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电子产品之ESD防护设计
导读：在讨论如何设计产品避免遭受ESD损坏之前，先要了解ESD破坏电子产品的原因，方便后续讨论与技术的了解。 ESD能量是经由传导性能量转移方式引入产品的电子组件内，主要破坏力是瞬间峰值电流，电压是引导放电作用的诱发在讨论如何设计产品避免遭受ESD损坏之前，先要了解ESD破坏电子产品的原因，方便后续讨论与技术的了解。 ESD能量是经由传导性能量转移方式引入产品的电子组件内，主要破坏力是瞬间峰值电流，电压是引导放电作用的诱发位能。ESD开始时是经由直接(电流)或间接辐射方式以快速的瞬时突波冲击到电路组件上，这当中有电流热效应也有电磁场的干扰效应。
故ESD 对造成电子组件失效情况可概分三种情形， (1) 硬件失效(Hard failure)，(2) 潜在性失效(Latent failure)和 (3) 场强感应失效 (Field induction failure) 。
&1. 硬件失效问题: ESD电弧电压(Spark voltage)窜入半导体内部使绝缘部位损坏. 如在P-N接合点短路或开路,内部绝缘的氧化层贯穿(punch-through)-金属氧化处理部位产生熔蚀(melting)等, 这都是属于永久性失效.
&2. 潜在性失效问题：当ESD发生时系统虽暂时受到影响,仍然可继续动作, 但功能会随时间逐渐变差, 隔数日或数周后系统出现异常, 最后成为硬件失效. 这是因为半导体组件已经受到部分不可回复的损伤, 随着使用时间日增,异常功能自会逐渐显现. 这种失效是最难捉模,无法以失效模式分析确认. 若用户若遇这类产品, 应该要能意识到该产品的质量状况,尚不成熟。
&3. 感应场强失效问题：当 ESD的高压放电火花跟电流会对产生电场辐射效应， 这种宽带的辐射，经常使临近的电路受干扰而失常，如Latch-Up，或暂时性程序错乱，及数据流失等，严重时更会损伤硬件成为永久行硬件失效。
ESD的防护设计由PCB 阶段开始做起
谈到系统产品的静电防制设计, 必须从印刷电路板(PCB)开始做ESD的保护. 在印刷电路板上也有三种容易造成ESD失误状态如下:
&1. ESD电流直接流经受害电路组件的接脚造成永久性损坏: 此类模式系由外部组件(如键盘, 或I/O界面的连接器)直接联机带入ESD突波电流. 要预防这种直接伤害, 即使用一颗串联电阻或并联电容在这些电路上就可以限制流经IC的ESD电流，如图1，图2。
&2. ESD电流流经地回路造成重置或损坏: 大部份的设计者都假设其电路接地为低阻抗, 经ESD脉充电流通过, IC接地的阻抗极容易产生地电位跳动(Ground Bounce), 这种地弹跳会使IC重置或锁定, IC如被锁定时非常容易被供应的电源摧毁.
&3. 电磁场间接耦合： 例如垂直板与水平板之放电， 使电路造成重置，对于高阻抗组件曾经有损坏之报告，这种失效模式与PCB环路面积，机构屏蔽好坏而定。欲防护这种ESD可以从机构屏蔽和PCB设计布线着手。
在PCB上对ESD保护常用之设计技术
&& PCB走线排列时加放电间隙，这是用一组锐角三角形铜箔尖端相对，间隔约6-10 mil，其中一端接地。参阅图3所示。
&& PCB走线须考虑减少对电磁场耦合的敏感度，多应用反耦合电容，可减小回路面积。反耦合电容宜选用耐高压的陶磁电容，这些电容必须放置在靠近I/O连接器处。 如图4所示之例子将耐高压的陶磁电容放在PCB连接器附近的VCC 和Ground，这不仅缩小了环路面积,也收到反耦合( decoupling)的作用. 另在电源及地之间加上高谐振频率的旁路电容，可降低对感应场强及电磁场间接耦合的反应，唯电容的等效串联电感 (ESL) 及等效串联电阻要越低越好。
&& 在PCB 布局时可以使用低通滤波的方式疏导ESD能量，低通滤波器是由电容与电感组合构成，它可以阻止高频的ESD 能量进入系统。其中电感对突波会呈现高阻抗，因而衰减了窜入系统的能量， 电容是装置在电感的输入端，会将窜入的ESD高频频谱能量旁路到接地端。 如图5。使用环氧铁质( Ferrite)电感对ESD电流有极佳之衰减能力。
&& 在PCB上可用箝制电路抑制瞬间高压如图6, 图7. 如使用电压箝制二极管作抑制,在规格上必须选择能承受数kV之耐压且dv/dt脉冲响映快速, 并能在瞬间消耗大电流的二极管组件.
&&&&&& & 在PCB部局时可将对ESD敏感组件以壕沟方式与其他区域隔离, 以防止ESD事件的转移或耦合到其它功能的部位.
&& 对间接放电的电磁场耦合及电弧效应场强辐射抵抗力而言,采用多层板比单层板可增加10倍以上的免疫力.
系统之产品ESD防护
在系统阶段的静电防制措施,最主要是从接口的连接阜作好接地，另外机壳若为金属材质, 如要做表面处理前,机壳或机构在衔接位置务必保持导电性, 如此才可以使机壳发挥屏蔽功能。若ESD打在机构屏蔽良好的产品上，理论上机构内的电路是不会受影响的，这就如同以前物理学家法拉第曾经坐在金属笼试验原理相同。 但是电子产品须要有开关及按钮，因此要防止ESD能量从开关或按钮进入电路板伤及组件，可采用导电材质的垫片或垫圈(Gasket) 以阻挡ESD 电流如图8所示。
目前大多数的消费性电子产品机构外壳是使用非金属材料，例如使用塑料质外壳，是可以免测直接接触放电项目，若其绝缘与耐压特性不足，在被测试空气放电 (Air discharge)时，ESD电弧会穿透外壳或从机构隙缝窜进产品内部对PCB上的IC形成二次放电 (Second arcing) 的情况。如图9所示，要预防这种静电问题,可在靠近缝隙的位置旁加一片金属阻隔并接地，一般称之为辅助接地。
塑料外壳的电子产品对ESD脉冲电磁场强不具屏蔽功能，当遇到垂直和水平金属板的间接放电测试时特别容易受到影响，对策是要从电路板的布局减小回路面积或使用双层以上电路板，以有效降低对ESD电磁场的感应。
故定在机壳的接口连接器须有接地防护措施，其信号线可视需要状况选择用二极管或电容或突波吸做旁路保护如图18。对接口连接线 ( I/O cable) 要使用环氧磁磊挟扣(Ferrate core) 抑制ESD电流流窜到主要控制电路。但是用电容器旁路时必须留意电容器未置,如位置不对反而会把ESD电流引到主电路影响IC组件，如图10。
在系统接地方式宜采用单点对机构(机壳)接地，如图11 当高频的ESD电流经机壳至地的路径，因有接地电阻存在，对ESD电流经不同的接地点，会产生共模噪声电压(V1、V2)干扰系统功能。 因应对策是使用单点接地如图12。
故定机构或机壳的金属螺丝不宜穿透到内部，如图14所示它会形成辐射天线，当ESD对该螺丝做接触放电时,则ESD能量完全经由该螺丝对内部辐射及作尖端放电。如金属外壳有开孔未加保护处理， 则经过表面的ESD电流会透过该槽孔对内产生辐射，如图13。 保护对策如图15之右图加辅助接地隔离。
对于电子产品ESD的防护应从设计着手，所谓&Designed-in at the device&，从零件的选用，PC板的设计时间，到成品系统布线整合，每个阶段都不能草率. 对于ESD让电子产品失效之三个因素：瞬时涌入的大电流的热效应，和电压漂动及静电辐射场强等都必须同时加上对策。由其在PC板布局是关系到电子产品对ESD敏感度， 这是可运用PC板布局设计技术控制, 而对MOS，Bipolar等IC组件之ESD防护能力相对较弱. 需从半导体设计源头做起。半导体设计ESD防护是最难的一环，期望在大加家的努力下，不久半导体业可以突破目前的瓶颈，推出功能稳定且可以抵抗ESD 的IC供系统产业界使用。
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ESD保护电路的几种方法
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ESD 保护的第二个有效方法是屏蔽防止大的ESD 电流冲击内部电路ESD 冲击金属屏蔽外壳时最初几毫秒会比保护地电压高出许多屏蔽外壳电压会随着ESD电荷的转移而下降所以最初的几毫秒内会对内部电路产生二次ESD冲击所以仅仅使用外部屏蔽是不够的而要把内部电路与屏蔽外壳共地或者把内部电路进行介质隔离电气隔离也是一种抑制ESD 冲击的有效方法PCB 板上安装光耦和变压器虽然不能完全消除ESD的冲击但是结合介质隔离和屏蔽可以很好的抑制EDS冲击光耦和变压器尤其适合电源部分信号通路最好的隔离是光纤无线和红外线方式信号通路上的另一种保护方法是在每条信号线上外加阻容元件串联电阻能够限制尖峰电流并联到地的电容则能限制瞬间的尖峰电压这样做的成本低但是防护能力有限ESD的破坏力在一定程度上得到抑制但依然存在因为阻容元件并不能降低尖峰电压的峰值仅仅是减少了电压上升的斜率而且阻容元件还会引起信号失真以致限制了通讯电缆的长度和通讯速率外接的电阻&#471 ESD 的产生及危害 当两个物体碰撞或分离时就会产生静电放电ESD 即静态电荷从一个物体移动到另一个物体两个具有不同电势的物体之间产生静态电荷的移动，但仍有一些缺点外加器件仍会增加电路板面积防护器件的电容效应会增加信号线的等效电容成本较高TransZorb， 二是家具移动或设备移动引起的ESD 。 另一种广泛使用的技术是外加电压瞬变抑制器或TransZO 端口或者是一个带电的物体接触半导体器件半导体器件触地以及静电场和电磁干扰产生足够高的电压引起静电放电ESD，类似于一次很小的闪电过程放电量的大小和放电持续时间取决于物体的类型和周围的环境等多种因素，当ESD 具有足够高的能量时将造成半导体器件的损坏静电放电ESD 可能随时发生例如插拔电缆或人体接触器件的I&#47。 当集成电路IC 经受ESD 时放电回路的电阻通常都很小，无法限制放电电流例如将带静电的电缆，插到电路接口上时放电回路的电阻几乎为零造成可高达几十安培的瞬间放电尖峰电流，流入相应的IC管脚瞬间大电流会严重损伤IC 局部发热的热量甚至会融化硅片管芯ESD， 对IC 的损伤一般还包括内部金属连接被烧断钝化层被破坏晶体管单元被烧坏，便携式电子产品尤其容易受到人体接触ESD 的损坏ESD 一般情况下会损坏与之相连的接口器件。 ESD 基本上可以分为三种类型，一是各种机器引起的ESD。 1 RS-232 接口电路中接收器对发送器产生交叉串扰 同类产品RS-232 接口电路中的ESD 保护结构可能对某种波形的ESD或某个ESD 冲击电压失效经过ESD冲击后造成接收器输入端和发送器输出端之间形成通路从而导致接收器对发送器产生交调图一如果RS-232 接口电路中有关断电路那么关断期间经过ESD 冲击后更容易产生交调产生交调后将导致通信失败而且即使关断工作状态下发送器仍有输出导致关断失效使对方RS-232处在接收状态。2 RS-232 接口电路对电源产生反向驱动 某些RS-232 接口电路中的ESD 保护结构经过ESD 冲击后可能在输入端与供电电源Vcc之间形成电流通路图二对其供电电源产生反向驱动如果供电电源没有吸入电流的能力通常来讲电源输出回路里有一个正向二极管这将导致电源电压Vcc 的增加从而损 坏RS-232 接口电路和系统内的其它电路因为RS-232 接口电路输入端的电压在5V 到25V之间使Vcc 有可能大于9V 超出电源电压的最大范围而烧坏电路。 2 ESD 保护电路 ESD 的产生是当两个物体碰撞或分离时即静态电荷从一个物体移动到另一个物体所以ESD最有效的保护是介质隔离是用绝缘介质把内部电路和外界隔离开1mm 厚的普通塑料如PVC 聚酯或ABS 能够保护8KV 的ESD 但是实际的介质不可能没有间隙和接缝所以材料的蠕变和间隙距离非常重要LCD显示屏触摸屏等都有很厚的边角12mm 隔离内部电路?二极管这种防护非常有效;电容也增加了电路板面积，三是人体接触或设备移动引起的ESD ，所有这三种ESD 对于半导体器件的生产和电子产品的生产都非常重要电子产品的使用过程最容易受到第三种ESD 的损坏?二极管价格较贵大约25 美分/每个典型的3 发&#47。 ESD 还会引起IC的死锁LATCHUP 这种效应和CMOS 器件内部的类似可控硅的结构单元被激活有关高电压可激活这些结构形成大电流通道一般是从VCC 到地串行接口器件的锁死电流可高达1 安培锁死电流会一直保持直到器件被断电不过到那时IC 通常早已因过热而烧毁了ESD冲击后可能存在两个不易被发现的问题一般用户和IEC测试机构使用传统的环路反馈方法和插入方法进行测试通常检测不出这两个问题，另一种情况是遭受ESD冲击后的器件可能不会立即损坏而是性能下降导致产品过早出现故障
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&&ESD保护器件
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