01什么是ESD

靜電放電(Electrostatic Discharge，ESD)是指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移。當帶了靜電荷的物體(也就是靜電源)跟其它物體接觸時，這兩個具有不同靜電電位的物體依據電荷中和的原則，存在著電荷流動，傳送足夠的電量以抵消電壓。這個電量在傳送過程中，將產生具有潛在破壞作用的電壓、電流以及電磁場，嚴重時會將物體擊毀。

02ESD是怎么產生的

1.摩擦起電——哪里有運動，哪里就有靜電!

2.感應起電——物體在靜電場的作用下，發生了電荷上再分布的現象。比如：一個設備加電工作的過程中，產生了一定的電磁場，外圍的物體受場的作用會感應出部分電荷，電視屏幕帶電現象。

3.容性起電——由于已經具有一定電荷的帶電體在與另一個物體靠近、分離時。根據平行板電容公式c=εS/4πkd (S為金屬片的正對面積，d為兩金屬片間的距離)， Q=CV得出，系統的電容發生改變，攜帶一定電量的物體或是人體上的靜電電位將發生變化，這就會導致電子元器件的損壞。

03ESD的特點及危害

ESD 可形成高電位、強電場、瞬時大電流

大多數情況下 ESD 過程往往會產生瞬時脈沖大電流，尤其是帶電導體或手持小金屬物體的帶電人體對接地導體產生火花放電時，產生的瞬時脈沖電流的強度可達到幾十安培甚至上百安培。

2 .ESD 過程會產生強烈的電磁脈沖輻射

在 ESD 過程中會產生上升時間極快、持續時間極短的初始大電流脈沖，并產生強烈的電磁輻射形成靜電放電電磁脈沖(ESD Electromagnetic Pulse-ESD EMP)，它的電磁能量往往會引起電子系統中敏感部件的損壞、翻轉，使某些裝置中的易爆品誤爆，造成事故。

3.硬損傷：硬損傷又稱 “突發性徹底失效”、“一次性損壞”，這種類型的損壞數約占總損壞數的10 %。表現為器材電參數俄然劣化， 失去原有功能。首要原因是靜電放電導致過壓使得介質被擊穿，或過流產生高溫使得內部電路金屬導線熔斷 、硅片局部消融等。硬損壞可通過慣例的性能測驗手段及時發現，相對軟損壞而言危害要小得多。

4.軟損傷：軟損傷又稱 “潛在性緩慢失效”、“ 屢次損害累積后失效 ”，數目約占總損壞數的90%。遭到軟損害的產品，盡管各類電參數仍合格 ，但其使用壽命會大大縮短，可靠性變差，或許會在后續過程中持續遭受ESD軟損害或其它過應力損害積累而過早地失效 。因為軟損害是潛在的，運用現在的技術還很難證明或檢測出來，特別是產品作為零部件被裝入整機之后，具有更大的危害性。這些產品流入市場后功能缺失造成的影響將比流入市場前嚴重 數倍。

04ESD防護及設計要點

ESD控制方法——電子硬件設計

1.并聯放電器件，常用的放電器件有TVS，穩壓二極管 ，壓敏電阻等

穩壓二極管( Zener Diodes )：利用穩壓二極管 的反向擊穿特性可以保護 ESD敏感器件。但是穩壓二極管通常有幾十pF 的電容，這對于高速信號(例如 500 MHz)而言，會引起信號畸變。穩壓二極管對電源上的浪涌也有很好的吸收作用。

2.串聯阻抗一般可以通過串聯電阻或者磁珠來限制ESD放電電流，達到防靜電的目的。

如圖。如手機的高輸入阻抗的端口可以串1K歐電阻來 防護，如ADC，輸入的GPIO，按鍵等。不要擔心0402的電阻會被打壞，實踐證明是打不壞的。這里不詳細 分析。用電阻做ESD防護幾乎不增加成本。如果用磁珠，磁珠的價格大約0.002$,和壓敏電阻差不多。

3.增加濾波網絡前面提到了靜電的能量頻譜，如果用濾波器濾掉主要的能量也能達到靜電防護的目的。

對于低頻信號，如GPIO輸入，ADC，音頻輸入可以用1k +1000PF的電容來做靜電防護，成本可以忽略，性能不比壓敏電阻差，如果用1K +50 PF的壓敏電阻效果更好，經驗證明這樣防護效果有時超過TVS。

ESD控制方法—— 機構設計

1.產品外殼為金屬材質：結構上要預留有效且布局均勻的接地點;一般來說金屬彈片的接地效果優于導電膠帶和導電泡棉。

2.產品外殼為非金屬材質 ：材質本身不易吸引和聚集靜電，但是容易被高靜電能量穿透。所以外殼要遠離PCB，一般情況下1mm對應1KV。例如要通過15KV的靜電 測試，外殼到PCB板距離要15 mm。

3.產品外殼上有螺絲孔：可以考慮用橡膠塊堵住螺絲孔。防止靜電能量通過螺絲傳導到PCB板上。

ESD控制方法——電子PCB板&FPC設計

1.敏感信號 ：電路板上所有的敏感信號要參考完整地平面

2. PCB屏蔽：電路板四周邊緣做地線保護;如果是PCB，電路板上可以做屏蔽罩設計，屏蔽罩必須保證 有效而分布均勻接地，一 般會和PCB地平面相連，器件擺放時，容易被靜電影響的器件盡量放在屏蔽罩 中

3.器件選擇 ：在器件選擇上盡可能 選擇高耐ESD的型號，以避免本身規格問題導致測試不通過

ESD器件(TVS)選型步驟：

a.計算接口信號幅值的范圍來確定ESD器件的工作電壓。

b.根據信號類型決定使用單向或雙向ESD器件。

c.根據信號速率決定該接口能承受的最大寄生電容。

d.根據電路系統的最大承受電壓沖擊，選擇合適的鉗位電壓。

e.確保ESD器件可達到或超過IEC 61000-4-2 LEVEL 4。

4. ESD放置器件放置：ESD保護器件擺放要靠近IO或是連接器端口，避免靠近芯片擺放;這樣能夠減少ESD脈沖信號干擾到附近線路

5.走線規則：layout走線應該從接口處先走到保護元件然后再走到芯片等其他位置，保證靜電能量進來可以馬上泄放掉

ESD控制方法——作業及包裝環境

1.靜電源接地且靜電帶及工作表面接地。

2.靜電屏蔽和靜電屏蔽袋。

3.離子風機、離子氣槍。

05ESD的放電模型分類

目前根據ESD 產生的原因及其對集成電 放電的方式 同，常見的ESD 被分類為下 三類(還有一些模式并不常用)，分別是：人體放電模式(HBM, Human Body Model), 機器放電模式(MM, Machine Model)以及元件充電模式(CDM, Charge Device Model)。

1.人體放電模式(HBM, Human Body Model)：是指因人體通過磨擦或其他因素積累靜電，此時當人去碰觸IC時，人體上的靜電會經由IC的PIN腳進入IC內，再經由IC放電到地。

對一般元件可承受的HBM 2KV來說，在2~10ns時間內，瞬間電流峰值可達1.33A。

2.機器放電模式(MM, Machine Model)：是指機器( 如機械手臂)本身積累靜電，當此機器碰觸IC時，該靜電經由IC的PIN腳放電。此放電的過程時間更短，電流更大。比較HBM大數倍。

3.元件充電模式(CDM, Charge Device Model)：是指IC先因磨擦或其他因素而在IC內部積累靜電，但在靜電積累的過程中IC并未受到損傷。這種帶有靜電的IC在處過程中，當其PIN腳碰觸到接地面時，IC內部的靜電會經由PIN腳自IC內部形成放電，此種模式的放電時間可能只在幾ns內。

06ESD的測試

ESD測試符合IEC 61000-4-2

IEC 61000-4-2是抗擾度ESD測試的標準。它在稱為ESD槍的手持發生器的指定電壓電平下施加定義的電流波形。

它使用由高壓電源提供的電容器，其充電電壓通過接觸點通過串聯阻抗放電到地。使用兩種放電方法。它們是接觸放電和空氣放電。

ESD測試-接觸放電

在接觸放電方法中，應力可以直接施加到EUT或鄰近EUT的耦合平面。在每個測試脈沖之前，電容器充電到所需的電平，但其電壓通過真空繼電器保持在發生器的探頭上。

將探針應用于EUT或耦合平面上的適當選擇的點。然后觸發發電機，使繼電器觸點閉合，電容器電壓通過探頭施加到EUT。

當電壓通過發生器，EUT和接地平面的組合串聯阻抗放電時，這會產生電流脈沖。在每個位置以適當的極性和水平重復該動作所需的次數。

ESD測試-空氣放電

相同的發電機用于空氣放電方法，但具有圓形而不是尖的探針尖端。電容器如前所述充電到所需的電平，但電壓現在連續施加到探頭上，探頭遠離EUT。

對于每個測試脈沖，尖端被巧妙地提升到EUT上的選定點，直到它接觸為止。就在此之前，尖端和EUT之間的氣隙將被擊穿并且放電電流將流動，

如前所述受到發電機的組合串聯阻抗，氣隙，EUT和返回路徑的限制。

同樣，在每個位置以適當的極性和水平重復動作所需的次數。

靜電放電ESD測試布局

ESD脈沖具有亞納秒的上升時間，因此射頻布局預防措施至關重要。

1.測試必須重新創建實際發現的快速上升時間，因為這是決定放電通過EUT的路徑和EUT本身的響應的重要參數。接地參考平面(GRP)是設置的組成部分，發電機的返回引線必須與其良好連接，因為此連接形成電流返回路徑的一部分。

2.測試的間接放電部分使用另外兩個不同于GRP的平面，稱為水平耦合平面(HCP)和垂直耦合平面(VCP)。這些飛機的放電模擬了從現實生活中放射到附近物體的輻射場所產生的應力。

3.每個耦合平面通過電阻引線連接到GRP，以確保任何電荷在幾微秒內流出。這些引線的結構至關重要：每端應靠近一個電阻，使它們之間的引線長度與連接隔離，并且與它的雜散耦合被中和。

4.雖然額定功率并不重要，但電阻器本身應能承受高脈沖dV / dt而不會損壞，因此碳成分類型適合。

5.對于幾十納秒的ESD事件，該平面承載全應力電壓，該電壓電容耦合到EUT。從平面到EUT以外的物體的任何雜散電容都會修改平面的電壓和電流波形，從而修改所施加的應力。

6.因此，重要的是在EUT周圍保持至少1米的凈空間，這意味著桌面設置與墻壁或其他物體有一些分離。

7.同樣，從VCP到EUT的分離規定為10cm; 即使這個距離的微小變化也會導致與EUT的耦合發生很大的變化，因此控制它的便利方法，例如平面表面上的塑料10cm間隔物，是有幫助的。

07ESD失效判斷

進行ESD測試之后，要判斷其是否已被ESD破壞，以決定是否進一步測試，但是如何判定該IC是否已被ESD損壞呢?常用的有下述三種方法：

1.絕對漏電流:當IC進行ESD測試后，在其 I/O PIN上加一定電壓，電壓超過規定值，即可認為ESD失效。

2.相對I-V漂移:當IC進行ESD測試后，其 I/O PIN的I-V曲線漂移超過規定值，即可認為ESD失效。

3.功能判斷:當IC進行ESD測試后，其 I/O PIN的功能已經不滿足性能規格，即可認為ESD失效。

需要注意的是：即使是對同一IC而言， 同樣的ESD失效判斷標準，可能會得到差距較大的ESD失效電壓，因此ESD失效電壓要在一定的故障判定準則下才有其意義。

審核編輯：湯梓紅