电子产品ESD设计

中国赛宝（总部）实验室电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室（中国电子产品可靠性与环境实验研究所）安全与电磁兼容检测中心：胥凌电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室0.前言„静电是人们日常生活中一种司空见惯的现象；„静电的许多功能已经应用到军工或民用产品中：如：静电除尘、静电喷涂、静电分离、静电复印等。„静电放电（ESD）却又成为电子产品和设备的一种危害，造成电子产品和设备的功能紊乱甚至部件损坏。„一个操作员在正常的设备操作中也可能因衣服或皮肤带有危害的电荷而使机器运行紊乱，甚至损坏硬件设备。电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室0.前言（续一）„现代半导体器件的规模越来越大，工作电压越来越低，导致了半导体器件对外界电磁骚扰敏感程度也大大提高。„ESD对于电路引起的干扰、对元器件、CMOS电路及接口电路造成的破坏等问题越来越引起人们的重视。„电子设备的ESD也开始作为电磁兼容性测试的一项重要内容写入国家标准和国际标准。„下面就ESD的形成机理、对电子产品的危害及ESD敏感度测试、电路设计对策等与大家共同探讨。电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室一、静电放电（ESD）机理及其危害„静电是两种介电系数不同的物质磨擦时，正负极性的电荷分别积累在两个物体上而形成：当两个物体接触时，其中一个趋于从另一个吸引电子，因而二者会形成不同的充电电位。„摩擦起电是机械过程，依靠相对表面移动传送电量。„传送的电量取决于接触的次数、表面粗糙度、湿度、接触压力、摩擦物质的摩擦特性以及相对运动速度。„两个带上电荷的物体也就成了静电源。„就人体而言，衣服与皮肤之间的磨擦发生的静电是人体带电的主要原因之一。电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室一、ESD机理及其危害（续一）„静电源跟其它物体接触时，依据电荷中和的原则，存在着电荷流动，传送足够的电量以抵消电压。这个高速电量的传送过程中，将产生潜在的破坏电压、电流以及电磁场，严重时将其中物体击毁。这就是静电放电。„国家标准是这样定义的：“静电放电：具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移（GB/T4365-1995）”，一般用ESD表示。„ESD会导致电子设备严重地损坏或操作失常。半导体专家以及设备的用户都在想办法抑制ESD。电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室一、ESD机理及其危害（续二）„在电子产品的生产和使用过程中，操作者是最活跃的静电源。„当人体穿着绝缘材料的织物，并且鞋也是对地绝缘的时候，人在地面上运动，就可能积累一定数量的电荷，当人体接触与地相连的元件、装置的时候就会产生静电放电。„现以人体为例，计算人体的带电情况。„当人们穿着化纤织物时，人体运动的充电电流约10－7～10－6A，总的充电电荷约（0.1～5）X10－6库仑，人体对地的电容约150～250pF，若以电荷3X10－6库仑计，则充电电压可达5～25kV。电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室一、ESD机理及其危害（续三）„人体的静电放电模型可用电阻和电容的串联来模拟：设人体电阻R=500Ω，人体电容C=300pF，人体带静电电压U=10kV，„则静电所含能量为：W=1/2（CU2）＝15（mJ）电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室一、ESD机理及其危害（续四）„尽管静电电压高达10kV，但能量仅15mJ，对人体没伤害；„但当人手去触摸设备的金属部分时会产生火花放电，瞬间的脉冲峰值很高，很可能对电子电路产生干扰或破坏。„本例中放电电流的峰值为：IP≈U／R=20（A）；„放电时间很短，可近似为：Td≈RC＝150（ns），„这对于MOS电路来说，则将受到致命打击。电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室一、ESD机理及其危害（续五）„大多数半导体器件都很容易受静电放电而损坏，特别是大规模集成电路器件更为脆弱。„通常以半导体器件中管结与绝缘层被静电放电击穿的静电电压值来表示半导体器件的易损性。„常见的半导体器件对静电放电的易损值为（100～3000）V。„表1列出了常见器件的易损参考值。电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室一、ESD机理及其危害（续六）„静电不加以防范的话，很容易将电路毁坏。„静电对器件造成的损坏有显性的和隐性的两种。„隐性损坏在当时看不出来，但器件变得更脆弱，在过压、高温等条件下极易损坏。„ESD两种主要的破坏机制是：„由于ESD电流产生热量导致设备的热失效；„由于ESD感应出高的电压导致绝缘击穿。„两种破坏可能在一个设备中同时发生，例如：绝缘击穿可能激发大的电流，这又进一步导致热失效。电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室一、ESD机理及其危害（续七）„除容易造成电路损害外，静电放电也极易对电子电路造成干扰。„静电放电对电子电路的干扰有二种方式：„一种方式是传导干扰„一种方式是辐射干扰电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室一、ESD机理及其危害（续八）„传导方式：若电路的某个部分构成了放电路径，即静电放电电流直接侵入设备内的电路：例如人手去触摸印制板上的轨线、管脚、设备的I/O接口端子、同轴插座的芯线等等静电放电电流流过集成片的输入端，造成干扰。电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室一、ESD机理及其危害（续九）„辐射干扰：即静电放电时伴随火花产生了尖峰电流，这种电流中包含有丰富的高频成分。从而将辐射磁场和电场，磁场能够在附近电路的各个信号环路中感应出干扰电动势。„由于在很短时间内发生较大的电流变化（上例中150ns内电流变化20A），所以在信号环路中产生的干扰电动势很可能超过逻辑电路的阀值电平，引起误触发。电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室一、ESD机理及其危害（续十）„辐射干扰大小还取决于电路与静电放电点的距离。„静电放电产生的磁场随距离的平方衰减。„静电放电产生的电场可以被印制板上的轨线，设备的I/O线接收，从而产生干扰。„电场的瞬时峰值很高可达几百至几千伏／米，但随距离立方衰减。„当距离较近时，无论是电场还是磁场都是很强的。„在静电放电位置附近的电路一般会受到影响。电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室一、ESD机理及其危害（续十一）„ESD在近场，辐射耦合的基本方式可以是电容或电感方式，取决于ESD源和接受器的阻抗。„在高阻电路中，电流信号很小，信号用电压电平表示，此时电容耦合将占主导地位，ESD感应电压为主要问题。„在低阻电路中，信号主要电流形式，因而电感耦合占主导地位，ESD感应电流将导致大多数电路出现的问题。„在远场，则存在电磁场耦合。电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室4kV静电放电在不同距离产生的电磁场电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室一、ESD机理及其危害（续十二）„与ESD相关的电磁干扰（EMI）能量上限频率可以超过1GHz；„取决于电平、相对湿度、靠近速度和放电物体的形状。„在这个频率上，典型的设备电缆甚至印制板上的走线会变成非常有效的接收天线。„因而，对于典型的模拟或数字电子设备，ESD会感应出高电平的噪声。电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室一、ESD机理及其危害（续十三）„使设备产生损坏比导致它失常所必需的电压和电流要大一至两个数量级。„损坏更有可能在传导耦合时产生。„这就是说，造成损坏，ESD电火花必须直接触电路线。„辐射耦合通常只导致失常。„在ESD作用下，电路中的器件在通电条件下比不通电条件下更易损坏。电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室二、电子产品ESD测试及要求„从第一节的叙述中我们了解ESD对电子产品的危害。„随着电子产品的复杂程度和自动化程度越来越高，电子产品的ESD敏感度也越高，电子产品抵御ESD干扰的能力已经成为电子产品质量好坏的一个重要因素。„那么如何来衡量电子产品抗ESD干扰的能力？通过静电放电抗扰度试验可以检测这种能力。„为此越来越多的产品标准将静电放电抗扰度试验作为推荐或强制性内容纳入其中。„电子设备的静电放电抗扰度试验也作为电子设备电磁兼容性测试一项重要内容列入国家标准和国际标准。电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室二、电子产品ESD测试及要求（续一）„对不同使用环境、不同用途、不同ESD敏感度的电子产品标准对ESD抗扰度试验的要求是不同的。„但这些标准关于ESD抗扰度试验大多都直接或间接引用GB/T17626.2-1998（idtIEC61000-4-2:1995）：《电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验》这一国家电磁兼容基础标准，并按其中的试验方法进行试验。„下面就简要介绍一下该标准的内容、试验方法及相关要求。电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室2.1试验对象：„该标准所涉及的是处于静电放电环境中和安装条件下的装置、系统、子系统和外部设备。电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室2.2试验内容：„静电放电的起因有多种，但该标准主要描述在低湿度情况下，通过摩擦等因素，使操作者积累了静电，电子和电气设备遭受直接来自操作者的静电放电和对临近物体的静电放电时的抗扰度要求和试验方法。„对电子产品而言，因操作者的静电放电造成受设备干扰或损坏的几率相对其他静电放电起因大得多。„若电子产品能提高针对因操作者的静电放电的抗扰性，则针对因其他因素的静电放电的抗扰性也会有相应的提高。电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室2.3试验目的：„试验单个设备或系统的抗静电干扰的能力。„它模拟：„（1）操作人员或物体在接触设备时的放电。„（2）人或物体对邻近物体的放电。电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室2.4ESD的模拟：„下图ESD发生器的基本线路其中高压真空继电器是目前唯一的能够产生重复与高速的放电波形的器件（放电开关）。放电线路中的储能电容CS代表人体电容，现公认150pF比较合适。放电电阻Rd为330Ω，用以代表手握钥匙或其他金属工具的人体电阻。现已证明，用这种放电状态来体现人体放电的模型是足够严酷的。电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室2.4ESD的模拟（续一）„下面为ESD发生器的放电电流的波形参数及波形。图中Im表示电流峰值，上升时间tr=（0.7～1）ns。电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室2.5试验方法„该标准规定的试验方法有两种：接触放电法和空气放电法。„接触放电法：试验发生器的电极保持与受试设备的接触并由发生器内的放电开关激励放电的一种试验方法。„空气放电法：将试验发生器的充电电极靠近受试设备并由火花对受试设备激励放电的一种试验方法。„接触放电是优先选择的试验方法，空气放电则用在不能使用接触放电的场合中。电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室电子产品的静电放电危害、测试及其对策中国赛宝（总部）实验室2.6试验等级及其选择：„试验电平以最切合实际的安装环境和条件来选择，表2提供了一个指导原则。表2同时也给出了静电放电试验等级的优先选择范围，试验应满足该表所列的较低等级。„标准中接触放电之所以可以用比较低的试验电压来进行试验，是因为接触放电有着极其陡峭的上升时间，其谐波成分更丰富