關(guān)于ESD原理及防護(hù)知識

1、何謂ESD

ESD（Electrostatic Discharge）俗稱靜電放電，是電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)EMC的管控內(nèi)容之一。ESD的本質(zhì)是正電荷和負(fù)電荷在局部范圍內(nèi)失去平衡的結(jié)果。

其顯著特點是：①高電位 ——最高達(dá)數(shù)萬伏以至數(shù)十萬伏；②作用時間短。

2、ESD產(chǎn)生機理

靜電：處于不同帶電序列位置（介電系數(shù)不同）的物體之間接觸分離，使物體正負(fù)電荷失去平衡而發(fā)生的現(xiàn)象。

靜電放電：靜電源與其他物體接觸時，依據(jù)電荷中和的原則，存在著電荷流動，傳送足夠的電量以抵消電壓。這個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à這個過程就是ESD。

3、ESD的危害

大多數(shù)ESD損害發(fā)生在人的感覺范圍以下。人對靜電放電的感知電壓是3KV，而很多電子元件在幾百伏甚至幾十伏就會損壞。

1）靜電吸附灰塵，降低元件絕緣電阻，縮短壽命。

2）靜電放電破壞，使元件受損（完全破壞）

3）靜電使元件潛在損傷（半擊穿）

4、ESD放電模型

1）人體模型（Human Body Model，HBM）

帶電人體碰觸器件時，人體上的靜電便會經(jīng)碰觸的腳位進(jìn)入器件內(nèi)，若器件有一端接地而形成放電路徑時，便會發(fā)生放電。此放電過程在數(shù)百ns時間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培的瞬間放電電流，進(jìn)而將器件內(nèi)的電路燒毀。

對一般元件可承受的HBM 2KV來說，在2~10ns時間內(nèi)，瞬間電流峰值可達(dá)1.33A。

2）機器模型（Machine Model，MM）

敏感器件在組裝過程中會涉及很多金屬夾具，當(dāng)這些金屬帶上靜電并靠近組件時，會發(fā)生快速放電。特點為低壓高流，會直接燒毀組件本身。一般機器設(shè)備的電容遠(yuǎn)大于人體，可以儲存更多的電荷，造成放電速度很快，電流比較HBM大數(shù)倍。

3）充電器件模型（Charged Device Model，CDM）

器件因摩擦或感應(yīng)等因素其內(nèi)部積累了靜電，但在靜電慢慢積累的過程中并未損傷。當(dāng)器件任一腳碰觸到接地導(dǎo)體時，器件內(nèi)部的靜電發(fā)生放電現(xiàn)象。

這種放電過程很短，約幾十納秒。這種靜電模型其等效電容值和器件封裝類型相關(guān)，所以放電現(xiàn)象很難模擬。

5、ESD失效機理

5.1 過電壓場失效（絕緣擊穿）

發(fā)生于MOS器件（包括MOS電容）和固體膽電容，電極間電場超過其臨界場強。

5.2過電流失效（熱失效）

多發(fā)生于雙極型器件，PN結(jié)二極管、肖特基二極管等。溫度越高，越容易發(fā)生此失效。

實際元器件發(fā)生哪種失效，取決于靜電放電回路的絕緣程度。

1）若放電回路阻抗較低，絕緣性差，元器件往往會因放電期間產(chǎn)生過流導(dǎo)致高溫?fù)p傷à過電流失效。

2）若放電回路阻抗較高，絕緣性好，元器件往往發(fā)生高電壓損傷à過電壓損傷。

6、ESD防護(hù)（針對作業(yè)及包裝環(huán)境）

1）靜電源接地à靜電帶及工作表面接地。

2）靜電屏蔽à靜電屏蔽袋。

3）離子中和à離子風(fēng)機、離子氣槍。

7、ESD防護(hù)實際應(yīng)用電路

利用TVS二極管的特性來保護(hù)電路免受ESD的沖擊。

TVS全稱是瞬態(tài)抑制二極管（Transient Voltage Suppressor），是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件。當(dāng)TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10的負(fù)12次方秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。

典型應(yīng)用電路解析：

此電路為雙向ESD防護(hù)，USB排插處進(jìn)行拔插時可能會產(chǎn)生正負(fù)方向的ESD，而此電路能將這兩種情況下的靜電釋放掉。

1）當(dāng)USB+有正向大的（比如+8KV）ESD產(chǎn)生時，下位的TVS二極管將從高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，ESD將會從地端釋放掉。

2）當(dāng)USB+有負(fù)向大的（比如-8KV）ESD產(chǎn)生時，上位的TVS二極管將從高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，ESD將會經(jīng)過VCC端回流到地端釋放掉。

8、ESD器件（TVS）選型步驟

1）計算接口信號幅值的范圍來確定ESD器件的工作電壓。

2）根據(jù)信號類型決定使用單向或雙向ESD器件。

3）根據(jù)信號速率決定該接口能承受的最大寄生電容。

4）根據(jù)電路系統(tǒng)的最大承受電壓沖擊，選擇合適的鉗位電壓。

5）確保ESD器件可達(dá)到或超過IEC 61000-4-2 LEVEL 4。