產(chǎn)生ESD靜電的原因及該如何解決此問題

靜電是人們非常熟悉的一種自然現(xiàn)象。靜電的許多功能已經(jīng)應用到軍工或民用產(chǎn)品中，如靜電除塵、靜電噴涂、靜電分離、靜電復印等。然而，靜電放電ESD（Electro-Static Discharge）卻又成為電子產(chǎn)品和設(shè)備的一種危害，造成電子產(chǎn)品和設(shè)備的功能紊亂甚至部件損壞。

下面談一談靜電相關(guān)問題，在Part1文末部分介紹了一種終極大招，來解決數(shù)碼產(chǎn)品ESD靜電問題，在Part2部分，例舉了PCB設(shè)計過程中抗ESD問題，作了詳細剖析。

Part 1 ESD靜電基本問題

現(xiàn)代半導體器件的規(guī)模越來越大，工作電壓越來越低，導致了半導體器件對外界電磁騷擾敏感程度也大大提高。ESD對于電路引起的干擾、對元器件、CMOS電路及接口電路造成的破壞等問題越來越引起人們的重視。電子設(shè)備的ESD也開始作為電磁兼容性測試的一項重要內(nèi)容寫入國家標準和國際標準。

1.靜電成因及其危害

靜電是兩種介電系數(shù)不同的物質(zhì)磨擦時，正負極性的電荷分別積累在兩個特體上而形成。當兩個物體接觸時，其中一個趨從于另一個吸引電子，因而二者會形成不同的充電電位。就人體而言，衣服與皮膚之間的磨擦發(fā)生的靜電是人體帶電的主要因之一。

靜電源與其它物體接觸時，依據(jù)電荷中和的機理存在著電荷流動，傳送足夠的電量以抵消電壓。在高速電量的傳送過程中，將產(chǎn)生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場，嚴重時將其中物體擊毀，這就是靜電放電。

A.接觸分離起電

任何兩個不同物材質(zhì)地物體接觸后再分離即可產(chǎn)生靜電,當兩個不同物體相互接觸時就會產(chǎn)使得一個物體失去一些電荷如電子轉(zhuǎn)移到另一個物體使其帶正電.而另一個物體得到一些剩余電子的物體而帶負電.若在分離的過程中電荷難以中和,電荷就會積累使物體帶上靜電,所以物體與其它物體接觸后分離就會帶上靜電.

B.摩擦起電

實質(zhì)上摩擦起電是一種接觸又分離的造成正負電荷不平衡的過程.摩擦是一個不斷接觸與分離的過程.因此摩擦起電實質(zhì)上是接觸分離起電,而產(chǎn)生靜電的最普通方法,就是摩擦生電.材料的絕緣性越好,越容易是使用摩擦起電.

摩擦起電是一個機械過程,依靠相對表面移動傳送電量.傳送的電量取決于接觸的次數(shù).表面粗糙度濕度,接觸壓力,摩擦特性以及相對運動速度.一個人或一輛車所能帶來的電量的電壓值大程度上由它們的電容決定.

C.感應起電

針對導體材料而言,因電子能在它的表面自由流動,如將其置于一電場中，由于同性相斥，異性相吸，正負離子就會轉(zhuǎn)移.

D.傳導起電

針對導電材料而言,因電子能在它的表面移動,如帶電物體接觸,將會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移.

國家標準中定義：靜電放電是具有不同靜電電位的特體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移，一般用ESD表示。ESD會導致電子設(shè)備嚴重損壞或操作失常。

靜電對器件造成的損壞有顯性和隱性兩種。隱性損壞在當時看不出來，但器件變得更脆弱，在過壓、高溫等條件下極易損壞。

ESD兩種主要的破壞機制是：由ESD電流產(chǎn)生熱量導致設(shè)備的熱失效；由ESD感應出過高電壓導致絕緣擊穿。兩種破壞可能在一個設(shè)備中同時發(fā)生，例如，絕緣擊穿可能激發(fā)大的電流，這又進一步導致熱失效。 除容易造成電路損害外，靜電放電也極易對電子電路造成干擾。靜電放電對電子電路的干擾有二種方式。一種是傳導干擾，另一種是輻射干擾。

2.數(shù)碼產(chǎn)品的構(gòu)造及其ESD問題

現(xiàn)在各類數(shù)碼產(chǎn)品的功能越來越強大，而電路板卻越來越小，集成度越來越高。并都或多或少的裝有部分接口用于人機交互，這樣就存在著人體靜電放電的ESD問題。一般數(shù)碼產(chǎn)品中需要進行ESD防護的部位有：USB接口、HDMI接口、IEEE1394接口、天線接口、VGA接口、DVI接口、按鍵電路、SIM卡、耳機及其他各類數(shù)據(jù)傳輸接口.

ESD可能會造成產(chǎn)品工作異常、死機，甚至損壞并引發(fā)其他的安全問題。所以在產(chǎn)品上市之前，國內(nèi)或國外檢測部門都要求進行ESD和其它浪涌沖擊的測試。其中接觸放電需要達到±8kV，空氣放電需要達到±15kV，這就對ESD的設(shè)計提出了較高的要求。

3.數(shù)碼產(chǎn)品中ESD問題解決與防護

3.1 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計

如果將釋放的靜電看成是洪水的話，那么主要的解決方法與治水類似，就是“堵”和“疏”。如果我們設(shè)計的產(chǎn)品有一個理想的殼體是密不透風的，靜電也就無從而入，當然不會有靜電問題了。但實際的殼體在合蓋處常有縫隙，而且許多還有金屬的裝飾片，所以一定要加以注意。

其一，用“堵”的方法。盡量增加殼體的厚離，即增加外殼到電路板之間的距離，或者通過一些等效方法增加殼體氣隙的距離，這樣可以避免或者大大減少ESD的能量強度。

通過結(jié)構(gòu)的改進，可以增大外殼到內(nèi)部電路之間氣隙的距離從而使ESD的能量大大減弱。根據(jù)經(jīng)驗，8kV的ESD在經(jīng)過4mm的距離后能量一般衰減為零。

其二，用“疏”的方法，可以用EMI油漆噴涂在殼體的內(nèi)側(cè)。EMI油漆是導電的，可以看成是一個金屬的屏蔽層，這樣可以將靜電導在殼體上；再將殼體與PCB（Printed Circuit Board）的地連接，將靜電從地導走。這樣處理的方法除了可以防止靜電，還能有效抑制EMI的干擾。如果有足夠的空間，還可以用一個金屬屏蔽罩將其中的電路保護起來，金屬屏蔽罩再連接PCB的GND。

總之，ESD設(shè)計殼體上需要注意很多地方，首先是盡量不讓ESD進入殼體內(nèi)部，最大限度地減弱其進入殼體的能量。對于進入殼體內(nèi)部的ESD盡量將其從GND導走，不要讓其危害電路的其它部分。殼體上的金屬裝飾物使用時一定要小心，因為很可能帶來意想不到的結(jié)果，需要特別注意。

3.2 產(chǎn)品的PCB設(shè)計

現(xiàn)在產(chǎn)品的PCB（Printed Circuit Board）都是高密度板，通常為4層板。隨著密度的增加，趨勢是使用6層板，其設(shè)計一直都需要考慮性能與面積的平衡。一方面，越大的空間可以有更多的空間擺放元器件，同時，走線的線寬和線距越寬，對于EMI、音頻、ESD等各方面性能都有好處。另一方面，數(shù)碼產(chǎn)品設(shè)計的小巧又是趨勢與需要。所以，設(shè)計時需要找到平衡點。就ESD問題而言，設(shè)計上需要注意的地方很多，尤其是關(guān)于GND布線的設(shè)計以及線距，很有講究。有些產(chǎn)品中ESD存在很大的問題，一直找不到原因，通過反復研究與實驗，發(fā)現(xiàn)是PCB設(shè)計中的出現(xiàn)的問題。為此，這里總結(jié)了PCB設(shè)計中應該注意的要點：

(1)PCB板邊（包括通孔Via邊界）與其它布線之間的距離應大于0.3mm；

(2)PCB的板邊最好全部用GND走線包圍；

(3)GND與其它布線之間的距離保持在0.2mm～0.3mm；

(4)Vbat與其它布線之間的距離保持在0.2mm～0.3mm;

(5)重要的線如Reset、Clock等與其它布線之間的距離應大于0.3mm;

(6)大功率的線與其它布線之間的距離保持在0.2mm～0.3mm；

(7)不同層的GND之間應有盡可能多的通孔（VIa）相連；

(8)在最后的鋪地時應盡量避免尖角，有尖角應盡量使其平滑。

3.3 產(chǎn)品的電路設(shè)計

在殼體和PCB的設(shè)計中，對ESD問題加以注意之后，ESD還會不可避免地進入到產(chǎn)品的內(nèi)部電路中，尤其是以下一些端口：USB接口、HDMI接口、IEEE1394接口、天線接口、VGA接口、DVI接口、按鍵電路、SIM卡、耳機及其他各類數(shù)據(jù)傳輸接口，這些端口很可能將人體的靜電引入內(nèi)部電路中。所以，需要在這些端口中使用ESD防護器件。

以往主要使用的靜電防護器件是壓敏電阻和TVS器件，但這些器件普遍的缺點是響應速度太慢，放電電壓不夠精確，極間電容大，壽命短，電性能會因多次使用而變差。所以目前行業(yè)中普遍使用專業(yè)的“靜電抑制器”來取代以往的靜電防護器件 。“靜電抑制器”是專業(yè)解決靜電問題的產(chǎn)品，其內(nèi)部構(gòu)造和工作原理比其他產(chǎn)品更具科學性和專業(yè)性。它由Polymer高分子材料制成，內(nèi)部菱形分子以規(guī)則離散狀排列，當靜電電壓超過該器件的觸發(fā)電壓時，內(nèi)部分子迅速產(chǎn)生尖端對尖端的放電，將靜電在瞬間泄放到地。它最大特點是反應速度快（0.5ns～1ns）、非常低的極間電容（0.05pf～3pf），很小的漏電流（1μA），非常適合各種接口的防護。

因為靜電抑制器具有體積小、無極性、反應速度快等諸多優(yōu)點，現(xiàn)在的設(shè)計中使用靜電抑制器作為防護器件的比例越來越多，在使用時應注意以下幾點：

1、將該器件盡量放置在需要保護的端口附近；

2、到GND的連線盡可能短;

3、所接GND的面積盡可能大。

ESD 的問題是眾多重要問題之一。在不同的電子設(shè)備中有不同的方式來避免對電路的危害。由于現(xiàn)在的數(shù)碼產(chǎn)品體積小、密度大，在 ESD 的防護上有獨到的特點。通過大量的靜電測試實驗證明，采用本文的設(shè)計方法處理，將一個原本± 2kV 放電就會死機的產(chǎn)品加以保護和改進，在± 8kV 的靜電放電情況下依然可以穩(wěn)定工作，起到了很好的靜電防護效果。隨著電子設(shè)備使用的日益廣泛， ESD 設(shè)計是每一個結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師和電子設(shè)計工程師需要重點關(guān)心的問題，通過不斷總結(jié)與學習， ESD 問題將不再是一個難題！

Part 2 淺談設(shè)計PCB時抗ESD的方法

在PCB板的設(shè)計當中,可以通過分層、恰當?shù)牟季植季€和安裝實現(xiàn)PCB的抗ESD設(shè)計。在設(shè)計過程中,通過預測可以將絕大多數(shù)設(shè)計修改僅限于增減元器件。通過調(diào)整PCB布局布線,能夠很好地防范ESD。以下是一些常見的防范措施。

盡可能使用多層PCB,相對于雙面PCB而言,地平面和電源平面,以及排列緊密的信號線-地線間距能夠減小共模阻抗和感性耦合,使之達到雙面PCB的 1/10到1/100。盡量地將每一個信號層都緊靠一個電源層或地線層。對于頂層和底層表面都有元器件、具有很短連接線以及許多填充地的高密度PCB,可以考慮使用內(nèi)層線。

對于雙面PCB來說,要采用緊密交織的電源和地柵格。電源線緊靠地線,在垂直和水平線或填充區(qū)之間,要盡可能多地連接。一面的柵格尺寸小于等于60mm,如果可能,柵格尺寸應小于13mm。

確保每一個電路盡可能緊湊。

盡可能將所有連接器都放在一邊。

如果可能,將電源線從卡的中央引入,并遠離容易直接遭受ESD影響的區(qū)域。

在引向機箱外的連接器(容易直接被ESD擊中)下方的所有PCB層上,要放置寬的機箱地或者多邊形填充地,并每隔大約13mm的距離用過孔將它們連接在一起。

在卡的邊緣上放置安裝孔,安裝孔周圍用無阻焊劑的頂層和底層焊盤連接到機箱地上。

PCB裝配時,不要在頂層或者底層的焊盤上涂覆任何焊料。使用具有內(nèi)嵌墊圈的螺釘來實現(xiàn)PCB與金屬機箱/屏蔽層或接地面上支架的緊密接觸。

在每一層的機箱地和電路地之間,要設(shè)置相同的“隔離區(qū)”;如果可能,保持間隔距離為0.64mm。

在卡的頂層和底層靠近安裝孔的位置,每隔100mm沿機箱地線將機箱地和電路地用1.27mm寬的線連接在一起。與這些連接點的相鄰處,在機箱地和電路地之間放置用于安裝的焊盤或安裝孔。這些地線連接可以用刀片劃開,以保持開路,或用磁珠/高頻電容的跳接。

如果電路板不會放入金屬機箱或者屏蔽裝置中,在電路板的頂層和底層機箱地線上不能涂阻焊劑,這樣它們可以作為ESD電弧的放電極。

要以下列方式在電路周圍設(shè)置一個環(huán)形地：

(1)除邊緣連接器以及機箱地以外,在整個外圍四周放上環(huán)形地通路。

(2)確保所有層的環(huán)形地寬度大于2.5mm。

(3)每隔13mm用過孔將環(huán)形地連接起來。

(4)將環(huán)形地與多層電路的公共地連接到一起。

(5)對安裝在金屬機箱或者屏蔽裝置里的雙面板來說,應該將環(huán)形地與電路公共地連接起來。不屏蔽的雙面電路則應該將環(huán)形地連接到機箱地,環(huán)形地上不能涂阻焊劑,以便該環(huán)形地可以充當ESD的放電棒,在環(huán)形地(所有層)上的某個位置處至少放置一個0.5mm寬的間隙,這樣可以避免形成一個大的環(huán)路。信號布線離環(huán)形地的距離不能小于0.5mm。

在能被ESD直接擊中的區(qū)域,每一個信號線附近都要布一條地線。

I/O電路要盡可能靠近對應的連接器。

對易受ESD影響的電路,應該放在靠近電路中心的區(qū)域,這樣其他電路可以為它們提供一定的屏蔽作用。

通常在接收端放置串聯(lián)的電阻和磁珠,而對那些易被ESD擊中的電纜驅(qū)動器,也可以考慮在驅(qū)動端放置串聯(lián)的電阻或磁珠。

通常在接收端放置瞬態(tài)保護器。用短而粗的線(長度小于5倍寬度,最好小于3倍寬度)連接到機箱地。從連接器出來的信號線和地線要直接接到瞬態(tài)保護器,然后才能接電路的其他部分。

在連接器處或者離接收電路25mm的范圍內(nèi),要放置濾波電容。

(1)用短而粗的線連接到機箱地或者接收電路地(長度小于5倍寬度,最好小于3倍寬度)。

(2)信號線和地線先連接到電容再連接到接收電路。

要確保信號線盡可能短。
信號線的長度大于300mm時,一定要平行布一條地線。
確保信號線和相應回路之間的環(huán)路面積盡可能小。對于長信號線每隔幾厘米便要調(diào)換信號線和地線的位置來減小環(huán)路面積。
從網(wǎng)絡(luò)的中心位置驅(qū)動信號進入多個接收電路。

確保電源和地之間的環(huán)路面積盡可能小,在靠近集成電路芯片每一個電源管腳的地方放置一個高頻電容。
在距離每一個連接器80mm范圍以內(nèi)放置一個高頻旁路電容。

在可能的情況下,要用地填充未使用的區(qū)域,每隔60mm距離將所有層的填充地連接起來。

確保在任意大的地填充區(qū)(大約大于25mm×6mm)的兩個相反端點位置處要與地連接。

電源或地平面上開口長度超過8mm時,要用窄的線將開口的兩側(cè)連接起來。

復位線、中斷信號線或者邊沿觸發(fā)信號線不能布置在靠近PCB邊沿的地方。

將安裝孔同電路公地連接在一起,或者將它們隔離開來。

(1)金屬支架必須和金屬屏蔽裝置或者機箱一起使用時,要采用一個零歐姆電阻實現(xiàn)連接。

(2)確定安裝孔大小來實現(xiàn)金屬或者塑料支架的可靠安裝,在安裝孔頂層和底層上要采用大焊盤,底層焊盤上不能采用阻焊劑,并確保底層焊盤不采用波峰焊工藝進行焊接。

不能將受保護的信號線和不受保護的信號線并行排列。

要特別注意復位、中斷和控制信號線的布線。

(1)要采用高頻濾波。

(2)遠離輸入和輸出電路。

(3)遠離電路板邊緣。

PCB要插入機箱內(nèi),不要安裝在開口位置或者內(nèi)部接縫處。

要注意磁珠下、焊盤之間和可能接觸到磁珠的信號線的布線。有些磁珠導電性能相當好,可能會產(chǎn)生意想不到的導電路徑。

如果一個機箱或者主板要內(nèi)裝幾個電路板,應該將對靜電最敏感的電路板放在最中間。