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(hù)

未受控制的靜電放電(ESD)已逐漸成為電子工業(yè)的一個(gè)很大的威脅。自20世紀(jì)60年代以來，人們開始認(rèn)識(shí)到厚膜與薄膜固態(tài)器件、金屬氧化物半導(dǎo)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(duì)靜電放電越來越敏感。前言靜電放電（ESD）對(duì)電子產(chǎn)品的危害主要為：

1、引起電子設(shè)備的故障或誤動(dòng)作，造成電磁干擾．如：驅(qū)動(dòng)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(dǎo)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(huì)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(gè)絕緣體接觸時(shí)，有一部分電荷（電子）從其中一個(gè)物體上傳到另一個(gè)物體上。這時(shí)，如果將兩個(gè)物體分離，由于電荷不能在絕緣體上自由移動(dòng)，所以不能返回到原來的物體上。因此，最初兩個(gè)呈現(xiàn)中性的物體現(xiàn)在變成了帶電體，其中一個(gè)帶正電，另一個(gè)帶負(fù)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(fù)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(guān)，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(guān)。

兩塊相同的材料在接觸后分離也能產(chǎn)生電荷。一個(gè)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(guān)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(dǎo)體之間分離也會(huì)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(shí)間就越短，這樣也使物體上存儲(chǔ)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(duì)濕度10%--20%相對(duì)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(dòng)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(dú)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(huì)分布在材料的整個(gè)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(gè)過程：1、一個(gè)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(yīng)遷移到一個(gè)導(dǎo)體上3、帶電的導(dǎo)體靠近金屬物體，這個(gè)金屬物體一般是接地的，然后便產(chǎn)生放電感應(yīng)帶電

如果一個(gè)帶電體靠近一個(gè)中性的導(dǎo)體，那么靜電場(chǎng)會(huì)使中性導(dǎo)體上處于平衡狀態(tài)的電荷分離。

若將導(dǎo)體暫時(shí)接地（例如接地的人或其它的物體很快接觸導(dǎo)體），那么中性導(dǎo)體上距離帶電體最遠(yuǎn)表面上的電荷將通過這個(gè)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(dǎo)體現(xiàn)在已經(jīng)帶電第二節(jié)人體靜電模型（HBM）

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

這個(gè)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(chǔ)兩個(gè)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(gè)人的表面積近似等于1m的球體的表面積，可以計(jì)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(huì)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(chǔ)在人體電容之中，并通過一個(gè)等效的人體電阻產(chǎn)生放電，同時(shí)電感對(duì)確定放電電流的上升沿時(shí)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(guān)。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(cè)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(shí)間變率IEC61000-4-2電流波形上升時(shí)間0.7ns,頻寬可達(dá)到300MH以上

2:IEC61000-4-2放電電流上升時(shí)間放電測(cè)試電壓

(kV)IEC61000-4-2峰值放電電流(A)上升時(shí)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(duì)產(chǎn)品各別指定的測(cè)試規(guī)格.(2):測(cè)試環(huán)境相對(duì)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(cè)試電壓與環(huán)境條件

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

ESD電弧電壓(Sparkvoltage)竄入半導(dǎo)體內(nèi)部使絕緣部位損壞.如在P-N接合點(diǎn)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(dāng)ESD發(fā)生時(shí)系統(tǒng)雖暫時(shí)受到影響,仍然可繼續(xù)動(dòng)作,但功能會(huì)隨時(shí)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(chǎng)強(qiáng)感應(yīng)失效

(Fieldinductionfailure)

ESD的高壓放電火花跟電流會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)輻射效應(yīng),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(shí)性程序錯(cuò)亂,及數(shù)據(jù)流失等,嚴(yán)重時(shí)更會(huì)損傷硬件成為永久行硬件失效。

第三節(jié)靜電放電的防護(hù)ESD預(yù)防ESD軟件ESD硬件FPGACPLDRegisterRAM地址存儲(chǔ)器開關(guān)矩陣寄存器結(jié)構(gòu)提升定位距離復(fù)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(shè)計(jì)PCBLayout原理圖設(shè)計(jì)把端口的地與金屬殼連接而加大ESD的泄放空間結(jié)構(gòu)1結(jié)構(gòu)2螺絲釘要避免伸入機(jī)構(gòu)內(nèi)成為天線（方法截?cái)?，換小螺絲，塑料螺絲）結(jié)構(gòu)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(jìn)內(nèi)部對(duì)PCB的IC放電(右)機(jī)殼內(nèi)加一道輔助接地保護(hù)電路板結(jié)構(gòu)4塑殼內(nèi)層噴導(dǎo)電漆屏蔽高速線（如電源線，排線等）盡量遠(yuǎn)離金屬位置（地），把電源線與地隔離開結(jié)構(gòu)5靜電防護(hù)—電路設(shè)計(jì)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(hù)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(hù)—電路設(shè)計(jì)2、ESD電流流經(jīng)地回路造成復(fù)位，重啟損壞:

假設(shè)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(dòng)(GroundBounce)，

這種地的電位彈跳會(huì)使IC重置或鎖定,IC如被鎖定時(shí)非常容易被供應(yīng)的電源摧毀。防護(hù)這種地電位跳動(dòng)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(kuò)大地層的完整性，地的屏蔽性,地層的吸收性靜電防護(hù)—電路設(shè)計(jì)3.電磁場(chǎng)間接耦合

例：如垂直板與水平板之放電，使電路造成重置，

對(duì)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(jī)構(gòu)屏蔽好壞而定。

防護(hù)這種電磁場(chǎng)間接耦合的方法：可以從機(jī)體的結(jié)構(gòu)屏蔽和PCB設(shè)計(jì)布線著手。Layout擴(kuò)大地層的完整性,地的屏蔽性,地層的吸收性.靜電防護(hù)—電路設(shè)計(jì)靜電防護(hù)—電路設(shè)計(jì)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(hù)—電路設(shè)計(jì)PCB布局架構(gòu)對(duì)突波I/O端抑制電路靜電防護(hù)—電路設(shè)計(jì)低通ESD濾波及突波ESD吸收器方式疏導(dǎo)ESD能量靜電防護(hù)—電路設(shè)計(jì)I/O控制信號(hào)加ESD靜電抑制器保護(hù)靜電防護(hù)—電路設(shè)計(jì)（RESET）復(fù)位電路設(shè)計(jì)靜電防護(hù)—電路設(shè)計(jì)靜電防護(hù)—電路設(shè)計(jì)靜電防護(hù)—電路設(shè)計(jì)靜電防護(hù)—電路設(shè)計(jì)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(hù)—電路設(shè)計(jì)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?cái)?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(hù)設(shè)計(jì)靜電防護(hù)—電路設(shè)計(jì)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(hù)—電路設(shè)計(jì)靜電防護(hù)—電路設(shè)計(jì)PCB

Layout防護(hù)設(shè)計(jì)接地不僅涉及產(chǎn)品或系統(tǒng)的電氣安全，而且關(guān)聯(lián)著電磁兼容和其測(cè)量技術(shù)。良好的接地可以保護(hù)設(shè)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(shè)計(jì)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(hào)地、屏蔽地、保護(hù)地、數(shù)字信號(hào)地、模擬信號(hào)地、接機(jī)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(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、混合接地和懸浮地等。理想的接地面應(yīng)為零電位，各接地點(diǎn)之間無電位差。但實(shí)際上，任何“地”或接地線都有電阻。

當(dāng)有電流通過時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生壓降，使地線上的電位不為零，兩個(gè)接地點(diǎn)之間就會(huì)存在地電壓。當(dāng)電路多點(diǎn)接地，并有高速信號(hào)層(信號(hào)線)通過時(shí)，就將構(gòu)成地環(huán)路干擾電壓。因此，接地技術(shù)十分講究，如信號(hào)接地與電源接地要分開，復(fù)雜電路采用多點(diǎn)接地和公共地等。靜電防護(hù)—電路設(shè)計(jì)1.低功率PCB布線要點(diǎn):提起PCB布線，許多工程技術(shù)人員都知道一個(gè)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)：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(gè)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)是：只要空間允許，走線越粗越好?？梢悦鞔_地說，這些經(jīng)驗(yàn)在注重ESD的今天已淘汰。要使單片機(jī)系統(tǒng)有良好的ESD性能，PCB設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。一個(gè)具有良好,ESD性能的PCB，必須按高頻電路來設(shè)計(jì)??這是反傳統(tǒng)的。PCB

Layout防護(hù)設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)按高頻電路來設(shè)計(jì)PCB的理由在于：盡管單片機(jī)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(cè)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(cè)試，PCB的設(shè)計(jì)必須考慮高頻電路的特點(diǎn)。靜電防護(hù)—電路設(shè)計(jì)（1）要有良好的地線層。良好的地線層處處等電位，不會(huì)產(chǎn)生共模電阻偶合，也不會(huì)經(jīng)地線形成環(huán)流產(chǎn)生天線效應(yīng)；良好的地線層能使靜電放電以最短的路徑進(jìn)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(yīng)當(dāng)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(duì)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(hào)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(yīng)當(dāng)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(xì)線的不要用粗線。因?yàn)镻CB上的每一根走線既是有用信號(hào)的載體，又是接收幅射干擾的干線，走線越長、越粗，天線效應(yīng)越強(qiáng)。2.高頻電路設(shè)計(jì)的要點(diǎn)：PCB

Layout防護(hù)設(shè)計(jì)靜電防護(hù)—電路設(shè)計(jì)PowerESDLayout技術(shù):無論是信息技術(shù)設(shè)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(yán)重的電磁干擾源。如電網(wǎng)的沖擊，尖峰電壓可高達(dá)千伏以上，會(huì)給設(shè)備或系統(tǒng)帶來毀滅性的破壞。另外，電源線是干擾信號(hào)侵入設(shè)備的主要途徑。因此，電源系統(tǒng)，特別是開關(guān)電源的ESD設(shè)計(jì)，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。其