浅谈ESD（Electro-Static Discharge）

01什么是ESD

静电放电(Electrostatic Discharge，ESD)是指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。当带了静电荷的物体(也就是静电源)跟其它物体接触时，这两个具有不同静电电位的物体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。这个电量在传送过程中，将产生具有潜在破坏作用的电压、电流以及电磁场，严重时会将物体击毁。

02ESD是怎么产生的

1.摩擦起电——哪里有运动，哪里就有静电!

2.感应起电——物体在静电场的作用下，发生了电荷上再分布的现象。比如：一个设备加电工作的过程中，产生了一定的电磁场，外围的物体受场的作用会感应出部分电荷，电视屏幕带电现象。

3.容性起电——由于已经具有一定电荷的带电体在与另一个物体靠近、分离时。根据平行板电容公式c=εS/4πkd (S为金属片的正对面积，d为两金属片间的距离)， Q=CV得出，系统的电容发生改变，携带一定电量的物体或是人体上的静电电位将发生变化，这就会导致电子元器件的损坏。

03ESD的特点及危害

ESD 可形成高电位、强电场、瞬时大电流

大多数情况下 ESD 过程往往会产生瞬时脉冲大电流，尤其是带电导体或手持小金属物体的带电人体对接地导体产生火花放电时，产生的瞬时脉冲电流的强度可达到几十安培甚至上百安培。

2 .ESD 过程会产生强烈的电磁脉冲辐射

在 ESD 过程中会产生上升时间极快、持续时间极短的初始大电流脉冲，并产生强烈的电磁辐射形成静电放电电磁脉冲(ESD Electromagnetic Pulse-ESD EMP)，它的电磁能量往往会引起电子系统中敏感部件的损坏、翻转，使某些装置中的易爆品误爆，造成事故。

3.硬损伤：硬损伤又称 “突发性彻底失效”、“一次性损坏”，这种类型的损坏数约占总损坏数的10 %。表现为器材电参数俄然劣化， 失去原有功能。首要原因是静电放电导致过压使得介质被击穿，或过流产生高温使得内部电路金属导线熔断 、硅片局部消融等。硬损坏可通过惯例的性能测验手段及时发现，相对软损坏而言危害要小得多。

4.软损伤：软损伤又称 “潜在性缓慢失效”、“ 屡次损害累积后失效 ”，数目约占总损坏数的90%。遭到软损害的产品，尽管各类电参数仍合格 ，但其使用寿命会大大缩短，可靠性变差，或许会在后续过程中持续遭受ESD软损害或其它过应力损害积累而过早地失效 。因为软损害是潜在的，运用现在的技术还很难证明或检测出来，特别是产品作为零部件被装入整机之后，具有更大的危害性。这些产品流入市场后功能缺失造成的影响将比流入市场前严重 数倍。

04ESD防护及设计要点

ESD控制方法——电子硬件设计

1.并联放电器件，常用的放电器件有TVS，稳压二极管 ，压敏电阻等

稳压二极管( Zener Diodes )：利用稳压二极管 的反向击穿特性可以保护 ESD敏感器件。但是稳压二极管通常有几十pF 的电容，这对于高速信号(例如 500 MHz)而言，会引起信号畸变。稳压二极管对电源上的浪涌也有很好的吸收作用。

2.串联阻抗一般可以通过串联电阻或者磁珠来限制ESD放电电流，达到防静电的目的。

如图。如手机的高输入阻抗的端口可以串1K欧电阻来 防护，如ADC，输入的GPIO，按键等。不要担心0402的电阻会被打坏，实践证明是打不坏的。这里不详细 分析。用电阻做ESD防护几乎不增加成本。如果用磁珠，磁珠的价格大约0.002$,和压敏电阻差不多。

3.增加滤波网络前面提到了静电的能量频谱，如果用滤波器滤掉主要的能量也能达到静电防护的目的。

对于低频信号，如GPIO输入，ADC，音频输入可以用1k +1000PF的电容来做静电防护，成本可以忽略，性能不比压敏电阻差，如果用1K +50 PF的压敏电阻效果更好，经验证明这样防护效果有时超过TVS。

ESD控制方法—— 机构设计

1.产品外壳为金属材质：结构上要预留有效且布局均匀的接地点;一般来说金属弹片的接地效果优于导电胶带和导电泡棉。

2.产品外壳为非金属材质 ：材质本身不易吸引和聚集静电，但是容易被高静电能量穿透。所以外壳要远离PCB，一般情况下1mm对应1KV。例如要通过15KV的静电 测试，外壳到PCB板距离要15 mm。

3.产品外壳上有螺丝孔：可以考虑用橡胶块堵住螺丝孔。防止静电能量通过螺丝传导到PCB板上。

ESD控制方法——电子PCB板&FPC设计

1.敏感信号 ：电路板上所有的敏感信号要参考完整地平面

2. PCB屏蔽：电路板四周边缘做地线保护;如果是PCB，电路板上可以做屏蔽罩设计，屏蔽罩必须保证 有效而分布均匀接地，一 般会和PCB地平面相连，器件摆放时，容易被静电影响的器件尽量放在屏蔽罩 中

3.器件选择 ：在器件选择上尽可能 选择高耐ESD的型号，以避免本身规格问题导致测试不通过

ESD器件(TVS)选型步骤：

a.计算接口信号幅值的范围来确定ESD器件的工作电压。

b.根据信号类型决定使用单向或双向ESD器件。

c.根据信号速率决定该接口能承受的最大寄生电容。

d.根据电路系统的最大承受电压冲击，选择合适的钳位电压。

e.确保ESD器件可达到或超过IEC 61000-4-2 LEVEL 4。

4. ESD放置器件放置：ESD保护器件摆放要靠近IO或是连接器端口，避免靠近芯片摆放;这样能够减少ESD脉冲信号干扰到附近线路

5.走线规则：layout走线应该从接口处先走到保护元件然后再走到芯片等其他位置，保证静电能量进来可以马上泄放掉

ESD控制方法——作业及包装环境

1.静电源接地且静电带及工作表面接地。

2.静电屏蔽和静电屏蔽袋。

3.离子风机、离子气枪。

05ESD的放电模型分类

目前根据ESD 产生的原因及其对集成电 放电的方式 同，常见的ESD 被分类为下 三类(还有一些模式并不常用)，分别是：人体放电模式(HBM, Human Body Model), 机器放电模式(MM, Machine Model)以及元件充电模式(CDM, Charge Device Model)。

1.人体放电模式(HBM, Human Body Model)：是指因人体通过磨擦或其他因素积累静电，此时当人去碰触IC时，人体上的静电会经由IC的PIN脚进入IC内，再经由IC放电到地。

对一般元件可承受的HBM 2KV来说，在2~10ns时间内，瞬间电流峰值可达1.33A。

2.机器放电模式(MM, Machine Model)：是指机器( 如机械手臂)本身积累静电，当此机器碰触IC时，该静电经由IC的PIN脚放电。此放电的过程时间更短，电流更大。比较HBM大数倍。

3.元件充电模式(CDM, Charge Device Model)：是指IC先因磨擦或其他因素而在IC内部积累静电，但在静电积累的过程中IC并未受到损伤。这种带有静电的IC在处过程中，当其PIN脚碰触到接地面时，IC内部的静电会经由PIN脚自IC内部形成放电，此种模式的放电时间可能只在几ns内。

06ESD的测试

ESD测试符合IEC 61000-4-2

IEC 61000-4-2是抗扰度ESD测试的标准。它在称为ESD枪的手持发生器的指定电压电平下施加定义的电流波形。

它使用由高压电源提供的电容器，其充电电压通过接触点通过串联阻抗放电到地。使用两种放电方法。它们是接触放电和空气放电。

ESD测试-接触放电

在接触放电方法中，应力可以直接施加到EUT或邻近EUT的耦合平面。在每个测试脉冲之前，电容器充电到所需的电平，但其电压通过真空继电器保持在发生器的探头上。

将探针应用于EUT或耦合平面上的适当选择的点。然后触发发电机，使继电器触点闭合，电容器电压通过探头施加到EUT。

当电压通过发生器，EUT和接地平面的组合串联阻抗放电时，这会产生电流脉冲。在每个位置以适当的极性和水平重复该动作所需的次数。

ESD测试-空气放电

相同的发电机用于空气放电方法，但具有圆形而不是尖的探针尖端。电容器如前所述充电到所需的电平，但电压现在连续施加到探头上，探头远离EUT。

对于每个测试脉冲，尖端被巧妙地提升到EUT上的选定点，直到它接触为止。就在此之前，尖端和EUT之间的气隙将被击穿并且放电电流将流动，

如前所述受到发电机的组合串联阻抗，气隙，EUT和返回路径的限制。

同样，在每个位置以适当的极性和水平重复动作所需的次数。

静电放电ESD测试布局

ESD脉冲具有亚纳秒的上升时间，因此射频布局预防措施至关重要。

1.测试必须重新创建实际发现的快速上升时间，因为这是决定放电通过EUT的路径和EUT本身的响应的重要参数。接地参考平面(GRP)是设置的组成部分，发电机的返回引线必须与其良好连接，因为此连接形成电流返回路径的一部分。

2.测试的间接放电部分使用另外两个不同于GRP的平面，称为水平耦合平面(HCP)和垂直耦合平面(VCP)。这些飞机的放电模拟了从现实生活中放射到附近物体的辐射场所产生的应力。

3.每个耦合平面通过电阻引线连接到GRP，以确保任何电荷在几微秒内流出。这些引线的结构至关重要：每端应靠近一个电阻，使它们之间的引线长度与连接隔离，并且与它的杂散耦合被中和。

4.虽然额定功率并不重要，但电阻器本身应能承受高脉冲dV / dt而不会损坏，因此碳成分类型适合。

5.对于几十纳秒的ESD事件，该平面承载全应力电压，该电压电容耦合到EUT。从平面到EUT以外的物体的任何杂散电容都会修改平面的电压和电流波形，从而修改所施加的应力。

6.因此，重要的是在EUT周围保持至少1米的净空间，这意味着桌面设置与墙壁或其他物体有一些分离。

7.同样，从VCP到EUT的分离规定为10cm; 即使这个距离的微小变化也会导致与EUT的耦合发生很大的变化，因此控制它的便利方法，例如平面表面上的塑料10cm间隔物，是有帮助的。

07ESD失效判断

进行ESD测试之后，要判断其是否已被ESD破坏，以决定是否进一步测试，但是如何判定该IC是否已被ESD损坏呢?常用的有下述三种方法：

1.绝对漏电流:当IC进行ESD测试后，在其 I/O PIN上加一定电压，电压超过规定值，即可认为ESD失效。

2.相对I-V漂移:当IC进行ESD测试后，其 I/O PIN的I-V曲线漂移超过规定值，即可认为ESD失效。

3.功能判断:当IC进行ESD测试后，其 I/O PIN的功能已经不满足性能规格，即可认为ESD失效。

需要注意的是：即使是对同一IC而言， 同样的ESD失效判断标准，可能会得到差距较大的ESD失效电压，因此ESD失效电压要在一定的故障判定准则下才有其意义。

审核编辑：汤梓红