎo)體器件對 外界電磁騷擾敏感程度也大大提高。因此，靜電釋放的研究是手機(jī)防護(hù)與設(shè)計(jì)的重要研究課題之一。1.2 ESD產(chǎn)生的原

11、理靜電釋放的定義根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，靜電放電的定義為：”具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接 觸引起的電荷轉(zhuǎn)移（GB/ T4365-1995） “，一般用ESD表示。簡而言之，靜電釋放就是 指擁有不同靜電電位的兩個(gè)物體之間電荷的轉(zhuǎn)移，亦即ESD是指帶電體周圍場強(qiáng)超過周圍介質(zhì)的絕緣擊穿場強(qiáng)時(shí)，因介質(zhì)產(chǎn)生電離而使帶電體的靜電荷部分或全部消失的現(xiàn) 象。它會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備嚴(yán)重地?fù)p壞或操作失常，半導(dǎo)體專家、產(chǎn)品生產(chǎn)廠及用戶都在想 辦法抑制ESD。靜電釋放的產(chǎn)生及特點(diǎn)ESD產(chǎn)生的途徑主要有兩種方式：（1）摩擦帶電。當(dāng)兩種不同介電常數(shù)的材料相 互摩擦?xí)r，由于摩擦運(yùn)動(dòng)，其中的一種材料把電荷傳給了另外一種材料，由此在

12、這兩種 材料中產(chǎn)生了靜電。摩擦產(chǎn)生的電荷大小與空氣相對濕度、摩擦材料的介電常數(shù)，兩種 材料的相對速度及兩者的壓力等有關(guān)。（2）感應(yīng)帶電。感應(yīng)帶電就是帶電荷物體的電場 在其相鄰的物體上造成電荷分離，靠近帶電物體會(huì)出現(xiàn)與該電荷極性相反的感應(yīng)電荷。 只要物體帶有電荷，就會(huì)在其周圍產(chǎn)生靜電場，就會(huì)使周圍的物體感應(yīng)帶電。導(dǎo)體帶電 電壓超過他們之間的空氣或其他絕緣介質(zhì)的擊穿電壓是，就會(huì)產(chǎn)生靜電放電，激發(fā)出電 弧火花，并伴隨噼啪的爆炸聲，直到兩個(gè)導(dǎo)體接觸短路或者電流低到不能維持電弧火花 為止。當(dāng)兩個(gè)帶靜電的物體或一個(gè)帶靜電的物體與不帶電的導(dǎo)體靠近或接觸時(shí)，就會(huì)發(fā)生ESD現(xiàn)象。ESD主要的特點(diǎn)：（1）ESD

13、一般是高電位、強(qiáng)電場，可以瞬時(shí)形成脈沖大電流的過程。（2）ESD會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁波輻射形成電磁脈沖場。1.2.3 ESD的模型及標(biāo)準(zhǔn)1、人體放電模型(Human-Body Model, HBM)人體放電模型（HBM）的ESD是指人體在地上走動(dòng)摩擦或其他因素在人體上積累了靜電，當(dāng)此人去觸碰IC時(shí)，人體上的靜電便經(jīng)由IC的PIN腳進(jìn)入IC內(nèi)部，再經(jīng)由IC 內(nèi)部放電到地。圖1.1人體放電對IC芯片的危害放電過程會(huì)在幾百ns的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培的瞬間放電電流，此電流可能會(huì)把IC內(nèi)的元件給燒毀。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MIL-STD-883C method 3015.7中HBM的等效線路圖，其中人體的等效電 容定義為1

14、00pF人體的等效放電電阻定義為1.5kQ。圖1.2 HBM的等效電路圖表1.1工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HBM耐壓能力等級(jí)分類CLASSIFICATIONSe nsitivity(V)Class 10 to 1999Class 22000 to 3999Class 34000 to 159992、機(jī)器放電模型(Machine Model, MM)機(jī)器放電模型的ESD是指機(jī)器本身也積累了靜電，當(dāng)此機(jī)器去觸碰 IC時(shí)，靜電便經(jīng)由IC的pin腳放電。機(jī)器放電的放電過程時(shí)間更短，在幾十 ns的時(shí)間內(nèi)會(huì)有數(shù)安培 的瞬間放電電流產(chǎn)生。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) EIAJ-IC-121 method 20中MM的等效電路圖，其中機(jī) 器的等效

15、電容定義為200pF,機(jī)器的等效放電電阻為0Q。圖1.3 MM的等效電路圖表1.2工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MM耐壓能力等級(jí)分類CLASSSTRESS LEVELS(V)M00 to 50M150 to 100M2100 to 200M3200 to 400M4400 to 8003、元件充電模型(Charged-Device Model, CDM)元件充電模型是指IC本身因摩擦或其它因素而在IC內(nèi)部累積了靜電，但在靜電累積的過程中IC并未損傷。在處理此IC的過程中，IC的pin腳觸碰到了地，IC內(nèi)部的靜 電便經(jīng)由IC內(nèi)部的pin腳流出來，而造成了放電現(xiàn)象。此種模式的放電時(shí)間更短，僅約 為幾ns,而且放電現(xiàn)象更

16、難以被真實(shí)的模擬。 因?yàn)镮C內(nèi)部積累的靜電會(huì)因IC內(nèi)部的等 效電容的不同而改變。兩種常見的 CDM的放電情況：圖1.4 CDM的放電形式SHORT CIRCUIT圖1.5 CDM的放電的等效電路圖表1.3工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CDM耐壓能力等級(jí)分類CLASSIFICATIONSe nsitivity(V)Class 1 4004、電場感應(yīng)模型(Field-Induced Model, FIM)FIM的靜電放電是因電場感應(yīng)而引起的。當(dāng)IC因傳輸帶或其它因素，經(jīng)過一個(gè)電場時(shí)，其相對極性的電荷可能會(huì)從IC的pin腳排放掉，這樣當(dāng)IC通過電場以后，IC便 累積了靜電。此靜電再以類似CDM放電模型的情況放電出來。1.

17、3靜電對手機(jī)的危害 靜電對電子元件的危害根據(jù)靜電的物理特性，靜電放電對半導(dǎo)體器件可能產(chǎn)生以下破壞：（1）薄的氧化層被擊穿；（2）泄露電流密度高，引起導(dǎo)體燃燒；（3）引起過早失效的漏電電流增加，擊穿電壓變化對器件的功能性破壞。盡管基本上的手機(jī)針對靜電敏感器件的內(nèi)部已經(jīng)進(jìn)行了保護(hù)處理，但是這僅僅是當(dāng)電荷傳遞局限于一定尺寸和持續(xù)一定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行才有效。據(jù)有關(guān)檢查報(bào)告證明，靜電 放電的損害往往只有10%造成電子元器件當(dāng)時(shí)完全失效，通常表現(xiàn)為短路、開路以及參 數(shù)的嚴(yán)重變化，超出額定范圍，器件完全喪失了其特定的功能。另外的90%會(huì)潛伏下來， 造成積累效應(yīng)。一般情況下，一次ESD,還不足以引起器件立即完全失

18、效，但是元件內(nèi) 部會(huì)存在某種程度的輕微損傷，通常表現(xiàn)為參數(shù)有輕微的偏差或漂移。潛在的失效并不 明顯，因而極易被人們忽視。若這種元器件繼續(xù)工作，隨著ESD的次數(shù)增加，累積效應(yīng)會(huì)越來越明顯，其損傷程度會(huì)加劇，最終導(dǎo)致失效。電子元器件按其種類不同，受靜電 破壞的程度也不一樣，最低的100 V靜電壓也會(huì)對其造成破壞。近年來隨著電子元器件發(fā) 展趨于集成化，因此要求相應(yīng)的靜電電壓也在不斷減弱。人體平常所感應(yīng)的靜電電壓在 2-4KV以上，通常是由于人體的輕微動(dòng)作或與絕緣物的磨擦而引起的。也就是說，倘若我們?nèi)粘Ｉ钪兴鶐У撵o電電位與IC接觸，那么幾乎所有的IC都將被破壞，這種危險(xiǎn) 存在于任何沒有采取靜電防護(hù)措

19、施的工作環(huán)境中。靜電對IC的破壞不僅體現(xiàn)在電子元器件的制造工序當(dāng)中，而且在IC的組裝、運(yùn)輸?shù)冗^程中都會(huì)對IC產(chǎn)生破壞。靜電對電路的危害數(shù)字移動(dòng)電話的電路由射頻與基帶兩大部分組成。其中射頻（RF）電路包括收發(fā)器、頻率合成器和功放等，基帶（Baseband電路包括數(shù)字信息處理和控制器、 存儲(chǔ)器、 電源管理和其他外設(shè)部分。手機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，而電路板卻越來越小，集成度越來 越高。手機(jī)有幾個(gè)部分用于人機(jī)交互，這樣就存在著人體靜電放電的ESD問題。手機(jī)電路中需要進(jìn)行ESD防護(hù)的部位有：SIM卡插座與CPU讀卡電路、鍵盤電路、耳機(jī)、麥克風(fēng)電路、電源接口、數(shù)據(jù)接口、 USB接口、彩屏LCD驅(qū)動(dòng)接口。ESD

20、可能會(huì)造成手機(jī)工作異常、死機(jī)，甚至損壞并引發(fā)其他的安全問題。所以在手機(jī)上市之前，我國都強(qiáng) 行要求進(jìn)行入網(wǎng)測試，而入網(wǎng)測試中明確要求進(jìn)行 ESD和其它浪涌沖擊的測試。其中 接觸放電需要做到土 8kV靜電正常，空氣放電需要做到土 15kV靜電正常，這就對ESD的 設(shè)計(jì)提出了較高的要求。靜電放電（ESD）的危害極大，特別是對集成電路和半導(dǎo)體器件。如果靜電放電發(fā)生 在電子部件上，可導(dǎo)致電子部件的損壞；輕者擊穿二極管，重則損壞集成電路。尤其是 在IC生產(chǎn)車間，一旦某個(gè)工序的防靜電措施不完善，就有可能造成批量產(chǎn)品的報(bào)廢。RS232接口芯片因受到15kV（一般測試水平）的靜電放電沖擊而損壞后，該芯片末加靜電

21、 保護(hù)措施，在靜電放電時(shí)產(chǎn)生的瞬間大電流將芯片內(nèi)部的金屬氣化，導(dǎo)致大面積損傷。 特別是C9d（）S電路和M10S場效應(yīng)管，其輸入阻抗很高，輸入電容又非常小，即使在輸 入端感應(yīng)少量的電荷也會(huì)形成高壓，而將器件損壞。電子儀器上的熒光數(shù)碼管帶上負(fù)電 荷時(shí)，可造成顯示筆段殘缺，乃至不顯示的故障。靜電對手機(jī)在生產(chǎn)過程中造成的危害ESD對電子產(chǎn)品的危害主要有以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：靜電對手機(jī)在生產(chǎn)過程中造成的危害主要有以下幾個(gè)方面：（1）靜電吸附空氣中的灰塵，造成器件引線間的短路；（2）靜電放電破壞，使元件不能正常工作；（3）靜電放電電場或電流產(chǎn)生的熱使元件受損；（4） 靜電放電的幅度很大，頻譜極寬（從幾十兆到幾千

22、兆，達(dá)幾百伏/米）的電磁 場使電子產(chǎn)品受到電磁干擾而損壞。（5）靜電放電損害的產(chǎn)品返工、返修，增加生產(chǎn)費(fèi)用，影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。靜電放電對手機(jī)造成的危害（1）硬件損壞；（2）自動(dòng)關(guān)機(jī)，程序混亂；（3）死機(jī)，程序混亂，要通過人為干預(yù)才能復(fù)位;(4) 死機(jī)，程序混亂，無法進(jìn)行復(fù)位1.4國內(nèi)外研究狀況ESD與電子產(chǎn)品可靠性緊密關(guān)聯(lián)，讓它已經(jīng)成為全球電子產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)問題，某種意 義上講，ESD控制水平直接反映了電子產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)水準(zhǔn)和產(chǎn)品質(zhì)量控制水平。 2005年以來，衡量企業(yè)ESD控制水平的ESD認(rèn)證工作在全球迅速展開，率先開始認(rèn)證的 ESDA已于今年更新了其認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)20.20,并計(jì)劃在近年完成推

23、行和實(shí)施工作。與之遙相 呼應(yīng)的IEC61340-5標(biāo)準(zhǔn)更新及認(rèn)證進(jìn)程也推上了軌道， 一兩年的時(shí)間內(nèi)將可能在電子產(chǎn) 品領(lǐng)域全面推行。因此，建立兼顧技術(shù)和管理，并使之符合權(quán)威國際標(biāo)準(zhǔn)的ESD體系,已經(jīng)成為電子產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)急迫任務(wù)。當(dāng)前ESD技術(shù)的應(yīng)用基本上是ESD標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用和實(shí)施。ESD技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展, 已經(jīng)形成了豐富的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)：目前國際上與 ESD相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)不下200個(gè)，而當(dāng)今流行的 體系性的標(biāo)準(zhǔn)也有3套，此外，不少跨國企業(yè)也有自己的 ESD標(biāo)準(zhǔn)或要求。豐富的標(biāo)準(zhǔn) 給ESD工作提供了有力的支持，但是由于標(biāo)準(zhǔn)制訂者觀點(diǎn)上的差異以及問題確定的角度 不同，應(yīng)用當(dāng)中的沖突屢見不鮮。如何博采眾家之所

24、長，如何讓企業(yè)兼顧各標(biāo)準(zhǔn)的要求， 避免與各標(biāo)準(zhǔn)的沖突是ESD工作面臨的重要課題。1.5本文主要內(nèi)容ESD對手機(jī)產(chǎn)生的危害和ESD的形成機(jī)理作較詳細(xì)分析，重點(diǎn)研究手機(jī)設(shè)計(jì)中的 ESD問題及防護(hù)措施：1、收集手機(jī)電路設(shè)計(jì)中ESD器件及其注意事項(xiàng)方面的資料。2、進(jìn)行手機(jī)中PCB的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)。3、進(jìn)行手機(jī)結(jié)構(gòu)的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)。4、提出或改進(jìn)軟件設(shè)計(jì)中的ESD保護(hù)方法。5、查閱手機(jī)ESD測試、驗(yàn)證方法及相關(guān)規(guī)定的資料。2手機(jī)中的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)ESD會(huì)引起手機(jī)的工作失效，它一般包括：死機(jī)，掉電，通話掉線，SIM卡失靈,MP3雜音，LCD藍(lán)屏，花屏，損壞等。這些 ESD現(xiàn)象是由于手機(jī)的抗靜電能力不夠而

25、引起的；所以在手機(jī)ESD防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)防或者避免ESD對手機(jī)的影響是十分重要的。 而手機(jī)中的ESD設(shè)計(jì)可以大致分為三部分：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。2.1手機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如果手機(jī)有一個(gè)理想的殼體是密不透風(fēng)的，靜電也就無從而入，當(dāng)然不會(huì)有靜電問 題了。但實(shí)際的手機(jī)的結(jié)構(gòu)卻不會(huì)什么都做的面面俱到，諸如：在合蓋處有縫隙等，而 且在手機(jī)外殼處還有許多的金屬裝飾片，致使 ESD或多或少的能夠進(jìn)入手機(jī)的內(nèi)部，從 而影響手機(jī)的正常工作。所以手機(jī)結(jié)構(gòu)的 ESD設(shè)計(jì)要點(diǎn)是隔離ESD進(jìn)入手機(jī)結(jié)構(gòu)殼體的 內(nèi)部，并且要盡量減弱ESD進(jìn)入手機(jī)結(jié)構(gòu)殼體內(nèi)部的能量。人們在使用手機(jī)的過程中， 由于我們經(jīng)常與手機(jī)接觸摩擦，致

26、使靜電很容易積累在手機(jī)外殼上，而且還會(huì)通過手機(jī) 盒蓋處縫隙等進(jìn)入手機(jī)殼體的內(nèi)部。所以手機(jī)的外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是手機(jī)對抗ESD的重要途徑。對于手機(jī)的外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我們可以增加殼體的厚度與距離，即增加外殼到內(nèi)部電 路之間的距離，或者通過一些其它的等效方法加大殼體氣隙的之間距離，這樣ESD的能量強(qiáng)度能被很好避免或者減少。通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，可以增大外殼到內(nèi)部電路之間氣隙的 距離從而使ES啲能量大大減弱。根據(jù)試驗(yàn)，8kV的ESDi通過4m的距離后能量一般衰減 為零。為了避免可能產(chǎn)生的傳導(dǎo)耦合，在金屬的手機(jī)外殼使用絕緣的涂料、漆、物質(zhì)等， 這樣做的目的：既可以有效的防止操作者對其周圍物體放電形成的干擾耦合到手機(jī)

27、的內(nèi) 部，又可以防止操作者對手機(jī)的外殼直接接觸造成干擾。但是，對于手機(jī)的一些非金屬模塊（諸如 LCD屏、攝像頭、按鍵），為了防止電流 感應(yīng)到手機(jī)的電路板上，對手機(jī)電路的接地布局應(yīng)認(rèn)真仔細(xì)看待。最常用彌補(bǔ)LCD屏和外殼之間的縫隙的方法有兩種：加屏蔽罩和使用隔離襯墊。另外，對于不可避免進(jìn)入手 機(jī)殼體內(nèi)部的ESDS盡量將其從GN導(dǎo)走，避免讓其危害手機(jī)電路的其它部分。當(dāng)然，手機(jī)殼體上的金屬裝飾物也是值得多注意，因?yàn)樗埠芸赡軒硪恍┮庀氩坏降慕Y(jié)果2.2 手機(jī)PCB的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)手機(jī)PCB(Printed Circuit Board )都是高密度板，通常為6層板以上。隨著密度的增加，趨勢是使用更多疊層

28、PC板，為了性能與面積的相對平衡，其設(shè)計(jì)一直是重中 之重。其一，空間的擴(kuò)大與更多擺放的元器件是成正比的， 而且走線的距離與寬度越寬， 對EMC ESD音頻等各方面性能都有好處。其二，隨著社會(huì)的發(fā)展趨勢，手機(jī)的體積越 來越小，功能也越來越強(qiáng)大。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需要找到平衡點(diǎn)。單單ESD問題來考慮，設(shè)計(jì)上需要留意的地方有很多，尤其是關(guān)于 GN布線的設(shè)計(jì)以及線矩，很有講究。而手機(jī) 中的PCB設(shè)計(jì)可以大致分為三部分：隔絕設(shè)計(jì)、單板靜電預(yù)防設(shè)計(jì)、手機(jī)保護(hù)電路設(shè)計(jì)。1、隔絕設(shè)計(jì)“具有一定量的電荷，在特定的距離內(nèi)存在相應(yīng)克放電的物體”是靜電放電(ESD必須滿足三個(gè)條件。因此，對于PC設(shè)計(jì)的問題，控制一定的放電距

29、離就顯得至關(guān)重要。 普遍認(rèn)為，要抵抗48kv的靜電電壓，走線與容易放電邊緣的距離為 48mm還有就是， 手機(jī)內(nèi)部的敏感器件與放電電源要盡量遠(yuǎn)離，如存儲(chǔ)器、控制器。2、單板靜電預(yù)防設(shè)計(jì)手機(jī)PC是多層高速PCB在設(shè)計(jì)時(shí)可以采用合理的布局以及信號(hào)線合理處理的方法 來加強(qiáng)手機(jī)產(chǎn)品的靜電抗干擾能力，具體的基本原則如下：(1) 為了確保信號(hào)回流通路最短以及信號(hào)環(huán)路最小，信號(hào)線必須盡量緊靠在PCBh設(shè) 置的大面積底層和電源層平面。這樣線路對 ESD所引起的瞬態(tài)干擾的敏感程度就能很好 的被降低；(2) 對靜電敏感電路部分，可以使用局部屏蔽的方式來防護(hù)，如存儲(chǔ)、顯示單元；(3) 在元器件的電源和地腳旁邊應(yīng)加不同

30、頻率的濾波電容，也可以是不同的電容值 并聯(lián)組合使用；經(jīng)檢驗(yàn)，ESD所引起的干擾脈沖是一個(gè)正弦波，它是呈指數(shù)規(guī)律衰減受 調(diào)制的，其包含有大量的咼頻分量。所以，使用咼頻去耦電容加在電源和地之間；而對 于射頻組件的向外引線，則需要使用穿心電容器或者帶濾波器的接插件來進(jìn)行濾波；(4) 對于手機(jī)PCBh的大規(guī)模集成電路，諸如CPU FPGA等類型芯片，每個(gè)去耦電容 旁邊應(yīng)并接一個(gè)充放電電容進(jìn)行濾波；（5）對于手機(jī)內(nèi)的重要的線如Reset、Clock等信號(hào)線要盡量將其放在同一個(gè)布線層 內(nèi)，如復(fù)位、無線接收信號(hào)；而且必須要使用電源與地層進(jìn)行屏蔽處理；（6）PCB的板邊最好采用地走線包圍，且處在不同層的地線之

31、間應(yīng)該要有盡可能多的 通孔（via ）相連；（7）在信號(hào)線上可以適當(dāng)?shù)卦黾右恍┢ヅ涞碾娙葜惦娙菁右员Ｗo(hù)，這有利于增強(qiáng)信 號(hào)線對靜電放電的抗干擾能力，不過要注意的是阻容元器件會(huì)引起信號(hào)失真，所以在選 擇電容時(shí)要考慮其對傳輸信號(hào)的影響；（8）手機(jī)電路內(nèi)部芯片受到靜電電場干擾后能夠及時(shí)泄放干擾而不會(huì)出現(xiàn)芯片電位 升高輸出鎖死的情況，在手機(jī)PC上不要設(shè)置單獨(dú)的電源層或地層。3、手機(jī)PC保護(hù)電路的設(shè)計(jì)及ESD保護(hù)器件在殼體和PCB的設(shè)計(jì)中，對ESD問題加以注意之后，ESD還會(huì)不可避免地進(jìn)入到 手機(jī)電路中，尤其是以下幾個(gè)部件：SIM卡的CPU讀卡電路、鍵盤電路、耳機(jī)、麥克 風(fēng)電路、數(shù)據(jù)接口、電源接口、 U

32、SB接口、彩屏LCD驅(qū)動(dòng)接口，這些部位都是外露的 因而很可能將人體的靜電引入手機(jī)中。所以，需要在這些部分中使用ESD防護(hù)器件，手機(jī)電路防ESD設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容就是ESD防護(hù)器件的選用。總的來說，手機(jī)ESD防護(hù) 器件主要有以下幾種：（1）氣體放電管（GDT）。它是具有一定氣密的玻璃或陶瓷外殼，中間充滿穩(wěn)定的 氣體，如氖或氬，并保持一定壓力。 GDT通流量大、極間電容小，可自行恢復(fù)，其缺 點(diǎn)是響應(yīng)速度太慢，放電電壓不夠精確，壽命短，電性能會(huì)隨時(shí)間變化。（2） 壓敏電阻（MOV ）。它是陶瓷元件，將氧化鋅和添加劑在一定條件下“燒結(jié)”， 電阻受電壓的強(qiáng)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

33、發(fā)熱量很大， 其缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢，性能會(huì)因多次使用而變差，極間電容大。（3）閘流二極管（TSS）。它是半導(dǎo)體元件，閘流二極管開始時(shí)不會(huì)導(dǎo)通，處于“阻 斷”狀態(tài)。當(dāng)“過電壓”上升到閘流管的“放電電壓”時(shí)，導(dǎo)通并產(chǎn)生放電電流；當(dāng)電 流下降到最小值時(shí)，閘流管會(huì)重新“阻斷”，并恢復(fù)到原來的“斷路狀態(tài)”。（4）瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）。它是半導(dǎo)體器件，由于其最大特點(diǎn)是快速反應(yīng)、非 常低的極間電容，很小的漏電流和很大的耐流量，尤其是其結(jié)合芯片的方式，非常適合 各種接口的防護(hù)。（5）靜電抑制器（也叫ESD阻抗器）。它也是陶瓷器件，嚴(yán)格的說它也是壓敏器件 的一種。它由Polymer高分子材料制成，內(nèi)部菱形分子

34、以規(guī)則離散狀排列，當(dāng)靜電電壓 超過該器件的觸發(fā)電壓時(shí)，內(nèi)部分子迅速產(chǎn)生尖端對尖端的放電，將靜電在瞬間泄放到 地。因而它又有了 TVS的一些特性，反應(yīng)時(shí)間變得更快（最小可以 0.5ns）、電容值也 更小（最小可以0.05pf）、漏電流最小可達(dá)0.1卩A，正是器件里面材質(zhì)的不純性令靜電 通過器件時(shí)以大量發(fā)熱的形式消耗了靜電。2.3手機(jī)ESD的軟件設(shè)計(jì)除了以上幾種對手機(jī)ESD的防護(hù)設(shè)計(jì)，手機(jī)軟件的設(shè)計(jì)得合理性對減少 ESD方面的 影響也十分重要。在設(shè)計(jì)軟件的時(shí)候，必須確保在程序受到瞬態(tài)干擾，并且發(fā)生異常的 情況下，此時(shí)程序的運(yùn)行不會(huì)“鎖死”，而是能夠自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。手機(jī)軟件的抗干擾設(shè) 計(jì)一般包含兩個(gè)步

35、驟：已經(jīng)出現(xiàn)的故障必須能夠被軟件檢測出來；系統(tǒng)得能夠適當(dāng)恢復(fù) 到確切穩(wěn)定的狀態(tài)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，軟件必須有規(guī)律的檢測異常情況的出現(xiàn)； 并且在故障或錯(cuò)誤還沒有造成損害時(shí)，以盡快的速度檢測到它們。軟件的錯(cuò)誤檢測技術(shù)主要有三類，如下：1、程序流程的錯(cuò)誤檢測保證程序本身的完整和健全是軟件的編程最重要的問題。程序流程錯(cuò)誤所帶來的原因有很多，可能是由于程序指令存儲(chǔ)位發(fā)生變化，也可能是由于微處理器內(nèi)部寄存器的 內(nèi)容發(fā)生變化而引起，致使程序可能進(jìn)入無限循環(huán)狀態(tài)，無法跳出；程序可能陸續(xù)地在 不存在的存儲(chǔ)區(qū)中進(jìn)行尋址指令，或者把一些的數(shù)據(jù)當(dāng)作指令來執(zhí)行。程序流程錯(cuò)誤檢測的兩個(gè)條件為：程序運(yùn)行的時(shí)間是否比較長

36、和程序是不是在存 儲(chǔ)器的有效范圍內(nèi)運(yùn)行。只要這兩個(gè)條件有一個(gè)或兩個(gè)成立的情況下，對程序進(jìn)行有規(guī) 律的檢測，這就是程序流程錯(cuò)誤檢測。如要對這兩個(gè)條件進(jìn)行檢查，只要在程序之中增 加幾行代碼就行了。其中有些軟件的檢測的技術(shù)包含：硬件定時(shí)器，軟件校驗(yàn)點(diǎn)，錯(cuò)誤 陷阱，空操作代碼，和未使用中斷陷阱等。使用硬件定時(shí)器是防止軟件出現(xiàn)“鎖死”而進(jìn)入無限循環(huán)最有效的方法。可以將系 統(tǒng)時(shí)鐘與硬件計(jì)數(shù)器相連接，并將計(jì)數(shù)器設(shè)置一個(gè)確定的數(shù)值，當(dāng)計(jì)數(shù)器記數(shù)到這個(gè)特 定的數(shù)值時(shí)，計(jì)數(shù)器自動(dòng)復(fù)位系統(tǒng)微處理器。為了防止計(jì)數(shù)器預(yù)先達(dá)到先前設(shè)定的數(shù)值， 可以將軟件設(shè)計(jì)成具有周期性地向定時(shí)器發(fā)送復(fù)位脈沖，軟件進(jìn)入無限循環(huán)除外。一般

37、情況下，可以將復(fù)位脈沖代碼添加在一個(gè)被主程序頻繁調(diào)用的子程序中，只要增加幾行 代碼就行了。設(shè)置軟件校檢點(diǎn)是另外一種方法，雖然其效果稍微差一些；但是可以通過這種方法 有周期性的中斷正在運(yùn)行的程序，并定期檢測一些程序運(yùn)行已經(jīng)到達(dá)的校檢點(diǎn)。假設(shè)校 檢點(diǎn)是不正確的，則程序?qū)芽刂茩?quán)交由錯(cuò)誤處理程序。若程序只限于存儲(chǔ)器中的某個(gè)范圍， 為了避免程序嘗試訪問超過有效存儲(chǔ)器區(qū)域的 指令，可以將陷阱寫進(jìn)軟件之中。在沒有使用的存儲(chǔ)區(qū)域應(yīng)該將其設(shè)置為“空操作”指 令，并且在程序結(jié)束之后能夠跳轉(zhuǎn)到錯(cuò)誤處理程序。如果這樣的話，程序因?yàn)槟承┰?跳轉(zhuǎn)到無效存儲(chǔ)區(qū)的范圍中時(shí)，程序就自動(dòng)調(diào)用錯(cuò)誤處理子程序。未使用存儲(chǔ)器中的中

38、斷指令常常能夠造成程序流程錯(cuò)誤。若一個(gè)未使用的中端指令被一個(gè)瞬態(tài)噪聲激活，程序?qū)㈨憫?yīng)中斷，跳轉(zhuǎn)到中斷程序中。若跳轉(zhuǎn)的位置剛好處在程 序的中間，將會(huì)產(chǎn)生意想不到的后果。這種問題解決的方法就是在未使用的中斷向量中 設(shè)定一個(gè)跳轉(zhuǎn)，從而調(diào)取錯(cuò)誤處理子程序。2、輸入與輸出錯(cuò)誤檢測輸入與輸出的瞬態(tài)錯(cuò)誤能夠產(chǎn)生被系統(tǒng)發(fā)送或接受的錯(cuò)誤信息。將輸出的數(shù)據(jù)與被發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，就可以檢測出輸出錯(cuò)誤。而輸入錯(cuò)誤的檢測可以采用軟件濾波技 術(shù)進(jìn)行檢測。這種檢測技術(shù)就是檢測輸入數(shù)據(jù)的合理性來進(jìn)行判斷。簡單實(shí)用的軟件濾 波技術(shù)是能夠連續(xù)多次讀取輸入數(shù)據(jù)。每次讀取的數(shù)據(jù)之間有延遲，這樣有效數(shù)據(jù)與噪 聲脈沖區(qū)就能夠被分開。對

39、于ESD保護(hù)，每次輸出間隔的時(shí)間在百納秒的延遲就能達(dá)到 目的。如圖3.1所示，這個(gè)子程序在接受輸入數(shù)據(jù)之前，它連續(xù) N次輸入數(shù)據(jù)，一直到這 些輸入的數(shù)據(jù)全部匹配（一般情況下，N小于等于5就能夠達(dá)到要求）；這個(gè)子程序也能 輸出一個(gè)完整的脈沖。對輸入的數(shù)據(jù)，軟件濾波子程序等效于一個(gè)低通濾波器，它可以 濾去瞬態(tài)噪聲。在接收數(shù)據(jù)之前，可以檢測數(shù)據(jù)類型與數(shù)據(jù)范圍的合理性來對輸入數(shù)據(jù)提供保護(hù)。 這樣就可以經(jīng)常檢測到輸入的正誤，并在數(shù)據(jù)在進(jìn)入系統(tǒng)或通過系統(tǒng)傳輸之前加以識(shí) 別。3、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)錯(cuò)誤檢測雖然，檢測瞬態(tài)噪聲引起的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)錯(cuò)誤可能不會(huì)有立馬顯見的效果；但是如果不 檢查數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的錯(cuò)誤，以后可能對系統(tǒng)產(chǎn)生不

40、小的影響。為了能檢查出這種類型的錯(cuò)誤, 則需要在使用取自存儲(chǔ)器所有的數(shù)據(jù)之前進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)今，有許多的技術(shù)可以用來檢測 數(shù)據(jù)的有效性，諸如奇偶校驗(yàn)，循環(huán)冗余校驗(yàn)，以及錯(cuò)誤檢測代碼等。不過，它們只是 檢驗(yàn)錯(cuò)誤存在與否，并不能對錯(cuò)誤進(jìn)行糾正。但是系統(tǒng)可以使用這些信息來標(biāo)記數(shù)據(jù)， 并檢查數(shù)據(jù)的有效性。如果采用的是糾錯(cuò)碼，那么就可以檢驗(yàn)和糾正某些錯(cuò)誤。因此， 在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，必須確保系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)要求。2.4手機(jī)電路設(shè)計(jì)中一些ESD器件簡介本小節(jié)主要是簡單收集一下手機(jī)電路設(shè)計(jì)中的一些 NXP ESD保護(hù)器件。主要收集IP系列，如下圖2.1所示：IP4OS5CXGP4O4ACX5L-|Pt1M7C

41、X6IP4053CX1SASICIP4O-1CX25LCDIP40iOCX25IP4O35CX?4IKeypadMMlIP4Q44CX8IP4064CX8IP5D1OCX5USDIP4Q6/CxgIP45O1CX15IP4D6QCX16IP4059CX5IP4052CX2CI 0 DATAChargerMemory SlickF ronl End ASICExlernJll inl-ifa!*Srandard solution in mobile phonesFuture projects圖2.1 NXP ESD保護(hù)器件在手機(jī)中的應(yīng)用PC+DSPintrfacASIC| IP4053CXT5

42、|IP4041CXP5IP4 0舸C?U5 |IP4C32CX25IPQ13CX53手機(jī)靜電ESD的測試標(biāo)準(zhǔn)及驗(yàn)證方法3.1手機(jī)ESD的測試標(biāo)準(zhǔn)ESD是電磁兼容（EMC）中EMS的一部分。EMS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為：（GB是中國國家標(biāo)準(zhǔn)， IEC是國際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，EN是歐洲標(biāo)準(zhǔn)，JDEC是美國標(biāo)準(zhǔn)），如表3.1所示。表3.1基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)格式電磁抗擾性（基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)）GB17626.XIEC61000-4-XEN61000-4-XJEAD22-A114-XESD對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為：GB/T 17626.2 IEC61000-4-2 EN61000-4-2，之間關(guān)系也是等同 的。目前，國內(nèi)對手機(jī)上市前都有比較嚴(yán)格的

43、ESD測試要求，具體的實(shí)驗(yàn)方法引用的也 是上述ESD對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，也即電磁兼容試驗(yàn)和測量技術(shù)靜電放電抗擾度試驗(yàn)這一國 家電磁兼容基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，并按照其對應(yīng)的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。3.2標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)的內(nèi)容1、測試儀器：靜電放電發(fā)生器。靜電放電發(fā)生器的特性規(guī)范：儲(chǔ)能電容（Cs+Cd）: 150pF土 10%放電電阻（Rd）:330Q 10%充電電阻（Rc）: 50M Q100MQ輸出電壓：接觸放電8kV （標(biāo)稱值），空氣放電15kV （標(biāo)稱值）輸出電壓示值的容許偏差：土 5%輸出電壓極性：正和負(fù)極（可以切換）保持時(shí)間：至少5s放電操作方式：單次放電（連續(xù)放電之間的時(shí)間至少1s）在儲(chǔ)能電容器上測得的開路電壓；為

44、了探測的目的，發(fā)生器應(yīng)能以至少20次/s的 重復(fù)頻率產(chǎn)生放電。對發(fā)生器應(yīng)采取措施，以防止產(chǎn)生非期望的脈沖或連續(xù)形式的輻射或傳導(dǎo)發(fā)射，以 便使受試設(shè)備或輔助試驗(yàn)設(shè)備不受額外的騷擾。儲(chǔ)能電容器、放電電阻以及放電開關(guān)應(yīng) 盡可能靠近放電電極。就空氣放電試驗(yàn)方法而言，可使用同一臺(tái)發(fā)生器，且放電開關(guān)必 須閉合。試驗(yàn)發(fā)生器中放電回路的電纜一般長 2m，其構(gòu)成應(yīng)使發(fā)生器滿足波形的要求。 它應(yīng)有足夠的絕緣以防止在靜電放電試驗(yàn)期間放電電流不通過其端口而流向人員或?qū)?電表而若2m長的放電回路電纜不夠長(例如有一些受試設(shè)備較高)，可以采用不超過3m 長的電纜但必須校驗(yàn)是否符合波形的技術(shù)規(guī)范。2、 測試環(huán)境：在空氣放電

45、試驗(yàn)情況下，環(huán)境的濕度應(yīng)在15C35C；相對濕度在30% 60% 大氣壓力在 86kpa106kpa。3、測試方法測試的方法有：接觸放電、空氣放電、直接放電、間接放電四種。接觸放電(con tact discharge method):試驗(yàn)發(fā)生器的電極保持與受試設(shè)備的接觸并由發(fā)生器內(nèi)的放電開關(guān)激勵(lì)放電的一種實(shí)驗(yàn)方法?？諝夥烹?air discharge method ):將實(shí)驗(yàn)發(fā)生器的充電電極靠近受試設(shè)備并由火花對受試設(shè)備激勵(lì)放電的一種實(shí)驗(yàn)方法。直接放電(direct即plication)：直接對受試設(shè)備實(shí)施放電。間接放電(in direct即plicati on)：對受試設(shè)備附近的耦合板實(shí)施

46、放電，以模擬人員對受試設(shè)備附近的物體的放電。而手機(jī)一般采用的是直接接觸放電和直接空氣放電。3.3手機(jī)ESD僉證方法在第一章中提到了 ESD的模型，它包括人體放電模型、機(jī)器放電模型、元件充電模型和電場感應(yīng)模型；而手機(jī)的靜電危害主要來自人體放電，則手機(jī)ESD的驗(yàn)證方法采用的是人體放電模型(如圖3.1所示)，電路中的儲(chǔ)能電容CS表示人體電容，標(biāo)準(zhǔn)大小約 為150pF; R表示人體電阻，大小約為 330 Qo圖3.1模擬人體放電模型以GSM類型手機(jī)為例，我國的標(biāo)準(zhǔn) YD1032-2000GSM900/DCS1800MHZT數(shù)字蜂 窩通信系統(tǒng)電磁兼容性限值和測量方法明確規(guī)定了ESD試驗(yàn)的等級(jí)（如表3.2

47、 ）與判斷要求。此試驗(yàn)的判斷依據(jù)：在試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)建立并保持通信連接。試驗(yàn)后，EUT應(yīng)當(dāng)能夠正常工作，無用戶可察覺的通信質(zhì)量降低，無用戶控制功能的喪失或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的丟失，且保持通信連接。為了在呼叫過程中確認(rèn)上述性能，還應(yīng)進(jìn)行空閑模式下的試驗(yàn)， 且發(fā)信機(jī)不應(yīng)誤操作。表3.2試驗(yàn)等級(jí)接觸放電空氣放電等級(jí)電壓（KV）等級(jí)電壓（KV）121224243638本論文的研究課題是“手機(jī)的靜電放電（ESD）防護(hù)與設(shè)計(jì)“。1、本論文研究的主要內(nèi)容與要求是：ESD對手機(jī)產(chǎn)生的危害和ESD的形成機(jī)理作比較詳細(xì)分析，重點(diǎn)研究手機(jī)設(shè)計(jì)中的 ESD問題及防護(hù)措施。2、論文的主要工作總結(jié)如下：本文一開始敘述ESD對手機(jī)的危害以及ESD形成的機(jī)理，并從三個(gè)方面闡述手機(jī) ESD的防護(hù)設(shè)計(jì)：手機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、手機(jī)的 PCB設(shè)計(jì)、手機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。3、本次論文的收獲：（1）了解了 ESD的