電子設(shè)備中ESD靜電的問題分析與防護(hù)措施

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(yīng)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(fù)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?，F(xiàn)代半導(dǎo)體器件的規(guī)模越來越大，工作電壓越來越低，導(dǎo)致了半導(dǎo)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(xiàng)重要內(nèi)容寫入國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)。

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?xí)r，正負(fù)極性的電荷分別積累在兩個(gè)特體上而形成。當(dāng)兩個(gè)物體接觸時(shí)，其中一個(gè)趨從于另一個(gè)吸引電子，因而二者會(huì)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(shí)，依據(jù)電荷中和的機(jī)理存在著電荷流動(dòng)，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(yán)重時(shí)將其中物體擊毀，這就是靜電放電。國家標(biāo)準(zhǔn)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(GB/T4365-1995)，一般用ESD表示。ESD會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備嚴(yán)重?fù)p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(dāng)時(shí)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(jī)制是：由ESD電流產(chǎn)生熱量導(dǎo)致設(shè)備的熱失效;由ESD感應(yīng)出過高電壓導(dǎo)致絕緣擊穿。兩種破壞可能在一個(gè)設(shè)備中同時(shí)發(fā)生，例如，絕緣擊穿可能激發(fā)大的電流，這又進(jìn)一步導(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)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(jī)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(jìn)行ESD防護(hù)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(jī)及其他各類數(shù)據(jù)傳輸接口。

ESD可能會(huì)造成產(chǎn)品工作異常、死機(jī)，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(jìn)行ESD和其它浪涌沖擊的測試。其中接觸放電需要達(dá)到±8kV，空氣放電需要達(dá)到±15kV，這就對ESD的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。

3.數(shù)碼產(chǎn)品中ESD問題解決與防護(hù)

3.1 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jì)的產(chǎn)品有一個(gè)理想的殼體是密不透風(fēng)的，靜電也就無從而入，當(dāng)然不會(huì)有靜電問題了。但實(shí)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(qiáng)度。

通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，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(yàn)，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(dǎo)電的，可以看成是一個(gè)金屬的屏蔽層，這樣可以將靜電導(dǎo)在殼體上;再將殼體與PCB(Printed Circuit Board)的地連接，將靜電從地導(dǎo)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(gè)金屬屏蔽罩將其中的電路保護(hù)起來，金屬屏蔽罩再連接PCB的GND。

總之，ESD設(shè)計(jì)殼體上需要注意很多地方，首先是盡量不讓ESD進(jìn)入殼體內(nèi)部，最大限度地減弱其進(jìn)入殼體的能量。對于進(jìn)入殼體內(nèi)部的ESD盡量將其從GND導(dǎo)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(shí)一定要小心，因?yàn)楹芸赡軒硪庀氩坏降慕Y(jié)果，需要特別注意。

3.2 產(chǎn)品的PCB設(shè)計(jì)

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(jì)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(shí)，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(jì)的小巧又是趨勢與需要。所以，設(shè)計(jì)時(shí)需要找到平衡點(diǎn)。就ESD問題而言，設(shè)計(jì)上需要注意的地方很多，尤其是關(guān)于GND布線的設(shè)計(jì)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(fù)研究與實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)是PCB設(shè)計(jì)中的出現(xiàn)的問題。

為此，這里總結(jié)了PCB設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的要點(diǎn)：

(1)PCB板邊(包括通孔Via邊界)與其它布線之間的距離應(yīng)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(yīng)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(yīng)有盡可能多的通孔(VIa)相連;

(8)在最后的鋪地時(shí)應(yīng)盡量避免尖角，有尖角應(yīng)盡量使其平滑。

3.3 產(chǎn)品的電路設(shè)計(jì)

在殼體和PCB的設(shè)計(jì)中，對ESD問題加以注意之后，ESD還會(huì)不可避免地進(jìn)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(jī)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(hù)器件。

以往主要使用的靜電防護(hù)器件是壓敏電阻和TVS器件，但這些器件普遍的缺點(diǎn)是響應(yīng)速度太慢，放電電壓不夠精確，極間電容大，壽命短，電性能會(huì)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(hù)器件 ?！办o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(xué)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(dāng)靜電電壓超過該器件的觸發(fā)電壓時(shí)，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(diǎn)是反應(yīng)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(hù)。

因?yàn)殪o電抑制器具有體積小(0603、0402)、無極性、反應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)中使用靜電抑制器作為防護(hù)器件的比例越來越多，在使用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1、將該器件盡量放置在需要保護(hù)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(hù)上有獨(dú)到的特點(diǎn)。通過大量的靜電測試實(shí)驗(yàn)證明，采用本文的設(shè)計(jì)方法處理，將一個(gè)原本± 2kV 放電就會(huì)死機(jī)的產(chǎn)品加以保護(hù)和改進(jìn)，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(hù)效果。隨著電子設(shè)備使用的日益廣泛， ESD 設(shè)計(jì)是每一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師和電子設(shè)計(jì)工程師需要重點(diǎn)關(guān)心的問題，通過不斷總結(jié)與學(xué)習(xí)， ESD 問題將不再是一個(gè)難題!
來源；互聯(lián)網(wǎng)