ESD的产生原理及防护措施.ppt

ESD产生原理与预防 ESD的产生原因几种常见的ESD模型ESD的危害ESD的防护ESD防护器件的摆放ESD与EOS的区别ESD器件类型比较 主要内容 ESD ElectrostaticDischarge 即是静电放电 静电是一种客观存在的自然现象 是一种电能 它存在于物体表面 是正负电荷在局部失衡时产生的一种现象 静电现象是指电荷在产生与消失过程中所表现出的现象的总称 静电产生的方式有多种 如接触 摩擦 电器间感应等 静电的特点是长时间积聚 高电压 低电量 大电流和作用时间短 ns级别 的特点 为什么会产生静电呢 任何物质都是由原子组合而成 而原子的基本结构为质子 中子及电子 科学家们将质子定义为正电 中子不带电 电子带负电 在正常状况下 一个原子的质子数与电子数量相同 正负电平衡 所以对外表现出不带电的现象 但是电子环绕于原子核周围 一经外力即脱离轨道 离开原来的原子A而侵入其他的原子B A原子因缺少电子数而带有正电现象 称为阳离子 B原子因增加电子数而呈带负电现象 称为阴离子 由于外界作用如摩擦或以各种能量 如动能 位能 热能 化学能等 的形式作用会使原子的正负电不平衡 人体自身的动作或与其他物体的接触 分离 摩擦或感应等因素 可以产生几千伏甚至上万伏的静电 比如人在化纤地毯上行走大约会有35KV的静电 翻阅塑料说明书会有7KV静电产生 ESD的产生原因 ESD的产生原因 人体放电模型 Human BodyModel HBM 机器放电模型 MachineModel MM 元件充电模型 Charged DeviceModel CDM 电场感应模型 Field InducedModel FIM 几种常见的ESD模型 人体放电模型 HBM 的ESD是指人体在地上走动摩擦或其他因素在人体上累积了静电 当此人去触碰IC时 人体上的静电便经由IC的pin脚进入IC内部 再经由IC内部放电到地 放电过程会在几百ns的时间内产生数安培的瞬间放电电流 此电流可能会把IC内的元件给烧毁 几种常见的ESD模型人体放电模型 Human BodyModel HBM 几种常见的ESD模型人体放电模型 Human BodyModel HBM 几种常见的ESD模型人体放电模型 Human BodyModel HBM 工业标准MIL STD 883Cmethod3015 7中HBM的等效线路图 其中人体的等效电容定义为100pF 人体的等效放电电阻定义为1 5kohm 机器放电模型的ESD是指机器本身也积累了静电 当此机器去触碰IC时 静电便经由IC的pin脚放电 机器放电的放电过程时间更短 在几十ns的时间内会有数安培的瞬间放电电流产生 几种常见的ESD模型机器放电模型 MachineModel MM 工业标准EIAJ IC 121method20中MM的等效电路图 其中机器的等效电容定义为200pF 机器的等效放电电阻为0ohm 几种常见的ESD模型机器放电模型 MachineModel MM 人体放电模型2kV和机器放电模型200V的放电电流比较图 几种常见的ESD模型机器放电模型 MachineModel MM 元件充电模型是指IC本身先因摩擦或其它因素而在IC内部累积了静电 但在静电累积的过程中IC并未损伤 在处理此IC的过程中 IC的pin脚触碰到了地 IC内部的静电便经由IC内部的pin脚流出来 而造成了放电现象 此种模式的放电时间更短 仅约为几ns 而且放电现象更难以被真实的模拟 因为IC内部积累的静电会因IC内部的等效电容的不同而改变 几种常见的ESD模型元件充电模型 Charged DeviceModel CDM 几种常见的ESD模型元件充电模型 Charged DeviceModel CDM 两种常见的CDM的放电情况 几种常见的ESD模型元件充电模型 Charged DeviceModel CDM CDM测试标准 几种常见的ESD模型元件充电模型 Charged DeviceModel CDM HBM2kV MM200V CDM1kV三种模型的放电电流比较图 CDM更容易造成IC的损伤 FIM的静电放电是因电场感应而引起的 当IC因传输带或其它因素 经过一个电场时 其相对极性的电荷可能会从IC的pin脚排放掉 这样当IC通过电场以后 IC便累积了静电 此静电再以类似CDM放电模型的情况放电出来 几种常见的ESD模型电场感应模型 Field InducedModel FIM ESD 静电放电 对电子产品造成的破坏和损伤有突发性损伤和潜在性损伤两种 所谓突发性损伤 指的是器件被严重损坏 功能丧失 这种损伤通常能够在生产过程中的质量检测中能够发现 因此给工厂带来的主要是返工维修的成本 而潜在性损伤指的是器件部分被损 功能尚未丧失 且在生产过程的检测中不能发现 但在使用当中会使产品变得不稳定 时好时坏 因而对产品质量构成更大的危害 这两种损伤中 潜在性失效占据了90 突发性失效只占10 也就是说90 的静电损伤是没办法检测到 只有到了用户手里使用时才会发现 比如手机屏幕 摄像头 扬声器 听筒 耳机插口 键区 MIC USB接口 音量键 T Flash卡 SIM卡等都可能成为ESD的进入点 手机出现的经常死机 自动关机 话音质量差 杂音大 信号时好时差 按键出错等问题有绝大多数与静电损伤相关 也因为这一点 静电放电被认为是电子产品质量最大的潜在杀手 静电防护也成为电子产品质量控制的一项重要内容 而国内外品牌手机使用时稳定性的差异也基本上反映了他们在静电防护及产品的防静电设计上的差异 ESD的危害 基本方法1 接地 接地就是将静电通过一条线的连接放入大地 这是防静电措施中最直接最有效的 导体常用的接地方法有 带防静电手腕及工作表面接地等 2 静电屏蔽 静电敏感元件在储存或运输过程中会暴露于有静电的区域中 用静电屏蔽的方法可削弱外界静电对电子元件的影响 最通常的方法是用静电屏蔽袋作为保护 3 离子中和 绝缘体往往是易产生静电的 对绝缘体静电的消除 用接地方法是无效的 通常采用的方法是离子中和 即在工作环境中使用离子风机 离子气枪 电路设计中需注意一下几点1 器件选型时必须认证ESD等级2 IO接口线路上摆放ESD防护器件 ESD防护器件可以有效的抑制由ESD放电产生的直接电荷注入 3 做好EMI防护 PCB设计中更重要的是克服放电电流产生的电磁干扰效应 ESD的防护 基本方法 1 控制静电的生成环境 湿度控制 在不致导致器材或产品腐蚀生锈或其他危害前提下 尽量加大湿度 温度控制 在可能条件下尽量降低温度 包括环境温度和物体接触温度 尘埃控制 此为防止附着 吸附 带电的重要措施 地板 桌椅面料和工作台垫应由防静电材料制成 并正确接地 静电敏感产品的运送传递和存储及包装应采取静电防护措施 喷射 流动 运送 缠绕和分离速度应予控制 在液体 粉体等材料的输送管道中使用缓和器 2 防止人体带电 操作者应该佩戴防静电腕带 应该穿着防静电服装 鞋 围巾 椅子应该套防静电套 一端与人体接触 另一端与地线相连 ESD的防护 工厂操作防护 常用的ESD防护器件 IO口二极管阵列 ESD的防护 常用器件 ESD防护器件的一般连接方式 ESD的防护 常用器件 ESD电流路径上寄生自感的影响 ESD防护器件的摆放 被保护IC所承受的电压Vx 其中VF1为D1的正向导通电压 常用的ESD防护器件 电源或接口保护器件TVS 常用的ESD防护器件 电源或接口保护器件TVS 在PCB布线时 遵循几个简单的规则就可以使这些寄生自感最小 1 尽可能地 用Vcc和地平面充当电源和地分散能量 2 ESD器件尽量靠近接口放置 确保印刷电路上的走线从ESD保护二极管阵列的Vp和Vn到Vcc和地平面间走线尽量地短 宽 理想情况是 将Vp和Vn直接通过多个口连到Vcc和地平面 3 在Vp和地平面间连入一个高频旁路电容 用最短的走线使自感最小 在ESD保护器件选择时注意以下几个参数 1 Vc即钳位电压不能大于被保护回路的可承受极限电压 2 选型时应使Vrwm 维持电压 在此阶段TVS为不导通之状态 应等于或略高于电路的正常工作电压 不能低于被保护器件或线路的正常工作电压 3 VBR不能小于电路的最大允许工作电压 4 Cd为ESD TVS器件的引脚寄生电容 通信速率越高 线路上使用的ESD保护器件的结电容要越低 5 最大峰值脉冲功率 PN VC IPP 确定电路的干扰脉冲情况 根据干扰脉冲的波形 脉冲持续时间 确定能够有效抑制该干扰的TVS峰值脉冲功率 ESD防护器件的摆放及选择 ESD与EOS的区别 EOS ElectricalOverStress指所有的过度电性应力 超过其最大指定极限后 器件功能会减弱或损坏 ESD ElectricalstaticDischarge静电放电 电荷从一个物体转移到另一个物体 ESD与EOS的区别 瞬态电压抑制器 TVS 压敏电阻 玻璃陶瓷的GcDiode静电抑制器和聚合物是近几年发展起来的几种专用ESD保护元件 其中前三种元件均采用电压钳位的方式进行保护 带导电粒子的聚合物则是采用消弧 crowbar 保护策略 压敏电阻 玻璃陶瓷的GcDiode静电抑制器和聚合物支持双向保护 但TVS可支持单向或双向保护 传统的压敏电阻虽然在成本上具有一定优势 但它存在的一个最大问题是体积太大 无法满足手持设备的封装要求 事实上 与压敏电阻相比 基于硅材料的TVS具有更好的钳制性能 更低的泄漏和更长的使用寿命 高分子聚合物和TVS在多重应力下仍然可保持强大的性能 而压敏电阻则会随着使用次数的增多性能下降 TVS技术利用的是半导体的钳位原理 在经受瞬时高压时 会立即将能量释放出去 而压敏电阻采用的是物理吸收原理 因此每经过一次ESD事件 材料就会受到一定的物理损伤 形成无法恢复的漏电通道 TVS技术的原理就好像传统的打太极 可以轻松释放掉能量而不是直接与之对抗 这样做的好处是器件不会受到损害 基本上没有寿命限制 从现场展示的TVS与压敏电阻的钳制电压曲线来看 TVS器件可以在极短时间内将输入的大电压钳制到5至6伏的水平 而压敏电阻的曲线则下降得非常缓慢 并且无法达到TVS器件的效果 这表明TVS器件在响应时间和钳制性能方面均优于压敏电阻 ESD器件类型比较 ESD器件类型比较 ESD器件类型比较 双向消弧保护器件 黑色 和单向钳位保护器