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电子产品防静电(ESD)设计【最有可靠性知识】
发布者:深圳市踏歌科技有限公司  发布时间:2017-01-12
  ESD(Electro-Staticdischarge)意为“静电释放”
  静电是一种客观存在的自然现象,产生的方式多种,如接触、摩擦、电器间感应等。静电具有高电位,低电量(毫库仑mc:10-9 c),小电流(uA:10-6 A)和作用时间短(us:10-6 S),静电测量时复现性差,表现为瞬态的现象多。日常生活中,我们的身上和周围就带有很高的静电电压,几千伏甚至几万伏。
  ESD问题是一个系统工程,在设计时可从几个方面着手。一是要保证产品本身不会因产生强静电感应而自我毁灭,如增加屏蔽和隔离措施、通过增大PCB接地面积改善电荷泄漏通路等;二是要选择ESD特性好的芯片,不同厂家的同一种芯片性能也会有所不同,在芯片说明中一般都有提到;三是增设保护电路,抵御外来的静电。
  最好的技术应该是既能满足使用要求,又能做到成本最低。产品在保修期内损坏,厂商通常要为用户免费维修或进行更换。如果产品故障率高居不下,不仅会增加维修成本、减少利润,甚至要召回失败产品而影响制造商声誉。面对越来越脆弱的芯片,研究和实施防静电技术以提高制造成品率、降低使用故障率,是所有芯片制造商和整机制造商都必须解决的问题。本文以电脑为例,介绍ESD相关知识,希望对大家有借鉴意义。
电子产品防静电(ESD)设计【最有可靠性知识】
  一、芯片的防静电设计
  随着芯片速度的提高,为了缩短引脚长度而减少信号串扰,CPU和SoC (System on Chip)等超大规模IC芯片的封装越来越多地采用倒装芯片(flip chip),倒装芯片通常面积较大,而厚度很薄。由电容计算公式C=εS/d可知,芯片可能携带大量静电电荷Q(=CxV),换句话说,芯片自身成了一个巨大的电容器。
  如果芯片设计者对此问题没有足够认识,未在芯片内设置电流释放通道,使得净电荷不断积聚。如此一来,芯片在接触到工作台或包装盒的瞬间,就会产生强烈的静电释放,以致于芯片损坏在制造过程之中,成品率降低了,生产成本提高了。
  此外,CPU、GPU芯片上的金属盖以及散热片,也是惹是生非的一个祸根。诺大的金属体无异于一个静电接收天线,极易吸附芯片周围的电场,以及芯片附近导线上的电荷,这个因素也对芯片安全构成威胁。如果芯片设计者和整机设计者没有考虑到这个因素,到了用户手中再发现普遍存在问题而不得不把产品召回时,损失就更大了。

  二、整机的屏蔽与接地设计
  在产品生产车间,地板是防静电的,制造设备是防静电的,测试仪器是防静电的,芯片周转箱和库房是防静电的,就连操作者也要身穿防静电服、戴上防静电手套,一派全副武装的模样。但是,电脑在应用过程中,还是会给ESD以可乘之机。为了避免感应静电的危害,需要对整机进行屏蔽和接地。
  产品如电脑的金属机箱是屏蔽静电的重要措施,良好的接地可使受静电危害的几率大大降低。机箱中的主板、接口卡,软驱、硬盘、光驱等设备,以及包裹在信号线外面的金属屏蔽网,均通过机箱连接成一个整体,然后再通过电源地线接入大地,这样不仅可以消除外来的感应静电,也可以消除旋转设备自身所产生的摩擦静电。为了保证部件之间接触良好,机箱上设置有各种弹性触点或弹性接触片。

  三、接口电路中植入ESD保护器
  芯片是最容易被ESD损坏的器件,因此成为产品中的重点保护对象。而接口电路位于板卡电路的外围,是抵御ESD的一道重要防线。由于板卡上逻辑电路无法承受千伏级电压,所以必须将之排除在电路之外。在各个接口处接入静电防护器件,使静电高压在此释放,避免了向电路板的纵深区域的侵入。
  接口电路中最简易的防静电措施是:在线路中串连一个低阻值的电阻,来限制ESD的电流,或者在信号线与地线之间接如一个小电容,来释放ESD电流。不过这些措施会对信号产生衰减和延迟,不利于信号传输。
  近几年生产的主板中,在键盘、鼠标的PS/2接口以及RS-232C串行口和IEEE1284A并行口等低速端口中,多采用内嵌防静电功能的数据收发芯片。接口芯片中内嵌的ESD保护电路,是利用寄生电路实现的。当ESD作用时,寄生电路被触发,泄放ESD电流或箝位ESD电压,达到保护目的。
  对于高速的USB和IEEE1394热插拔接口,因为引脚较少,通常接入TVS和MLV等新型静电保护器件。 TVS(Transient Voltage Suppresser,瞬态电压抑制器)能够迅速地将ESD故障电流释放到接地端,而且其漏电流和结电容都很低,响应时间也很短(1ns左右),是高速数据通路中理想的选择,在电脑主板及各种USB设备中获得广泛应用。
  TVS器件内通常含有若干个TVS二极管、具有多路保护作用的微型贴片元件,常见的封装形式有SOT23和SC-70两种。
  ESD保护器往往不被人们所注意,但却是电脑的保护神。它们在电脑中是否起过作用、起过几次作用,我们都无法知道。但是,如果没有它们的暗中保护,电脑就会经常给我们带来麻烦。

  四、对产品进行ESD测试
  大家知道,电子产品必须通过EMC(电磁兼容性)性能测试,贴上EMC标志,才能进入国际市场。目前最为权威的EMC标准当属国际电工委员会制定的IEC61000-4标准,其中包括IEC61000-4-2(ESD)、IEC61000-4-3(抗电磁干扰)、IEC61000-4-4(电快速瞬变)、IEC61000-4-5(浪涌敏感度)。对电脑产品所进行的ESD试验也是以IEC61000-4-2作为标准的。
  IEC61000-4-2规定的ESD测试有两个项目:接触电压测试和空气放电测试。接触电压测试时,ESD信号发生器产生最高4kV的可调直流电压,当信号发生器的探头尖部接触到被测设备时,发生放电。空气放电测试时,ESD测试仪提供最高8kV的可调脉冲电压,从测试仪的探头发出电火花传向待测设备。
  千里之堤,溃于蚁穴。
  在产品设计、元器件筛选和制造过程的每一个环节出了问题,都可能酿成灾难性事故,而ESD测试是发现设计问题、考验元器件质量和查找制造缺陷的有效手段。
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