靜電防護(hù)設(shè)計技術(shù)

1

主要內(nèi)容

靜電放電（ESD）模型

ESD的危害

ESD的危害機(jī)理分析

實用ESD防護(hù)設(shè)計技術(shù)

案例分析

2

靜電

物體的靜電帶電，或稱靜電起電，是由于處于不

同帶電序列位置的物質(zhì)之間接觸分離（摩擦）使

物體上正負(fù)電荷失去平衡而發(fā)生的靜電現(xiàn)象。

3

人體靜電電位

靜襪

電位(kV)赤腳尼龍襪薄毛襪導(dǎo)電襪

鞋

橡膠底運(yùn)動鞋20.019.021.020.0

新皮鞋5.08.57.06.0

防靜電鞋2.04.03.03.5

4

人體靜電電位

人體靜電電位(kV)

靜電產(chǎn)生原因

RH(10-20)%RH(65?90)%

在合成纖維地毯上走動3515

在乙烯樹脂地板上行走120.25

在工作臺上操作60.1

包工作說明書的乙烯樹脂封皮70.6

從工作臺上拿起普通聚乙烯袋201.2

從墊有聚氨基甲酸泡沫的工作椅181.5

上站起

5

人體靜電電位

工作服和褲子激烈磨擦后脫下時人體靜電電位

靜褲料純棉布毛料丙烯聚酯尼龍維尼龍

電位(kV)

工作服

純棉布1.20.911.714.71.51.8

維尼龍/棉0.64.512.312.34.80.3

(55/45)

聚酯/人造絲4.28.419.217.14.81.2

(65/35)

聚酯/棉14.115.312.37.514.713.8

(65/35)

靜電電位

工作服和褲子激烈磨擦后脫下時工作服的靜電電位

靜褲料純棉布毛料丙烯聚酯尼龍維尼龍

電位(kV)

工作服

純棉布2.22.721.422.32.73.3

維尼龍/棉0.99.418.017.58.50.5

(55/45)

聚酯/人造絲9.229.739.923.713.32.3

(65/35)

聚酯/棉23.120.619.511.929.323.4

(65/35)7

靜電放電的定義

靜電放電(ESD-ElectrostaticDischarge)

帶電體周圍的場強(qiáng)超過周圍介質(zhì)的絕緣擊穿場

強(qiáng)時，因介質(zhì)產(chǎn)生電離而使帶電體上的靜電荷

部分或全部消失的現(xiàn)象。

靜電放電

9

靜電放電的特點(diǎn)

靜電放電是高電位、強(qiáng)電場、瞬時

大電流的過程。

靜電放電會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射

形成電磁脈沖（EMP）

10

靜電放電模型

人體模型（HBM）

R

R=1.5kQ

CC=100pF

11

靜電放電模型

場增強(qiáng)模型（人體一金屬模型）

R

C

CB=150pF,RB=330。，LB=0.04?0.2HH

R=150。CH=3~10pF,RH=20~200Q,

C=150pFLH=0.05~0.2HH

IEC801-2(1991)

IEC801-2(1984)IEC61000-4-2

12

靜電放電模型

家具模型

RL

--1?--......?R=15Q

CC=150pF

L=0.2~0.4mH

~rh

13

靜電放電模型

帶電器件模型（CDM）

RL

R、C、L的值根據(jù)器件的具

?---->體情況確定。一般較小。

C

~Ph14

靜電放電的危害

實例一：固體靜電造成的危害

某密閉貨車裝運(yùn)聚苯乙烯制品，行駛600km后，停車時發(fā)

生爆炸，車頂被炸碎，飛離出事點(diǎn)3()-60ni。事故原因是

在行車過程中產(chǎn)生和積累了靜電，而聚苯乙烯制品分解出

少量易燃?xì)怏w沒能能時排出，在車內(nèi)形成爆炸性混合物，

過到一定濃度后遇靜電火花引起爆炸。

15

靜電放電的危害

實例二：人體靜電造成的危害

1980年12月26日，某廠靶場臨時裝藥工房，工人在裝

lOOmm榴彈炮，3個人正往筒內(nèi)裝發(fā)射藥，另一個身

穿羊皮大衣的裝卸工人從外面走來，看到不穩(wěn)定，想

用雙手扶住藥筒，他的手剛摸到藥筒的瞬間，發(fā)生了

爆炸事故，死1人，重傷3人。分析其事故原因是：在

干燥的冬季，身穿羊皮大衣，人體活動時可以帶上幾

萬伏的靜電。人體對藥筒放電引起爆炸。

靜電放電的危害

實例三：液體靜電造成的危害

某油船自油罐裝航空煤油，開始十分鐘后，油船爆炸

,傷亡多人。其原因是航空煤油流過橡膠軟管時，產(chǎn)

生約30kV的靜電電壓，煤油蒸氣濃度已達(dá)到爆炸濃度

極限，由輸油管上的凸出部位與油船之間的靜電放電

火花點(diǎn)燃了易燃易爆混合氣體引起爆炸。

17

靜電放電的危害

實例四：人體靜電對器件的危害

某廠在使用高頻三極管3DG142時發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)

象。當(dāng)工作人員在上班開始工作時，拿起第一只管子

測試，常常發(fā)現(xiàn)是壞的，其失效模式為發(fā)射結(jié)擊穿，

以后就基本上是好的了。這種現(xiàn)象每天重復(fù)出現(xiàn)。后

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，這種失效是由人體靜電引起的。于是廠

里規(guī)定，凡是第一次測試時，要先摸一摸地線，釋放

靜電后，再去拿管子。自此，該現(xiàn)象消失。

18

靜電放電的危害

實例五：人體靜電對器件的危害

一AS169型數(shù)控微波開關(guān)(GaAsIC),應(yīng)用于收發(fā)電路單板

0在裝配后對整板測試時，發(fā)現(xiàn)整板的接受、發(fā)射功率有

的下降，有的無功率。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)是板上的1個AS169器

件失效所致。在同一塊整板上有兩個同樣的AS169器件，它

們在不同位置；其中一個無失效，另一個有50%的失效，

有時高達(dá)60?70%；失效器件與對外的接插件相連；在操

作過程中，有時有工人不帶防靜電腕帶。

19

靜電放電的危害

力學(xué)效應(yīng)

半導(dǎo)體器件生產(chǎn)：靜電塵埃吸附在芯片上，

使IC的成品率下降

紡織業(yè)：靜電力造成亂紗、掛條、粘合糾結(jié)

等，影響產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率

印刷業(yè)和塑料薄膜包裝生產(chǎn)：靜電力影響正

常的紙張分離、疊放、塑料膜不能正常包裝和

印花，影響生產(chǎn)的自動化

20

靜電放電的危害

熱效應(yīng)

靜電火花放電或刷形放電瞬間的大電流可以使

空氣電離、擊穿、發(fā)光、發(fā)熱，形成局部的高

溫?zé)嵩础?/p>

軍工業(yè)及化工業(yè)：引起爆炸事故。

微電子技術(shù)領(lǐng)域：ESD的靜電能量可以使硅片

微區(qū)熔化，燒毀PN結(jié)和金屬互連線，形成破壞

性的熱擊穿，導(dǎo)致器件損壞失效。

21

靜電放電的危害

強(qiáng)電場效應(yīng)

靜電荷在物體上積累往往使物體對地具有很高

的電位，在附近產(chǎn)生很強(qiáng)的電場

很強(qiáng)的靜電場會導(dǎo)致MOS場效應(yīng)器件的柵氧

化層被擊穿，使器件失效

很強(qiáng)的靜電場可以使多層布線電路間介質(zhì)擊

穿或金屬化導(dǎo)線間介質(zhì)擊穿，造成電路失效

很強(qiáng)的靜電場可以造成電子器件的潛在性損

傷，影響產(chǎn)品的可靠性22

靜電放電的危害

電磁輻射效應(yīng)

火花放電和刷形放電都是靜電能量比較大的

ESD過程，其峰值電流可達(dá)幾百安培，可以形

成電磁脈沖串，對微電子系統(tǒng)造成強(qiáng)電磁干擾

和浪涌效應(yīng)

電磁干擾能夠引起電路錯誤翻轉(zhuǎn)或致命失效

23

靜電放電對電子設(shè)備的危害方式和機(jī)理

ESD放電時縫隙的影響

靜電放電對電子設(shè)備的危害方式和機(jī)理

ESD放電時縫隙的影響

靜電放電對電子設(shè)備的危害方式和機(jī)理

搭接不良時ESD放電的影響

靜電放電對電子設(shè)備的危害方式和機(jī)理

內(nèi)部電路接地不良時ESD放電的影響

靜電放電對電子設(shè)備的危害方式和機(jī)理

接地不良時ESD放電的影響

靜電放電對電子設(shè)備的危害方式和機(jī)理

對設(shè)備施加ESD接觸放電時的近場分布

對接地金屬機(jī)架施加ESD干擾時，在機(jī)架內(nèi)部及周圍空間

將存在較強(qiáng)的干擾電磁場

距離放電點(diǎn)越近的空間，干擾電磁場越強(qiáng)

距離機(jī)架上金屬導(dǎo)體越近的空間，干擾電磁場越強(qiáng)

干擾電磁場激發(fā)的感應(yīng)電壓的持續(xù)時間與一個ESD脈沖電

流持續(xù)的時間相當(dāng)，ESD干擾脈沖過后，周圍空間的干擾電

磁場也基本消失

29

導(dǎo)線的阻抗

1

接地引線電感

1h---------------HL0.002iY(2.303--(H

1Q________________)ln2o.75)

各線度量的單位均為cm

2〃o.ab)(g

CL0.002〃

lb—(2.303In卜—0.2235

cH

接地引線電感

例：H=100cm,導(dǎo)體的橫截面積均為35nllH2.

H

L=2.8uH

d

d=6?68nmi

L=1.95uH

32

導(dǎo)線的阻抗

頻率d=0.65cmd=0.27cmd=0.06cmd=0.04cm

Hz10cmIm10cmIm10cmIm10cmIm

10Hz51.4oc517oc327oc3.28m5.29m52.9m13.3m133m

Ik429oc7.14632oc8.91m5.34m53.9m14m144m

m

100k42.6m712m54m828m71.6m1.090.3m1.07

IM426m7.12540m8.28714m10783m10.6

5M2.1335.52.741.33.57503.8653

10M4.2671.25.482.87.141007.7106

50M21.33562741435.750038.5530

100M42.65471.477

150M63.98110711533

一些器件的靜電敏感電壓值

器件類型耐ESD電壓(V)器件類型耐ESD電壓(V)

VMOS30~180運(yùn)算放大器190-2500

MOSFET100~200JEFT140-1000

GaAsFET100~300SCL680-1000

PROM100STTL300-2500

CMOS250-2000DTL380-7000

HMOS50-500肖特基二極管300-3000

E/DMOS200-1000雙極型晶體管380-7000

ECL300-2500石英及壓電晶體<1000034

ESD敏感器件分類和敏感電壓范圍

器件分類元器件類型

及敏感度

?微波器件(肖特基二極管、點(diǎn)接觸二極管及頻率大于1GHz的檢波

二極管)

?MOS場效應(yīng)管(MOSFET)

一級?結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)

,聲表面波濾波器(SAW)

0~2kV

?電荷耦合器件(CCD)

?運(yùn)算放大器(OPAMP)

?集成電路(IC)

?薄膜電阻器

?可控硅整流器(Pt<100mW,It<100mA)

?由第一級器件組成的混合電路35

ESD敏感器件分類和敏感電壓范圍

器件分類元器件類型

及敏感度

?MOS場效應(yīng)管(MOSFET)

?結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)

二級?運(yùn)算放大器(OPAMP)

?集成電路(IC)

2~4kV

?精密電阻網(wǎng)絡(luò)

?特高速效應(yīng)晶體管ioomA)

?低功率雙極性晶體管(Pt<100mW,It<

?由第二級器件組成的混合電路

36

ESD敏感器件分類和敏感電壓范圍

器件分類兀器件類型

及敏感度

?MOS場效應(yīng)管(MOSFET)

?結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)

?運(yùn)算放大器(OPAMP)

三級?集成電路(IC)

?小信號二極管(P<1W,I(1A)

4?16kV

?一般硅整流二極管

?可控硅整流器(1)0.175A)

?小功率雙極性晶體管

?片狀電阻器

?光電器件(光電二極管、光電晶體管、光電耦合器)

?壓電晶體

?由第三級器件組成的混合電路37

靜電危害或ESD干擾產(chǎn)生的條件

能

量

耦

合靜電敏感器件7產(chǎn)品

途

徑

38

ESD防護(hù)設(shè)計要求

總

ESD防護(hù)設(shè)計要求

機(jī)箱金屬之間要實現(xiàn)良好搭接

搭接處要米用面接觸，避免點(diǎn)接觸

相互搭接的金屬之間的電化學(xué)位差不大于0.6V

40

ESD防護(hù)設(shè)計要求

人員接觸的鍵盤、控制面板、手動控制器、

鑰匙鎖等金屬部件，應(yīng)直接通過金屬機(jī)架接

地。如果不能實現(xiàn)接地，則其與電路走線和

工作地的絕緣距離應(yīng)大于6mm

41

ESD防護(hù)設(shè)計要求

機(jī)架式設(shè)備一般采用復(fù)合式接地，工作地、

電源地、保護(hù)地與機(jī)架在內(nèi)部要良好隔離,

在機(jī)架接地螺栓處匯接或在外部接地匯集

線上匯接，形成良好的靜電泄放通路

42

ESD防護(hù)設(shè)計要求

ESD防護(hù)設(shè)計要求

小型低速（頻率小于1MHz）設(shè)備可以采用工

作地浮地（或工作地單點(diǎn)接金屬外殼）、金屬

外殼單點(diǎn)接大地，使靜電通過機(jī)殼泄放到

地而對內(nèi)部電路無影響

44

ESD防護(hù)設(shè)計要求

小型高速（頻率大于10MHz）設(shè)備的工作

地應(yīng)與其金屬機(jī)殼實現(xiàn)多點(diǎn)接地,接地點(diǎn)的

間距應(yīng)小于最高工作頻率波長的1/20,且

金屬外殼單點(diǎn)接大地

45

ESD防護(hù)設(shè)計要求

機(jī)架設(shè)備的接地點(diǎn)與外部接地樁之間要保

證可靠的電氣連接

接地線材料應(yīng)采用多股銅線

接地銅線的截面積盡可能大

接地銅線的接頭應(yīng)采用銅鼻子

46

PCB板的ESD防護(hù)設(shè)計要求

接口電路應(yīng)盡量采用ESD敏感度為3級（靜電損傷

閾值大于4KV）或不敏感的元器件；否則在輸入輸

出接口電路上應(yīng)采取保護(hù)措施。單板的保護(hù)電路

應(yīng)緊靠相應(yīng)的連接器放置

47

PCB板的ESD防護(hù)設(shè)計要求

芯片的保護(hù)電路應(yīng)緊靠相應(yīng)的芯片放置,

并低阻抗接地

48

PCB板的ESD防護(hù)設(shè)計要求

易受ESD干擾的器件，如NMOS、

CMOS器件等，應(yīng)該盡量遠(yuǎn)離易受ESD

干擾的區(qū)域

49

PCB板的ESD防護(hù)設(shè)計要求

在插拔式PCB上設(shè)置靜電防護(hù)地

不形成閉合環(huán)路；

與工作地之間的間距應(yīng)大于31111n

在表層設(shè)置，不涂綠油

PCB板的ESD防護(hù)設(shè)計要求

相互之間具有很多互連線的元器件應(yīng)盡可能

彼此靠近。例如I/O器件與I/O連接器應(yīng)盡量

接近

51

PCB板的ESD防護(hù)設(shè)計要求

信號線應(yīng)該與其回流地線緊挨在一起

盡量在每根信號線的旁邊安排一條地線。

盡量采用地平面或地線網(wǎng)格，而不采用單根地線。

對于多層板，信號線應(yīng)該盡量靠近地平面走線

PCB板的ESD防護(hù)設(shè)計要求

時鐘線應(yīng)在兩地平面之間走線

時鐘線應(yīng)在同一層布線，盡量不要換層

53

PCB板的ESD防護(hù)設(shè)計要求

在復(fù)位信號線靠近復(fù)位按鈕的輸入端與地

之間，以及靠近復(fù)位芯片的輸入端與地之間

分別并接0.luF的陶瓷電容

復(fù)位線應(yīng)盡可能短而寬

多層板中的復(fù)位線應(yīng)在兩地平面之間走線

54

PCB板的ESD防護(hù)設(shè)計要求

對于多層板，應(yīng)保證地平面的完整性,

地平面內(nèi)不應(yīng)有大的開口

55

PCB板的ESD防護(hù)設(shè)計要求

在印制板的電源輸入端應(yīng)采取濾波措施，并用瞬態(tài)過

電壓抑制器件（TVS）抑制瞬態(tài)過電壓

PCB板的ESD防護(hù)設(shè)計要求

對于雙面板，如果印制板上的電源線

引線很長，則每隔8cm在電源與地之

間接入一個0.luF的陶瓷電容器

57

PCB板的ESD防護(hù)設(shè)計要求

所有高速邏輯器件要求安裝去耦電容

集成電路的電源與地之間應(yīng)加0.OluF-O.luF

的陶瓷電容器進(jìn)行去耦

去耦電容應(yīng)并接在同一芯片的電源端與地之

間且要緊靠被保護(hù)的芯片

58

PCB板的ESD防護(hù)設(shè)計要求

高速數(shù)字單板上應(yīng)有足夠多的儲能濾波電容

（10uF或22uF的陶瓷電容器或其它高頻電容

器）。條件允許時，可盡量多設(shè)置儲能濾波

電容。

59

PCB板的ESD防護(hù)設(shè)計要求

CMOS器件所有不用的輸入端引線不允許懸空，應(yīng)視

不同電路接到地、電源（源極）Vss或電源（漏極）

VDD±OCMOS器件的輸入端如果接的是高阻源，貝I」

應(yīng)設(shè)計上拉或下拉電阻

匚0———F+。

60

PCB板的ESD防護(hù)設(shè)計要求

印刷板上的靜電敏感器件，必須通過保

護(hù)電路（設(shè)置串聯(lián)電阻、分流器、箝位

器件等保護(hù)裝置）才能與電連接器的端

子相連

61

PCB板的ESD防護(hù)設(shè)計要求

CMOS電路

PCB

62

PCB板的ESD防護(hù)設(shè)計要求

安裝在印制板上具有金屬外殼的元器件

（如復(fù)位按鈕、撥碼開關(guān)、晶振等），

其金屬外殼必須可靠接地，優(yōu)先接靜電

保護(hù)地，如單板沒有設(shè)置靜電保護(hù)地，

則接工作地

63

PCB板的ESD防護(hù)設(shè)計要求

對于輸入輸出接口處信號插針與金屬外殼的

隔離距離達(dá)不到5mm的接插件，其金屬外

殼附近應(yīng)盡可能敷設(shè)大面積覆銅地。接插件

金屬部分應(yīng)與金屬機(jī)殼實現(xiàn)低阻連接

64

PCB板的ESD防護(hù)設(shè)計要求

操作面板上容易被人體接觸的部件，如

小面板、按鈕、鍵盤、旋鈕等應(yīng)盡可能

采用絕緣物，也可以采用帶塑料薄膜的

金屬開關(guān)面板

65

PCB板的ESD防護(hù)設(shè)計要求

對于與內(nèi)部電路無聯(lián)系的金屬部件，如

固定印刷板的金屬鎖簧和起拔拉手，外

表涂覆絕緣層，增加其絕緣強(qiáng)度，并與

印制板內(nèi)部電路（包括信號和地）隔離

至少5mm以上

66

PCB板的ESD防護(hù)設(shè)計要求

金屬機(jī)殼以及與印制板相連的金屬前面板

應(yīng)與印制板內(nèi)部電路（包括信號和地）隔

離足夠的距離（如5mm以上）

67

通訊端口的ESD防護(hù)設(shè)計要求

對通訊端口的ESD防護(hù)，一般采用TVS

（瞬態(tài)電壓抑制器）保護(hù)器件

68

通訊端口的ESD防護(hù)設(shè)計要求

TVS器件的主要參數(shù)及選取原則

截止電壓VRM：

VRM=(1.1~1.2)V工作，最大不超過工作電壓的1.4倍。

結(jié)電容C:

保證不對電路的正常工作造成影響，不對傳送的波形產(chǎn)生

畸變。如果用于高速電路，以不大于15pF為宜。

69

通訊端口的ESD防護(hù)設(shè)計要求

以太網(wǎng)接口ESD、浪涌保護(hù)電路

RJ45

仁Unused

8nTX+

7TX-

lRX+

SLVl?2.8-4

電5RX-

Unused

Unused

70

GNDP

通訊端口的ESD防護(hù)設(shè)計要求

SLVU2.8-4

VRM=2.8V,C=5pF

通訊端口的ESD防護(hù)設(shè)計要求