关于ESD原理及防护,这篇文章太专业了!点赞!
发布时间:2019-05-28 14 来源: 互联网 浏览量:19

1、何谓ESD

ESD(Electrostatic Discharge)俗称静电放电,是电磁兼容标准EMC的管控内容之一。ESD的本质是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果。

其显著特点是:① 高电位 ——最高达数万伏以至数十万伏; 作用时间短。

2、ESD产生机理    

静电:处于不同带电序列位置(介电系数不同)的物体之间接触分离,使物体正负电荷失去平衡而发生的现象。

静电放电:静电源与其他物体接触时,依据电荷中和的原则,存在着电荷流动,传送足够的电量以抵消电压。这个高速电量的传送过程中,将产生潜在的破坏电压、电流以及电磁场à这个过程就是ESD。

3、ESD的危害

大多数ESD损害发生在人的感觉范围以下。人对静电放电的感知电压是3KV,而很多电子元件在几百伏甚至几十伏就会损坏。

1)静电吸附灰尘,降低元件绝缘电阻,缩短寿命。

2)静电放电破坏,使元件受损(完全破坏)

3)静电使元件潜在损伤(半击穿)

 

4、ESD放电模型

1)人体模型(Human Body Model,HBM)

带电人体碰触器件时,人体上的静电便会经碰触的脚位进入器件内,若器件有一端接地而形成放电路径时,便会发生放电。此放电过程在数百ns时间内产生数安培的瞬间放电电流,进而将器件内的电路烧毁。

对一般元件可承受的HBM 2KV来说,在2~10ns时间内,瞬间电流峰值可达1.33A。

 

2)机器模型(Machine Model,MM)

敏感器件在组装过程中会涉及很多金属夹具,当这些金属带上静电并靠近组件时,会发生快速放电。特点为低压高流,会直接烧毁组件本身。一般机器设备的电容远大于人体,可以储存更多的电荷,造成放电速度很快,电流比较HBM大数倍。

 

3)充电器件模型(Charged Device Model,CDM)

器件因摩擦或感应等因素其内部积累了静电,但在静电慢慢积累的过程中并未损伤。当器件任一脚碰触到接地导体时,器件内部的静电发生放电现象。

这种放电过程很短,约几十纳秒。这种静电模型其等效电容值和器件封装类型相关,所以放电现象很难模拟。

 

5、ESD失效机理

5.1 过电压场失效(绝缘击穿)

发生于MOS器件(包括MOS电容)和固体胆电容,电极间电场超过其临界场强。

5.2过电流失效(热失效)

多发生于双极型器件,PN结二极管、肖特基二极管等。温度越高,越容易发生此失效。

实际元器件发生哪种失效,取决于静电放电回路的绝缘程度。

1)若放电回路阻抗较低,绝缘性差,元器件往往会因放电期间产生过流导致高温损伤à过电流失效

2)若放电回路阻抗较高,绝缘性好,元器件往往发生高电压损伤à过电压损伤

6、ESD防护(针对作业及包装环境)

1)静电源接地à静电带及工作表面接地。

2)静电屏蔽à静电屏蔽袋。

3)离子中和à离子风机、离子气枪。

7、ESD防护实际应用电路

利用TVS二极管的特性来保护电路免受ESD的冲击。

TVS全称是瞬态抑制二极管(Transient Voltage Suppressor),是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时,它能以10的负12次方秒量级的速度,将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值,有效地保护电子线路中的精密元器件,免受各种浪涌脉冲的损坏。

典型应用电路解析:

此电路为双向ESD防护,USB排插处进行拔插时可能会产生正负方向的ESD,而此电路能将这两种情况下的静电释放掉。

 

1) 当USB+有正向大的(比如+8KV)ESD产生时,下位的TVS二极管将从高阻态变为低阻态,ESD将会从地端释放掉。

 

2) 当USB+有负向大的(比如-8KV)ESD产生时,上位的TVS二极管将从高阻态变为低阻态,ESD将会经过VCC端回流到地端释放掉。


8、ESD器件(TVS)选型步骤

1)计算接口信号幅值的范围来确定ESD器件的工作电压。

2)根据信号类型决定使用单向或双向ESD器件。

3)根据信号速率决定该接口能承受的最大寄生电容。

4)根据电路系统的最大承受电压冲击,选择合适的钳位电压。

5)确保ESD器件可达到或超过IEC 61000-4-2 LEVEL 4。

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