静电放电防护设计规范与指南模板.doc

第一章 概述21.1静电和静电放电21.2 静电放电特点31.3静电放电类型3第二章 静电放电模型42.1人体带电模型42.2 场增强模型（人体-金属模型）42.3 带电器件模型5第三章 静电放电危害53.1 ESD造成元器件失效53.2 ESD引发信息犯错，造成设备故障53.3 高压静电吸附尘埃微粒6第四章 ESD防护设计指南64.1 设备ESD防护设计要求64.2 PCBESD防护设计要求74.3 通讯端口ESD防护设计要求10第五章 经典案例145.1 某宽带园区接入产品防静电设计145.2 某小容量带宽接入产品防静电设计155.3 某产品和结构工艺相关防静电案例165.4 ESD试验使某单板程序“跑飞”165.5 试验使单板复位18第一章 概述1.1静电和静电放电静电式物体表面静止电荷。物体在接触、摩擦、分离、感应、电解等过程中，发生电子或离子转移，整电荷和负电荷在局部范围内失去平衡，就形成了静电。带有静电物体称为带电体。当带电体表面周围静电场梯度大到一定程度，超出周围介质绝缘击穿场强时，介质将会发生电离，从而造成带电体点和部分电荷部分或全部中和。这种现象我们称之为静电放电(ESD)。静电放电能够出现在两个物体之间，也可由物体表面静电荷直接向空气放电。人体因为本身动作和和其它物体接触、分离。摩擦或感应等原因，能够带上几千伏甚至上万伏静电。在干燥季节，大家在黑暗中托化纤衣服时，常常会听到“啪啪”声音，同时还会看到火花，这就是人体静电放电现象。在工业生产中，人是关键静电干扰源之一。1.2 静电放电特点1、静电放电时高电位，强电场，瞬时大电流过程大多数情况下静电放电过程往往会产生瞬时脉冲大电流，尤其是带电导体或手持小金属物体带电人体对接地体产生火花放电时，产生瞬时电流强度可达成几十安培甚至上百安培。2、静电放电会产生强烈电磁辐射形成电磁脉冲在静电放电过程中，会产生上升时间极快、连续时间极短初始大电流脉冲，并产生强烈电磁辐射，形成静电放电电磁脉冲，它电磁能量往往会引提议电子系统中敏感部件损坏、翻转，使一些装置中电火工品误爆，造成事故。1.3静电放电类型静电放电类型关键有下面三种：1、电晕放电 电晕放电是在不均匀电场中以布局击穿形式表现出来一个气体放电，其特点是放电能量较低，在尖端电极上展现微弱发光现象，并伴随极间电压升高，发光区域不停增大，在电压足够高时，展现连续拂尘状光体。2、 刷形放电 刷形放电是发生于导体和绝缘体之间一个放电形式。其放电通道一端含有放电集中点，另一端呈分枝状散开，并伴有放电声光。刷形放电能量较大，声、光比通常电晕放电显著。3、 火花放电 火花放电是当两个电极间电压足够高，致使气体全路径被击穿一个放电形式。火花放电时，放电通道成为导电性，电极上积蓄电荷瞬时被中和，放电火花随之消失。火花放电产生放电电流及电磁脉冲含有较大破坏力，它可对部分敏感电子器件和设备造成危害。第二章 静电放电模型静电放电时一个复杂多变过程。静电放电有很多不一样形式，能产生静电放电静电源多个多样。针对静电放电这种复杂性，为了有效地对静电放电危害及其效应进行正确评定，大家对实际中多种可能产生危害静电源进行了研究，依据各自特点建立了对应ESD模型。下面是多个常见模型。2.1人体带电模型人体是产生静电危害最关键静电源之一。人体带电模型是为了模拟带点人体和物体接触时静电放电效应而建立。人体带电模型电路网络是一个电容和一个电阻串联结构，称为单RC电气结构。其中，电容C和电阻R取值对不一样行业有所不一样。在电子器件静电敏感度测试中，美军标MIL-STD-1686A要求参数值是：电容100pF,电阻1.5k。对电火工品静电敏感度测试，美军标MIL-STD-1512采取参数值是：电容500pF，电阻5k。在汽车制造业中，人体模型通常采取参数是电容330pF，电阻2k.。2.2 场增强模型（人体-金属模型）场增强模型是用来模拟带电人体经过手持小金属物件，如螺丝刀，钥匙等，对其它物体产生放电时情形，所以这一模型又被称为人体-金属模型。当带电人体手持小金属物件时，因为金属物件尖端效应，使得其周围场强大大增强，再加上金属物件点击效应，造成放电时等效电阻大大减小。所以在相同条件下，它产生放电电流峰值比单独人体放电要大，放电连续时间短。 场增强模型电路结构为双RLC电气结构，其基础原理以下：图2-1双RLC人体静电放电模型图中CB、RB、LB分别为人体电容、电阻及电感。CH、RH、LH分别为手、前臂及手持小金属物件电容、等效电阻及电感。IEC801-2及IEC61000-4-2标准在模拟人体静电放电时采取了上述双RLC电气模型，其要求模型参数为：CB=150pF 10%,RB=33010%，LB=0.040.2H,CH=310pF,RH=20200,LH=0.050.2H。2.3 带电器件模型电子器件本身在加工，处理、运输等过程中可能因和工作面及包装材料等接触、摩擦而带电。当带电电子器件靠近或接触导体或人体时，便会产生静电放电。因为这一放电过程是器件本身带电而引发，所以在建立这种放电模型时，把它称为带电器件模型。 带电器件模型电路网络是一个电容、一个电阻和一个电感串联结构，称为单RLC电气结构。其模型参数取值要依据器件具体情况来确定。第三章 静电放电危害3.1 ESD造成元器件失效当带电物体经过器件形成一个放电通路时或带电器件本身有一个放电通路时，就会产生ESD而造成器件失效，失效模式有突发性完全失效和潜在性缓慢失效。（1）突发性完全失效：器件芯片介质击穿或烧毁、一个或多个电参数忽然劣化，完全失去要求功效失效。通常表现为开路、短路、和电参数严重漂移。概率约10% (2)潜在性缓慢失效：器件受到ESD造成轻微损伤，器件性能劣化或参数指标下降而成为隐患，使该电路在以后工作中，参数劣化逐步加重，最终失效。概率约90%3.2 ESD引发信息犯错，造成设备故障 ESD会在设备各处产生一个幅值为几十伏干扰脉冲，引发信息犯错，造成设备故障：ESD也可产生频带几百千赫几十兆赫、电平高达几十毫伏电磁脉冲干扰。当脉冲干扰耦合到敏感电路时，也会引发信息犯错，造成设备故障。3.3 高压静电吸附尘埃微粒 静电电荷易吸附尘埃微粒，污染PCB板和半导体芯片，使其绝缘电阻下降，影响器件工作。严重时会引发器件故障（比如：CMOS电路发生闩锁）。第四章 ESD防护设计指南ESD耦合到电子通讯设备有三种方法l 直接传导l 电容耦合（电场耦合）l 电感耦合（磁场耦合）所以，电子通讯设备ESD防护关键应针对这儿种耦合方法采取方法，可总结为下列24字方针:：静电屏蔽，滤波去耦，绝缘隔离，接地泄放，良好搭接，瞬态抑制4.1 设备ESD防护设计要求对于设备级ESD防护设计，其关键应放在为静电放电设置一条通畅泄放通道。关键应做好以下几点：1、机箱金属之间要实现良好搭接。搭接处要采取面接触，避免点接触，搭接直流电阻小于2.5m，整体搭接结构中任意两导电点间直流电阻小于25m。相互搭接金属之间电化学位差小于0.6V。2、人员接触键盘，控制面板，手动控制器，钥匙锁等金属部件，应直接经过机架接地。假如不能接地，则其和电路走线和工作地绝缘距离最少应满足以下要求：空气间隙5mm，爬电距离6mm。3、机架式设备通常采取复合式接地，工作地、电源地、保护地和机架在内部要良好隔离，在机架接地螺栓处汇接或在外部接地聚集线上汇接，形成良好静电泄放通路。4、小型低速（频率小于10MHz）设备能够采取工作地浮地（或工作地单点接金属外壳），金属外壳单点接大地，使静电经过机壳泄放到地面而对内部电路无影响。5、小型高速（频率大于10MHz）设备工作地应和金属机壳实现多点接地，且金属外壳单点接大地。6、机架设备接地点和外部接地桩之间要确保可靠电气连接。接地线材料应采取多股铜钱，对于安装在移动通信基站设备，接地线截面积35mm，其它设备，接地线截面积16mm。接地线两端应接铜鼻子。4.2 PCBESD防护设计要求在ESD放电区域会产生较强突变电磁场。强瞬变电磁场首先可能使器件立即失效，或造成潜在性损伤使器件性能逐步降级：其次可能对电路产生干扰使电路不能正常工作。所以在关键电路中通常应采取ESD保护电路，如利用TVS器件、滤波器等。PCBESD防护设计关键应做好以下方法：1、接口电路应尽可能采取ESD敏感度为3级（静电损伤阈值大于4000V）或不敏感元器件：不然在输入输出接口电路上应采取保护方法。单板保护电路应紧靠对应连接器放置。 图 4-1 单板保护电路紧靠连接器放置2、 芯片保护电路应紧靠对应芯片放置，并低阻抗接地。见图4-2。图 4-2 芯片保护电路紧靠芯片放置3、易受ESD干扰器件，如NMOS、CMOS器件等，应该尽可能远离易受ESD干扰区域。4、在PCB上设置静电防护和屏蔽地以U6单板为例，在PCB板边设置图4-3所表示静电防护和屏蔽地，该地环宽度5毫米，在外层铜皮上喷锡（不要盖绿油），用过孔将各层防护地环连接，过孔和过孔之间间距控制在约1013mm（400500mil）。单板和背板防护地经过连接器材相连。静电防护和屏蔽地和工作地之间，应尽可能确保间距大于3mm。静电防护和屏蔽地环能够只在PCB板二个表面上铺设，内层上不设置防护地环。图 4-3 PCB上设置静电防护和屏蔽地5、 在满足功效要求前提下，优先选择抗静电能力强（即损伤阈值高）元器件。6、相互之间含有很多互联线元器件应尽可能相互靠近。比如I/Q器件和I/Q连接器应尽可能靠近。7、信号线应该和其回流地线紧挨一起，尽可能在每根信号线旁边安排一条地线。尽可能采取地平面或地线网络，而不采取单根地线。对于多层板。信号线应该尽可能靠近地平面走线。8、易受静电干扰信号线如时钟线、复位线等应尽可能短而宽：多层板中时钟线、复位线应在两地平面之间走线。9、对于多层板，应确保地平面完整性，地平面内不应有大开口。10、后背板上布线区（包含信号层、地层及电源层）和固定后背板金属螺钉边缘距离最少5mm以上。11、印制板地层经过接插件到后背板时，最好最少有一排接地插针，确保静电泄放地回路通畅。12、在印制板电源输入端应进行滤波，并用瞬态过电压仰制器件（TVS）仰制瞬态过电压。13、对于双面板，假如印制板上电源线引线很长，则每隔8cm应在电源和地之间接入一个0.1uF陶瓷电容器。14、全部高速逻辑器件要求安装去耦电容。集成电路电源和地之间应加0.01uF0.1uF陶瓷电容器进行去耦。去耦电容应并接在同一芯片电源端和地之间且要紧靠被保护芯片。对于电源和地有多个引脚大规模集成电路，应安装多个去耦电容。对于动态RAM器件，去耦电容容量取0.1UF为宜。15、对于大规模集体电路，尤其是EEPROM、FLASH MEMORY、EPLD、FPGA等类型芯片，每个去耦电容（0.01uF0.1uF）旁应并接一个10uF充放电钽电容或陶瓷电容。对于小规模集成电路，每10片去耦电容（0.01uF0.1uF）旁也要加接一个10uF充放电钽电容或陶瓷电容。16、CMOS器件全部不用输入端引线不许可悬空，应视不一样电路接到地、电源（源极） Vss或电源（漏极）VDD上。CMOS器件输入端假如接是高阻源，则应设计上拉或下拉电阻。17、印刷板上静电敏感器件，必需经过保护电路（设置串联电阻、分流器、箝位器件等保护装置）才能和电连接器端子相连。18、安装在印制板上含有金属外壳元器件（如复位按钮、拨码开关、晶振等），其金属外壳必需可靠接地，优先接静电保护地环，如单板没有设置静电保护地环，则接工作地。19、对于输入输出接口处信号插针和金属外壳隔离距离达不到5mm接插件，其金属外壳周围应尽可能敷设大面积覆铜地线。接插件金属部分应和机壳用最短接地线相连。20、在复位信号线靠近复位按钮输入端和地之间，和靠近复位芯片输入端和地之间分别并接0.1uF陶瓷电容；复位线应尽可能短（小于3cm为宜）而宽（大于1mm为宜）。21、操作面板上轻易被人体接触部件，如小面板、按钮、键盘、旋钮等应采取绝缘物，也能够采取带塑料薄膜金属开关面板。22、对于和内部电路无联络金属部件，如固定印刷板金属锁簧和起拔拉手，外表涂覆绝缘层，增加其绝缘强度，并和印制板内部电路（包含信号和地线层）隔离最少5mm以上。23、金属机壳和和印制板相连金属前面板应和印制板内部电路（包含信号和地线层）隔离最少5mm以上。24、印制板静电电流泄放通路地应优先选择机壳地，板上金属部件和金属接插件能就近接机壳应就近接机壳，无法就近接机壳接静电保护地环或工作地，工作地应是大面积地层。4.3 通讯端口ESD防护设计要求对通讯端口ESD防护，通常采取TVS(瞬态电压仰制器)保护器件。1、 TVS关键参数及选择标准 选择TVS器件时，关键考虑以下三个参数：截止电压VRM,峰值脉冲电流IPP和输入电容C（又称结电容）。 对于VRM，假如电路正常工作时峰值电压为V工作，则VRM可取值：VRM=（1.11.2）V工作，VRM最大不要超出工作电压1.4倍。 对于Ipp，应选择该值大于电路中预期出现电流值。对于输入电容C选择，应确保不对电路正常工作造成影响，不对传送波形产生畸变。假如TVS用于高速电路ESD防护，其输入电容C以小于15pF为宜。2、E1和Ethernet口ESD防护器件推荐下面器件是专门用于ESD防护器件，其内部带有滤波电路，能够防ESD接触放电8kV，空气放电15kV。该器件能够对E1和Ethernet口进行保护。型号：STF701，SEMTECH企业。VRM=5V，输入电容C=65pF。图 4-4 STF701 内部电路及结构图3、串口ESD防护器件推荐假如串口芯片用MAX3342，则有四路收发，八根线，可采取PROTEK企业SM16LC15C器件对串口进行保护。 以下图示器件为高速双向TVS阵列，8个信道，能够保护4个串口，防静电大于40kV。其参数为VRM=15V，C=15pF。 企业代码为：12600040。图 4-5 SM16LC15C内部电路及结构图假如串口芯片用MAX3223，则有两路收发，四根线，可采取PROTEK企业SMDA15LCC器件对串口进行保护。 其参数为VRM=15v，C=15pF。 该器件企业现在没有代码（只有SMDA05LCC,代码12600066）。假如串口芯片用MAX3221，则为单路收发，两根线，可采取PROTEK企业SM8LC12器件对串口进行保护。其参数为VRM=12V，C=25pF 企业代码为：12600043。图 4-6 SM8LC12 内部电路及封装图不过，对上述串口芯片MAX3223和MAX3221，它们全部有对应内部自带ESD保护（15KV）型号，分别为MAX3223E和MAX3221E，能够直接选择，当选择MAX3223E和MAX3221E时，不需要再加ESD保护器件。4、10/100m以太网口ESD防护器件推荐 以太网接口能够采取以下ESD、浪涌保护电路：图 4-7 以太网接口ESD、浪涌保护电路保护器件SLVU2.8-4由SEMTECH企业供给，其参数为VRM=2.8V，C=5pF.企业代码为：12600063。保护器件SMDA05LCC由PROTEK 企业供给，其参数为VRM=5V，C=15pF.企业代码为：12600066。第五章 经典案例5.1 某宽带园区接入产品防静电设计该产品防静电设计方案能够归纳以下：（1）接地系统分工作地、-48V电源地、保护地和机壳地。（2）机箱外壳采取整体折弯工艺，使插箱外形一次成型，采取整体框架式结构，机箱上下导轨采取整体金属式导轨板，并在框架专题上设置有机壳接地螺钉，确保系统整体搭接良好。（3）单板经过上下两边镀锡层在导轨槽中滑动，为确保导轨槽和单板镀锡层良好接触，在导轨槽两边加装导轨簧片；为了确保前面板之间良好搭接，面板和面板之间经过连接弹性指簧来消除间隙。（4）系统外界端口包含有百兆以太网电接口（RJ45插座）、百兆以太网光接口、千兆以太网光接口、232串口（采取RJ45插座）和VDSL线路用户端口。以上端口采取VDSL线路用户端口从背板出线，其它非用户端口全部以前端出线。为了愈加好地泄放静电电流，系统采取以下方法接地方法： a 在个单板（背板除外）前端安装各接口插座区域表层全部敷设机壳地，机壳地敷设宽度大于接口插座加上静电保护器件覆盖宽度，讲这些端口静电保护器件接地端和此机壳地相连。b 工作地层前端向内缩，从距离机壳地最少5mm处向后方敷设（该系统单板工作地之间间隔8mm），端口隔离变压器跨接在机壳地和工作地之间，接口信号线走在制板内层，经过隔离变压器将在机壳地和工作地域域信号连接起来。c 为了使前端接口感应静电电流以最短路径泄放，前端机壳地和单板上下两边镀锡层相连，即机壳地就近于机壳相连，上下镀锡层和内部信号和工作地距离间隔最少5mm（该系统间隔为8mm）。 d 从后背板出线VDSL用户线端口保护地则是经过后背板插针单独接到大地上。这种接地方法能够归纳为：前端机壳地应就近接机壳，且应避开内部电路，这么能够提升整个系统静电抗扰性：后端保护地经过后背板插针引出，单独接到大地上，系统最终 引向大地地线为工作地、保护地和机壳地（由机壳接地螺钉引出）。该产品经过采取以上方法，顺利经过了接触6KV和空气8KV静电放电抗扰性试验。5.2 某小容量带宽接入产品防静电设计 某小容量宽带接入产品E1接口防静电器件选择是 SEMTECH企业LC03-6(VRM=6V ，Ipp=50A，C=8pF，SO8封装，代码为12600032），试验时可防6KV接触静电（静电枪直接对E1接口同轴外壳进行接触放电，E1接收和发送同轴外壳全部悬浮不接地）。 厂家推荐器件接法图5-1所表示。图 5-1 E1接口防静电电路图试验发觉，根据上图器件连接方法进行6KV接触静电放电时，隔离变压器线路侧引脚会放电打火，经分析发觉这种接法只仰制了差模干扰，对共模干扰信号没有泄放通路，共模干扰信号能力聚集在隔离变压器线路引脚处，累计到一定程度击穿引脚之间空气产生放电打火现象，后将LC03-6中间悬空管脚接保护地，为共模干扰提供了泄放通路，放电打火现象消失，线路正常工作；另外，此器件输入电容为线-线间12pF，线-地间25pF，对E1信号并无影响，实际试验时也是如此。5.3 某产品和结构工艺相关防静电案例某产品机箱规格为宽19英寸，高12U，前面板有10/100M以太网电接口、E1接口、232串口等，结构设计时充足考虑到了机箱各个面和支架之间良好搭接，前面板相互之间也是经过弹性指簧进行良好搭接。但在对10/100M以太网RJ45金属电接口进行6KV静电放电时，系统重新开启。对系统接地进行了检验，发觉接地方法也正确，再深入具体检验发觉，安装RJ45金属网口方形开口四面喷上了厚厚一层漆，使RJ45金属网口和前面板搭接不好，造成静电试验通不过，将漆层去掉后，系统顺利经过了接触放电6KV静电试验。5.4 ESD试验使某单板程序“跑飞”问题描述：某单板在进行ESD试验时，单板上程序“跑飞”。原因简析：图5-2 为该板TOP层丝印和走线图，不难看出，内存条距离需施以6千伏静电铝合金面板很近，不到30毫米，插入内存条时，采取高速CMOS工艺SDRAM芯片面向面板。内存条数据或地址总线上出现干扰，不能排除以下两个原因：一是SDRAM芯片在电磁脉冲作用下出现错误状态变换，二是内存条上印制线在瞬变场中产生了干扰脉冲。改善方法：原设计中布局不合理，内存条离面板边太近。改板时将板中部压缩，内存条转向180度使SDRAM芯片背向面板。更改后效果见图5-3。试验效果：故障不再出现，ESD试验顺利经过。图 5-2 原设计图图 5-3 改善后设计图5.5 试验使单板复位问题描述： 某单板在进行ESD试验时，单板上有时（概率若20%）出现复位现象。原因简析：图5-4为该板TOP层丝印和走线图，原设计中复位信号线（沿红线箭头处）长距离地走在表面，线宽8mil，而且离面板边较近。进行ESD试验时，收到快速瞬变场影响，复位信号线产生了干扰脉冲。改善方法：只将复位芯片下移，复位信号线用20线走内层。试验效果：故障不再出现，ESD试验顺利经过。图 5-4 复位线设计图