静电防护设计技术课件

静电防护设计技术

1

主要内容

静电放电（ESD）模型

ESD的危害

ESD的危害机理分析

实用ESD防护设计技术

案例分析

2

静电

物体的静电带电，或称静电起电，是由于处于不

同带电序列位置的物质之间接触分离（摩擦）使

物体上正负电荷失去平衡而发生的静电现象。

3

人体静电电位

静袜

电位(kV)赤脚尼龙袜薄毛袜导电袜

鞋

橡胶底运动鞋20.019.021.020.0

新皮鞋5.08.57.06.0

防静电鞋2.04.03.03.5

4

人体静电电位

人体静电电位(kV)

静电产生原因

RH(10-20)%RH(65〜90)%

在合成纤维地毯上走动3515

在乙烯树脂地板上行走120.25

在工作台上操作60.1

包工作说明书的乙烯树脂封皮70.6

从工作台上拿起普通聚乙烯袋201.2

从垫有聚氨基甲酸泡沫的工作椅181.5

上站起

5

人体静电电位

工作服和裤子激烈磨擦后脱下时人体静电电位

静裤料纯棉布毛料丙烯聚酯尼龙维尼龙

电位(kV)

工作服

纯棉布1.20.911.714.71.51.8

维尼龙/棉0.64.512.312.34.80.3

(55/45)

聚酯/人造丝4.28.419.217.14.81.2

(65/35)

聚酯/棉14.115.312.37.514.713.8

(65/35)

静电电位

工作服和裤子激烈磨擦后脱下时工作服的静电电位

静裤料纯棉布毛料丙烯聚酯尼龙维尼龙

电位(kV)

工作服

纯棉布2.22.721.422.32.73.3

维尼龙/棉0.99.418.017.58.50.5

(55/45)

聚酯/人造丝9.229.739.923.713.32.3

(65/35)

聚酯/棉23.120.619.511.929.323.4

(65/35)7

静电放电的定义

静电放电(ESD-ElectrostaticDischarge)

带电体周围的场强超过周围介质的绝缘击穿场

强时，因介质产生电离而使带电体上的静电荷

部分或全部消失的现象。

静电放电

9

静电放电的特点

静电放电是高电位、强电场、瞬时

大电流的过程。

静电放电会产生强烈的电磁辐射

形成电磁脉冲（EMP）

10

静电放电模型

人体模型（HBM）

R

R=1.5kQ

CC=100pF

11

静电放电模型

场增强模型（人体一金属模型）

R

C

CB=150pF,RB=330。，LB=0.04〜0.2HH

R=150。CH=3~10pF,RH=20~200Q,

C=150pFLH=0.05~0.2HH

IEC801-2(1991)

IEC801-2(1984)IEC61000-4-2

12

静电放电模型

家具模型

RL

--1।--......•R=15Q

CC=150pF

L=0.2~0.4mH

~rh

13

静电放电模型

带电器件模型（CDM）

RL

R、C、L的值根据器件的具

।---->体情况确定。一般较小。

C

~Ph14

静电放电的危害

实例一：固体静电造成的危害

某密闭货车装运聚苯乙烯制品，行驶600km后，停车时发

生爆炸，车顶被炸碎，飞离出事点3()-60ni。事故原因是

在行车过程中产生和积累了静电，而聚苯乙烯制品分解出

少量易燃气体没能能时排出，在车内形成爆炸性混合物，

过到一定浓度后遇静电火花引起爆炸。

15

静电放电的危害

实例二：人体静电造成的危害

1980年12月26日，某厂靶场临时装药工房，工人在装

lOOmm榴弹炮，3个人正往筒内装发射药，另一个身

穿羊皮大衣的装卸工人从外面走来，看到不稳定，想

用双手扶住药筒，他的手刚摸到药筒的瞬间，发生了

爆炸事故，死1人，重伤3人。分析其事故原因是：在

干燥的冬季，身穿羊皮大衣，人体活动时可以带上几

万伏的静电。人体对药筒放电引起爆炸。

静电放电的危害

实例三：液体静电造成的危害

某油船自油罐装航空煤油，开始十分钟后，油船爆炸

,伤亡多人。其原因是航空煤油流过橡胶软管时，产

生约30kV的静电电压，煤油蒸气浓度已达到爆炸浓度

极限，由输油管上的凸出部位与油船之间的静电放电

火花点燃了易燃易爆混合气体引起爆炸。

17

静电放电的危害

实例四：人体静电对器件的危害

某厂在使用高频三极管3DG142时发现了一个奇怪的现

象。当工作人员在上班开始工作时，拿起第一只管子

测试，常常发现是坏的，其失效模式为发射结击穿，

以后就基本上是好的了。这种现象每天重复出现。后

经研究发现，这种失效是由人体静电引起的。于是厂

里规定，凡是第一次测试时，要先摸一摸地线，释放

静电后，再去拿管子。自此，该现象消失。

18

静电放电的危害

实例五：人体静电对器件的危害

一AS169型数控微波开关(GaAsIC),应用于收发电路单板

0在装配后对整板测试时，发现整板的接受、发射功率有

的下降，有的无功率。经检查，发现是板上的1个AS169器

件失效所致。在同一块整板上有两个同样的AS169器件，它

们在不同位置；其中一个无失效，另一个有50%的失效，

有时高达60〜70%；失效器件与对外的接插件相连；在操

作过程中，有时有工人不带防静电腕带。

19

静电放电的危害

力学效应

半导体器件生产：静电尘埃吸附在芯片上，

使IC的成品率下降

纺织业：静电力造成乱纱、挂条、粘合纠结

等，影响产品质量与生产效率

印刷业和塑料薄膜包装生产：静电力影响正

常的纸张分离、叠放、塑料膜不能正常包装和

印花，影响生产的自动化

20

静电放电的危害

热效应

静电火花放电或刷形放电瞬间的大电流可以使

空气电离、击穿、发光、发热，形成局部的高

温热源。

军工业及化工业：引起爆炸事故。

微电子技术领域：ESD的静电能量可以使硅片

微区熔化，烧毁PN结和金属互连线，形成破坏

性的热击穿，导致器件损坏失效。

21

静电放电的危害

强电场效应

静电荷在物体上积累往往使物体对地具有很高

的电位，在附近产生很强的电场

很强的静电场会导致MOS场效应器件的栅氧

化层被击穿，使器件失效

很强的静电场可以使多层布线电路间介质击

穿或金属化导线间介质击穿，造成电路失效

很强的静电场可以造成电子器件的潜在性损

伤，影响产品的可靠性22

静电放电的危害

电磁辐射效应

火花放电和刷形放电都是静电能量比较大的

ESD过程，其峰值电流可达几百安培，可以形

成电磁脉冲串，对微电子系统造成强电磁干扰

和浪涌效应

电磁干扰能够引起电路错误翻转或致命失效

23

静电放电对电子设备的危害方式和机理

ESD放电时缝隙的影响

静电放电对电子设备的危害方式和机理

ESD放电时缝隙的影响

静电放电对电子设备的危害方式和机理

搭接不良时ESD放电的影响

静电放电对电子设备的危害方式和机理

内部电路接地不良时ESD放电的影响

静电放电对电子设备的危害方式和机理

接地不良时ESD放电的影响

静电放电对电子设备的危害方式和机理

对设备施加ESD接触放电时的近场分布

对接地金属机架施加ESD干扰时，在机架内部及周围空间

将存在较强的干扰电磁场

距离放电点越近的空间，干扰电磁场越强

距离机架上金属导体越近的空间，干扰电磁场越强

干扰电磁场激发的感应电压的持续时间与一个ESD脉冲电

流持续的时间相当，ESD干扰脉冲过后，周围空间的干扰电

磁场也基本消失

29

导线的阻抗

1

接地引线电感

1h---------------HL0.002iY(2.303--(H

1Q________________)ln2o.75)

各线度量的单位均为cm

2〃o.ab)(g

CL0.002〃

lb—(2.303In卜—0.2235

cH

接地引线电感

例：H=100cm,导体的横截面积均为35nllH2.

H

L=2.8uH

d

d=6・68nmi

L=1.95uH

32

导线的阻抗

频率d=0.65cmd=0.27cmd=0.06cmd=0.04cm

Hz10cmIm10cmIm10cmIm10cmIm

10Hz51.4oc517oc327oc3.28m5.29m52.9m13.3m133m

Ik429oc7.14632oc8.91m5.34m53.9m14m144m

m

100k42.6m712m54m828m71.6m1.090.3m1.07

IM426m7.12540m8.28714m10783m10.6

5M2.1335.52.741.33.57503.8653

10M4.2671.25.482.87.141007.7106

50M21.33562741435.750038.5530

100M42.65471.477

150M63.98110711533

一些器件的静电敏感电压值

器件类型耐ESD电压(V)器件类型耐ESD电压(V)

VMOS30~180运算放大器190-2500

MOSFET100~200JEFT140-1000

GaAsFET100~300SCL680-1000

PROM100STTL300-2500

CMOS250-2000DTL380-7000

HMOS50-500肖特基二极管300-3000

E/DMOS200-1000双极型晶体管380-7000

ECL300-2500石英及压电晶体<1000034

ESD敏感器件分类和敏感电压范围

器件分类元器件类型

及敏感度

•微波器件(肖特基二极管、点接触二极管及频率大于1GHz的检波

二极管)

•MOS场效应管(MOSFET)

一级・结型场效应管(JFET)

,声表面波滤波器(SAW)

0~2kV

•电荷耦合器件(CCD)

・运算放大器(OPAMP)

•集成电路(IC)

•薄膜电阻器

•可控硅整流器(Pt<100mW,It<100mA)

•由第一级器件组成的混合电路35

ESD敏感器件分类和敏感电压范围

器件分类元器件类型

及敏感度

・MOS场效应管(MOSFET)

•结型场效应管(JFET)

二级・运算放大器(OPAMP)

•集成电路(IC)

2~4kV

・精密电阻网络

•特高速效应晶体管ioomA)

・低功率双极性晶体管(Pt<100mW,It<

•由第二级器件组成的混合电路

36

ESD敏感器件分类和敏感电压范围

器件分类兀器件类型

及敏感度

・MOS场效应管(MOSFET)

•结型场效应管(JFET)

・运算放大器(OPAMP)

三级•集成电路(IC)

・小信号二极管(P<1W,I(1A)

4〜16kV

•一般硅整流二极管

・可控硅整流器(1)0.175A)

•小功率双极性晶体管

•片状电阻器

・光电器件(光电二极管、光电晶体管、光电耦合器)

・压电晶体

•由第三级器件组成的混合电路37

静电危害或ESD干扰产生的条件

能

量

耦

合静电敏感器件7产品

途

径

38

ESD防护设计要求

总

ESD防护设计要求

机箱金属之间要实现良好搭接

搭接处要米用面接触，避免点接触

相互搭接的金属之间的电化学位差不大于0.6V

40

ESD防护设计要求

人员接触的键盘、控制面板、手动控制器、

钥匙锁等金属部件，应直接通过金属机架接

地。如果不能实现接地，则其与电路走线和

工作地的绝缘距离应大于6mm

41

ESD防护设计要求

机架式设备一般采用复合式接地，工作地、

电源地、保护地与机架在内部要良好隔离,

在机架接地螺栓处汇接或在外部接地汇集

线上汇接，形成良好的静电泄放通路

42

ESD防护设计要求

ESD防护设计要求

小型低速（频率小于1MHz）设备可以采用工

作地浮地（或工作地单点接金属外壳）、金属

外壳单点接大地，使静电通过机壳泄放到

地而对内部电路无影响

44

ESD防护设计要求

小型高速（频率大于10MHz）设备的工作

地应与其金属机壳实现多点接地,接地点的

间距应小于最高工作频率波长的1/20,且

金属外壳单点接大地

45

ESD防护设计要求

机架设备的接地点与外部接地桩之间要保

证可靠的电气连接

接地线材料应采用多股铜线

接地铜线的截面积尽可能大

接地铜线的接头应采用铜鼻子

46

PCB板的ESD防护设计要求

接口电路应尽量采用ESD敏感度为3级（静电损伤

阈值大于4KV）或不敏感的元器件；否则在输入输

出接口电路上应采取保护措施。单板的保护电路

应紧靠相应的连接器放置

47

PCB板的ESD防护设计要求

芯片的保护电路应紧靠相应的芯片放置,

并低阻抗接地

48

PCB板的ESD防护设计要求

易受ESD干扰的器件，如NMOS、

CMOS器件等，应该尽量远离易受ESD

干扰的区域

49

PCB板的ESD防护设计要求

在插拔式PCB上设置静电防护地

不形成闭合环路；

与工作地之间的间距应大于31111n

在表层设置，不涂绿油

PCB板的ESD防护设计要求

相互之间具有很多互连线的元器件应尽可能

彼此靠近。例如I/O器件与I/O连接器应尽量

接近

51

PCB板的ESD防护设计要求

信号线应该与其回流地线紧挨在一起

尽量在每根信号线的旁边安排一条地线。

尽量采用地平面或地线网格，而不采用单根地线。

对于多层板，信号线应该尽量靠近地平面走线

PCB板的ESD防护设计要求

时钟线应在两地平面之间走线

时钟线应在同一层布线，尽量不要换层

53

PCB板的ESD防护设计要求

在复位信号线靠近复位按钮的输入端与地

之间，以及靠近复位芯片的输入端与地之间

分别并接0.luF的陶瓷电容

复位线应尽可能短而宽

多层板中的复位线应在两地平面之间走线

54

PCB板的ESD防护设计要求

对于多层板，应保证地平面的完整性,

地平面内不应有大的开口

55

PCB板的ESD防护设计要求

在印制板的电源输入端应采取滤波措施，并用瞬态过

电压抑制器件（TVS）抑制瞬态过电压

PCB板的ESD防护设计要求

对于双面板，如果印制板上的电源线

引线很长，则每隔8cm在电源与地之

间接入一个0.luF的陶瓷电容器

57

PCB板的ESD防护设计要求

所有高速逻辑器件要求安装去耦电容

集成电路的电源与地之间应加0.OluF-O.luF

的陶瓷电容器进行去耦

去耦电容应并接在同一芯片的电源端与地之

间且要紧靠被保护的芯片

58

PCB板的ESD防护设计要求

高速数字单板上应有足够多的储能滤波电容

（10uF或22uF的陶瓷电容器或其它高频电容

器）。条件允许时，可尽量多设置储能滤波

电容。

59

PCB板的ESD防护设计要求

CMOS器件所有不用的输入端引线不允许悬空，应视

不同电路接到地、电源（源极）Vss或电源（漏极）

VDD±OCMOS器件的输入端如果接的是高阻源，贝I」

应设计上拉或下拉电阻

匚0———F+。

60

PCB板的ESD防护设计要求

印刷板上的静电敏感器件，必须通过保

护电路（设置串联电阻、分流器、箝位

器件等保护装置）才能与电连接器的端

子相连

61

PCB板的ESD防护设计要求

CMOS电路

PCB

62

PCB板的ESD防护设计要求

安装在印制板上具有金属外壳的元器件

（如复位按钮、拨码开关、晶振等），

其金属外壳必须可靠接地，优先接静电

保护地，如单板没有设置静电保护地，

则接工作地

63

PCB板的ESD防护设计要求

对于输入输出接口处信号插针与金属外壳的

隔离距离达不到5mm的接插件，其金属外

壳附近应尽可能敷设大面积覆铜地。接插件

金属部分应与金属机壳实现低阻连接

64

PCB板的ESD防护设计要求

操作面板上容易被人体接触的部件，如

小面板、按钮、键盘、旋钮等应尽可能

采用绝缘物，也可以采用带塑料薄膜的

金属开关面板

65

PCB板的ESD防护设计要求

对于与内部电路无联系的金属部件，如

固定印刷板的金属锁簧和起拔拉手，外

表涂覆绝缘层，增加其绝缘强度，并与

印制板内部电路（包括信号和地）隔离

至少5mm以上

66

PCB板的ESD防护设计要求

金属机壳以及与印制板相连的金属前面板

应与印制板内部电路（包括信号和地）隔

离足够的距离（如5mm以上）

67

通讯端口的ESD防护设计要求

对通讯端口的ESD防护，一般采用TVS

（瞬态电压抑制器）保护器件

68

通讯端口的ESD防护设计要求

TVS器件的主要参数及选取原则

截止电压VRM：

VRM=(1.1~1.2)V工作，最大不超过工作电压的1.4倍。

结电容C:

保证不对电路的正常工作造成影响，不对传送的波形产生

畸变。如果用于高速电路，以不大于15pF为宜。

69

通讯端口的ESD防护设计要求

以太网接口ESD、浪涌保护电路

RJ45

仁Unused

8nTX+

7TX-

lRX+

SLVl?2.8-4

电5RX-

Unused

Unused

70

GNDP

通讯端口的ESD防护设计要求

SLVU2.8-4

VRM=2.8V,C=5pF

通讯端口的ESD防护设计要求