靜電防護設(shè)計技術(shù)

1、靜電防護設(shè)計技術(shù)1主要內(nèi)容靜電放電（ESD）模型ESD的危害ESD的危害機理分析實用ESD防護設(shè)計技術(shù)案例分析2靜電物體的靜電帶電，或稱靜電起電，是由于處于不同帶電序列位置的物質(zhì)之間接觸分離（摩擦）使物體上正負(fù)電荷失去平衡而發(fā)生的靜電現(xiàn)象。3人體靜電電位4靜襪電位（kV）鞋赤腳尼龍襪薄毛襪導(dǎo)電襪橡膠底運動鞋20.019.021.020.0新皮鞋5.08.57.06.0防靜電鞋2.04.03.03.5人體靜電電位5靜電產(chǎn)生原因人體靜電電位（kV）RH（1020）%RH（6590）%在合成纖維地毯上走動3515在乙烯樹脂地板上行走120.25在工作臺上操作60.1包工作說明書的乙烯樹脂封皮70.6

2、從工作臺上拿起普通聚乙烯袋201.2從墊有聚氨基甲酸泡沫的工作椅上站起181.5人體靜電電位工作服和褲子激烈磨擦后脫下時人體靜電電位6靜褲料電位（kV）工作服純棉布毛料丙烯聚酯尼龍維尼龍純棉布1.20.911.714.71.51.8維尼龍/棉（55/45）0.64.512.312.34.80.3聚酯/人造絲（65/35）4.28.419.217.14.81.2聚酯/棉（65/35）14.115.312.37.514.713.8靜電電位工作服和褲子激烈磨擦后脫下時工作服的靜電電位靜褲料電位（kV）工作服純棉布毛料丙烯聚酯尼龍維尼龍純棉布2.22.721.422.32.73.3維尼龍/棉（55/4

3、5）0.99.418.017.58.50.5聚酯/人造絲（65/35）9.229.739.923.713.32.3聚酯/棉（65/35）23.120.619.511.929.323.47靜電放電的定義靜電放電（ESD-ElectrostaticDischarge）帶電體周圍的場強超過周圍介質(zhì)的絕緣擊穿場強時，因介質(zhì)產(chǎn)生電離而使帶電體上的靜電荷部分或全部消失的現(xiàn)象。8靜電放電I放電電流 It1ns100ns9靜電放電的特點靜電放電是高電位、強電場、瞬時大電流的過程。靜電放電會產(chǎn)生強烈的電磁輻射形成電磁脈沖（EMP）10靜電放電模型人體模型（HBM）RR = 1.5 kCC = 100 pF11靜

4、電放電模型場增強模型(人體-金屬模型）CRCBRBLBRHCHLH放電端CB=150 pF,RB=330,LB=0.040.2HR = 150 C = 150 pFCH=310 pF, RH=20200,LH=0.050.2HIEC801-2 (1991)IEC801-2 (1984)IEC61000-4-212靜電放電模型家具模型RLR = 15 CC = 150 pFL = 0.20.4 mH13靜電放電模型帶電器件模型（CDM）RLR、C、L的值根據(jù)器件的具體情況確定。一般較小。C14靜電放電的危害實例一：固體靜電造成的危害某密閉貨車裝運聚苯乙烯制品，行駛600km后，停車時發(fā)生爆炸，車

5、頂被炸碎，飛離出事點30-60m。事故原因是在行車過程中產(chǎn)生和積累了靜電，而聚苯乙烯制品分解出少量易燃?xì)怏w沒能能時排出，在車內(nèi)形成爆炸性混合物，過到一定濃度后遇靜電火花引起爆炸。15靜電放電的危害實例二：人體靜電造成的危害1980年12月26日，某廠靶場臨時裝藥工房，工人在裝100mm榴彈炮，3個人正往筒內(nèi)裝發(fā)射藥，另一個身穿羊皮大衣的裝卸工人從外面走來，看到不穩(wěn)定，想用雙手扶住藥筒，他的手剛摸到藥筒的瞬間，發(fā)生了爆炸事故，死1人，重傷3人。分析其事故原因是：在干燥的冬季，身穿羊皮大衣，人體活動時可以帶上幾萬伏的靜電。人體對藥筒放電引起爆炸。16靜電放電的危害實例三：液體靜電造成的危害某油船自

6、油罐裝航空煤油，開始十分鐘后，油船爆炸，傷亡多人。其原因是航空煤油流過橡膠軟管時，產(chǎn)生約30kV的靜電電壓，煤油蒸氣濃度已達到爆炸濃度極限，由輸油管上的凸出部位與油船之間的靜電放電火花點燃了易燃易爆混合氣體引起爆炸。17靜電放電的危害實例四：人體靜電對器件的危害某廠在使用高頻三極管3DG142時發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象。當(dāng)工作人員在上班開始工作時，拿起第一只管子測試，常常發(fā)現(xiàn)是壞的，其失效模式為發(fā)射結(jié)擊穿，以后就基本上是好的了。這種現(xiàn)象每天重復(fù)出現(xiàn)。后經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，這種失效是由人體靜電引起的。于是廠里規(guī)定，凡是第一次測試時，要先摸一摸地線，釋放靜電后，再去拿管子。自此，該現(xiàn)象消失。18靜電放電的危害

7、實例五：人體靜電對器件的危害一AS169型數(shù)控微波開關(guān)(GaAsIC)，應(yīng)用于收發(fā)電路單板。在裝配后對整板測試時，發(fā)現(xiàn)整板的接受、發(fā)射功率有的下降，有的無功率。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)是板上的1個AS169器件失效所致。在同一塊整板上有兩個同樣的AS169器件，它們在不同位置；其中一個無失效，另一個有50的失效，有時高達6070；失效器件與對外的接插件相連；在操作過程中，有時有工人不帶防靜電腕帶。19靜電放電的危害力學(xué)效應(yīng)半導(dǎo)體器件生產(chǎn)：靜電塵埃吸附在芯片上，使IC的成品率下降紡織業(yè)：靜電力造成亂紗、掛條、粘合糾結(jié)等，影響產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率印刷業(yè)和塑料薄膜包裝生產(chǎn)：靜電力影響正常的紙張分離、疊放、塑料膜不

8、能正常包裝和印花，影響生產(chǎn)的自動化20靜電放電的危害熱效應(yīng)靜電火花放電或刷形放電瞬間的大電流可以使空氣電離、擊穿、發(fā)光、發(fā)熱，形成局部的高溫?zé)嵩础＼姽I(yè)及化工業(yè)：引起爆炸事故。微電子技術(shù)領(lǐng)域：ESD的靜電能量可以使硅片微區(qū)熔化，燒毀PN結(jié)和金屬互連線，形成破壞性的熱擊穿，導(dǎo)致器件損壞失效。21靜電放電的危害強電場效應(yīng)靜電荷在物體上積累往往使物體對地具有很高的電位，在附近產(chǎn)生很強的電場很強的靜電場會導(dǎo)致MOS場效應(yīng)器件的柵氧化層被擊穿，使器件失效很強的靜電場可以使多層布線電路間介質(zhì)擊穿或金屬化導(dǎo)線間介質(zhì)擊穿，造成電路失效很強的靜電場可以造成電子器件的潛在性損傷，影響產(chǎn)品的可靠性22靜電放電的危害

9、電磁輻射效應(yīng)火花放電和刷形放電都是靜電能量比較大的ESD過程，其峰值電流可達幾百安培，可以形成電磁脈沖串，對微電子系統(tǒng)造成強電磁干擾和浪涌效應(yīng)電磁干擾能夠引起電路錯誤翻轉(zhuǎn)或致命失效23靜電放電對電子設(shè)備的危害方式和機理ESD放電時縫隙的影響電路ESD電流24靜電放電對電子設(shè)備的危害方式和機理ESD放電時縫隙的影響電路ESD電流25靜電放電對電子設(shè)備的危害方式和機理搭接不良時ESD放電的影響電路26靜電放電對電子設(shè)備的危害方式和機理內(nèi)部電路接地不良時ESD放電的影響電路27靜電放電對電子設(shè)備的危害方式和機理接地不良時ESD放電的影響電路28靜電放電對電子設(shè)備的危害方式和機理對設(shè)備施加ESD接觸放

10、電時的近場分布對接地金屬機架施加ESD干擾時，在機架內(nèi)部及周圍空間將存在較強的干擾電磁場距離放電點越近的空間，干擾電磁場越強距離機架上金屬導(dǎo)體越近的空間，干擾電磁場越強干擾電磁場激發(fā)的感應(yīng)電壓的持續(xù)時間與一個ESD脈沖電流持續(xù)的時間相當(dāng)，ESD干擾脈沖過后，周圍空間的干擾電磁場也基本消失29導(dǎo)線的阻抗lZ = RAC + jùL趨膚效應(yīng)ä電流IlR ACRAC= 0.076r f1/2 RDCr0.37I深度導(dǎo)線越短、截面積ä = 1 / (ð f µ ó)1/2越大，其阻抗越小 30=接地引線電感HdL = 0.002H ( 2.3

11、03 ln4Hd 0.75)(µH )各線度量的單位均為cmHcbL = 0.002H ( 2.303 ln2Hb + c+ 0.5 + 0.2235b + cH)31(µH )接地引線電感例：H=100cm，導(dǎo)體的橫截面積均為35mm2.Hdd =6.68mmL = 2.8 uHcHL = 1.95 uHbb =35mm, c =1mm32導(dǎo)線的阻抗頻率Hzd = 0.65cm10cm 1md = 0.27cm10cm 1md = 0.06cm10cm 1md= 0.04cm10cm 1m10Hz51.4µ517µ327µ3.28m5.29m

12、52.9m13.3m133m1k429µ7.14m632µ8.91m5.34m53.9m14m144m100k42.6m712m54m828m71.6m1.090.3m1.071M426m7.12540m8.28714m10783m10.65M2.1335.52.741.33.57503.865310M4.2671.25.482.87.141007.710650M21.33562741435.750038.5530100M42.65471.477150M63.98110711533一些器件的靜電敏感電壓值34器件類型耐ESD電壓（V）器件類型耐ESD電壓（V）VMOS301

13、80運算放大器1902500MOSFET100200JEFT1401000GaAsFET100300SCL6801000PROM100STTL3002500CMOS2502000DTL3807000HMOS50500肖特基二極管3003000E/DMOS2001000雙極型晶體管3807000ECL3002500石英及壓電晶體<10000ESD敏感器件分類和敏感電壓范圍35器件分類及敏感度元器件類型一級02kV·微波器件（肖特基二極管、點接觸二極管及頻率大于1GHz的檢波二極管）·MOS場效應(yīng)管（MOSFET）·結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）·聲表面波濾

14、波器（SAW）·電荷耦合器件（CCD）·運算放大器（OPAMP）·集成電路（IC）·薄膜電阻器·可控硅整流器（Pt<100mW，It<100mA）·由第一級器件組成的混合電路ESD敏感器件分類和敏感電壓范圍100mA）36器件分類及敏感度元器件類型二級24kV·MOS場效應(yīng)管（MOSFET）·結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）·運算放大器（OPAMP）·集成電路（IC）·精密電阻網(wǎng)絡(luò)·特高速效應(yīng)晶體管·低功率雙極性晶體管（Pt<100mW，It<

15、83;由第二級器件組成的混合電路ESD敏感器件分類和敏感電壓范圍器件分類及敏感度元器件類型三級416kV·MOS場效應(yīng)管（MOSFET）·結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）·運算放大器（OPAMP）·集成電路（IC）·小信號二極管（P1W，I1A）·一般硅整流二極管·可控硅整流器（I0.175A）·小功率雙極性晶體管·片狀電阻器·光電器件（光電二極管、光電晶體管、光電耦合器）·壓電晶體37·由第三級器件組成的混合電路靜電危害或ESD干擾產(chǎn)生的條件能量危險靜電源耦合靜電敏感器件、產(chǎn)品途徑

16、38ESD防護設(shè)計要求總原則靜電屏蔽濾波去耦絕緣隔離接地泄放良好搭接瞬態(tài)抑制39ESD防護設(shè)計要求機箱金屬之間要實現(xiàn)良好搭接搭接處要采用面接觸，避免點接觸相互搭接的金屬之間的電化學(xué)位差不大于0.6V40ESD防護設(shè)計要求人員接觸的鍵盤、控制面板、手動控制器、鑰匙鎖等金屬部件，應(yīng)直接通過金屬機架接地。如果不能實現(xiàn)接地，則其與電路走線和工作地的絕緣距離應(yīng)大于6mm41ESD防護設(shè)計要求機架式設(shè)備一般采用復(fù)合式接地，工作地、電源地、保護地與機架在內(nèi)部要良好隔離，在機架接地螺栓處匯接或在外部接地匯集線上匯接，形成良好的靜電泄放通路42ESD防護設(shè)計要求模擬工作地工作地匯流條數(shù)字工作地電源地匯流條電源地

17、保護地保護地匯流條機架接地點匯接點43ESD防護設(shè)計要求小型低速(頻率小于1MHz)設(shè)備可以采用工作地浮地(或工作地單點接金屬外殼)、金屬外殼單點接大地，使靜電通過機殼泄放到地而對內(nèi)部電路無影響44ESD防護設(shè)計要求小型高速(頻率大于10MHz)設(shè)備的工作地應(yīng)與其金屬機殼實現(xiàn)多點接地,接地點的間距應(yīng)小于最高工作頻率波長的1/20，且金屬外殼單點接大地45ESD防護設(shè)計要求機架設(shè)備的接地點與外部接地樁之間要保證可靠的電氣連接接地線材料應(yīng)采用多股銅線接地銅線的截面積盡可能大接地銅線的接頭應(yīng)采用銅鼻子46PCB板的ESD防護設(shè)計要求接口電路應(yīng)盡量采用ESD敏感度為3級（靜電損傷閾值大于4KV）或不敏

18、感的元器件；否則在輸入輸出接口電路上應(yīng)采取保護措施。單板的保護電路應(yīng)緊靠相應(yīng)的連接器放置47PCB板的ESD防護設(shè)計要求芯片的保護電路應(yīng)緊靠相應(yīng)的芯片放置，并低阻抗接地48PCB板的ESD防護設(shè)計要求易受ESD干擾的器件，如NMOS、CMOS器件等，應(yīng)該盡量遠離易受ESD干擾的區(qū)域49PCB板的ESD防護設(shè)計要求在插拔式PCB上設(shè)置靜電防護地不形成閉合環(huán)路；與工作地之間的間距應(yīng)大于3mm在表層設(shè)置，不涂綠油50PCB板的ESD防護設(shè)計要求相互之間具有很多互連線的元器件應(yīng)盡可能彼此靠近。例如I/O器件與I/O連接器應(yīng)盡量接近51PCB板的ESD防護設(shè)計要求信號線應(yīng)該與其回流地線緊挨在一起盡量在每

19、根信號線的旁邊安排一條地線。盡量采用地平面或地線網(wǎng)格，而不采用單根地線。對于多層板，信號線應(yīng)該盡量靠近地平面走線52PCB板的ESD防護設(shè)計要求時鐘線應(yīng)在兩地平面之間走線時鐘線應(yīng)在同一層布線，盡量不要換層53PCB板的ESD防護設(shè)計要求在復(fù)位信號線靠近復(fù)位按鈕的輸入端與地之間，以及靠近復(fù)位芯片的輸入端與地之間分別并接0.1uF的陶瓷電容復(fù)位線應(yīng)盡可能短而寬多層板中的復(fù)位線應(yīng)在兩地平面之間走線54PCB板的ESD防護設(shè)計要求對于多層板，應(yīng)保證地平面的完整性，地平面內(nèi)不應(yīng)有大的開口55PCB板的ESD防護設(shè)計要求在印制板的電源輸入端應(yīng)采取濾波措施，并用瞬態(tài)過電壓抑制器件（TVS）抑制瞬態(tài)過電壓LT

20、VS+C1100FC20.1F56PCB板的ESD防護設(shè)計要求對于雙面板，如果印制板上的電源線引線很長，則每隔8cm在電源與地之間接入一個0.1uF的陶瓷電容器57PCB板的ESD防護設(shè)計要求所有高速邏輯器件要求安裝去耦電容集成電路的電源與地之間應(yīng)加0.01uF0.1uF的陶瓷電容器進行去耦去耦電容應(yīng)并接在同一芯片的電源端與地之間且要緊靠被保護的芯片58PCB板的ESD防護設(shè)計要求高速數(shù)字單板上應(yīng)有足夠多的儲能濾波電容（10uF或22uF的陶瓷電容器或其它高頻電容器）。條件允許時，可盡量多設(shè)置儲能濾波電容。59PCB板的ESD防護設(shè)計要求CMOS器件所有不用的輸入端引線不允許懸空，應(yīng)視不同電路

21、接到地、電源（源極）VSS或電源（漏極）VDD上。CMOS器件的輸入端如果接的是高阻源，則應(yīng)設(shè)計上拉或下拉電阻60PCB板的ESD防護設(shè)計要求印刷板上的靜電敏感器件，必須通過保護電路（設(shè)置串聯(lián)電阻、分流器、箝位器件等保護裝置）才能與電連接器的端子相連61PCB板的ESD防護設(shè)計要求CMOS電路PCB保護電阻限流電阻62PCB板的ESD防護設(shè)計要求安裝在印制板上具有金屬外殼的元器件（如復(fù)位按鈕、撥碼開關(guān)、晶振等），其金屬外殼必須可靠接地，優(yōu)先接靜電保護地，如單板沒有設(shè)置靜電保護地，則接工作地63PCB板的ESD防護設(shè)計要求對于輸入輸出接口處信號插針與金屬外殼的隔離距離達不到5mm的接插件，其金屬

22、外殼附近應(yīng)盡可能敷設(shè)大面積覆銅地。接插件金屬部分應(yīng)與金屬機殼實現(xiàn)低阻連接64PCB板的ESD防護設(shè)計要求操作面板上容易被人體接觸的部件，如小面板、按鈕、鍵盤、旋鈕等應(yīng)盡可能采用絕緣物，也可以采用帶塑料薄膜的金屬開關(guān)面板65PCB板的ESD防護設(shè)計要求對于與內(nèi)部電路無聯(lián)系的金屬部件，如固定印刷板的金屬鎖簧和起拔拉手，外表涂覆絕緣層，增加其絕緣強度，并與印制板內(nèi)部電路（包括信號和地）隔離至少5mm以上66PCB板的ESD防護設(shè)計要求金屬機殼以及與印制板相連的金屬前面板應(yīng)與印制板內(nèi)部電路（包括信號和地）隔離足夠的距離（如5mm以上）67通訊端口的ESD防護設(shè)計要求對通訊端口的ESD防護，一般采用TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）保護器件68通訊端口的ESD防護設(shè)計要求TVS器件的主要參數(shù)及選取原則截止電壓VRM：VRM=（1.11.2）V工作，最大不超過工作電壓的1.4倍。結(jié)電容C：保證不對電路的正常工作造成影響，不對傳送的波形產(chǎn)生畸變。如果用于高速電路，以不