ESD静电不用怕，终极大招来了！ （看完你还怕静电吗？）

静电是人们十分熟习的一种自然现象。静电的许多功用曾经应用到军工或民用产品中，如静电除尘、静电喷涂、静电分别、静电复印等。但是，静电放电ESD（Electro-Static Discharge）却又成为电子产品和设备的一种危害，构成电子产品和设备的功用紊乱以至部件损坏。

下面谈一谈静电相关问题，在Part1文末部分引见了一种终极大招，来处置数码产品ESD静电问题，在Part2部分，例举了PCB设计过程中抗ESD问题，作了细致剖析。

Part 1 ESD静电基本问题

现代半导体器件的范围越来越大，工作电压越来越低，招致了半导体器件对外界电磁骚扰敏感水平也大大进步。ESD关于电路惹起的干扰、对元器件、CMOS电路及接口电路构成的破坏等问题越来越惹起人们的注重。电子设备的ESD也开端作为电磁兼容性测试的一项重要内容写入国度规范和国际规范。

1、静电成因及其危害

静电是两种介电系数不同的物质磨擦时，正负极性的电荷分别积聚在两个特体上而构成。当两个物体接触时，其中一个趋从于另一个吸收电子，因而二者会构成不同的充电电位。就人体而言，衣服与皮肤之间的磨擦发作的静电是人体带电的主要因之一。

静电源与其它物体接触时，依据电荷中和的机理存在着电荷活动，传送足够的电量以抵消电压。在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，严重时将其中物体击毁，这就是静电放电。

A.接触分别起电

任何两个不同物材质地物体接触后再分别即可产生静电,当两个不同物体相互接触时就会产使得一个物体失去一些电荷如电子转移到另一个物体使其带正电.而另一个物体得到一些剩余电子的物体而带负电.若在分别的过程中电荷难以中和,电荷就会积聚使物体带上静电,所以物体与其它物体接触后分别就会带上静电。

B.摩擦起电

实质上摩擦起电是一种接触又分别的构成正负电荷不均衡的过程.摩擦是一个不时接触与分别的过程.因而摩擦起电实质上是接触分别起电,而产生静电的最普通措施,就是摩擦生电.资料的绝缘性越好,越容易是运用摩擦起电。

摩擦起电是一个机械过程,依托相对名义移动传送电量.传送的电量取决于接触的次数.名义粗糙度湿度,接触压力,摩擦特性以及相对运动速度.一个人或一辆车所能带来的电量的电压值大水平上由它们的电容决议。

C.感应起电

针对导体资料而言,因电子能在它的名义自由活动,如将其置于一电场中，由于同性相斥，异性相吸，正负离子就会转移。

D.传导起电

针对导电资料而言,因电子能在它的名义移动,如带电物体接触,将会发作电荷转移。

国度规范中定义：静电放电是具有不同静电电位的特体相互靠近或直接接触惹起的电荷转移，普通用ESD表示。ESD会招致电子设备严重损坏或操作失常。

静电对器件构成的损坏有显性和隐性两种。隐性损坏在当时看不出来，但器件变得更脆弱，在过压、高温等条件下极易损坏。

ESD两种主要的破坏机制是：由ESD电流产生热量招致设备的热失效；由ESD感应出过高电压招致绝缘击穿。两种破坏可能在一个设备中同时发作，例如，绝缘击穿可能激起大的电流，这又进一步招致热失效。 除容易构成电路损伤外，静电放电也极易对电子电路构成干扰。静电放电对电子电路的干扰有二种方式。一种是传导干扰，另一种是辐射干扰。

2、数码产品的结构及其ESD问题

往常各类数码产品的功用越来越强大，而电路板却越来越小，集成度越来越高。并都或多或少的装有部分接口用于人机交互，这样就存在着人体静电放电的ESD问题。普通数码产品中需求中止ESD防护的部位有：USB接口、HDMI接口、IEEE1394接口、天线接口、VGA接口、DVI接口、按键电路、SIM卡、耳机及其他各类数据传输接口。

ESD可能会构成产品工作异常、死机，以至损坏并引发其他的保险问题。所以在产品上市之前，国内或国外检测部门都请求中止ESD和其它浪涌冲击的测试。其中接触放电需求抵达±8kV，空气放电需求抵达±15kV，这就对ESD的设计提出了较高的请求。

3、数码产品中ESD问题处置与防护

3.1 产品的结构设计

假如将释放的静电看成是洪水的话，那么主要的处置措施与治水相似，就是“堵”和“疏”。假如我们设计的产品有一个理想的壳体是密不透风的，静电也就无从而入，当然不会有静电问题了。但实践的壳体在合盖处常有缝隙，而且许多还有金属的装饰片，所以一定要加以留意。

其一，用“堵”的措施。尽量增加壳体的厚离，即增加外壳到电路板之间的距离，或者经过一些等效措施增加壳体气隙的距离，这样能够避免或者大大减少ESD的能量强度。

经过结构的改进，能够增大外壳到内部电路之间气隙的距离从而使ESD的能量大大削弱。依据阅历，8kV的ESD在经过4mm的距离后能量普通衰减为零。

其二，用“疏”的措施，能够用EMI油漆喷涂在壳体的内侧。EMI油漆是导电的，能够看成是一个金属的屏蔽层，这样能够将静电导在壳体上；再将壳体与PCB（Printed Circuit Board）的地衔接，将静电从地导走。这样处置的措施除了能够避免静电，还能有效抑止EMI的干扰。假如有足够的空间，还能够用一个金属屏蔽罩将其中的电路维护起来，金属屏蔽罩再衔接PCB的GND。

总之，ESD设计壳体上需求留意很多中央，首先是尽量不让ESD进入壳体内部，最大限度地削弱其进入壳体的能量。关于进入壳体内部的ESD尽量将其从GND导走，不要让其危害电路的其它部分。壳体上的金属装饰物运用时一定要当心，由于很可能带来意想不到的结果，需求特别留意。

3.2 产品的PCB设计

往常产品的PCB（Printed Circuit Board）都是高密度板，通常为4层板。随着密度的增加，趋向是运用6层板，其设计不时都需求思索性能与面积的均衡。一方面，越大的空间能够有更多的空间摆放元器件，同时，走线的线宽和线距越宽，关于EMI、音频、ESD等各方面性能都有益处。另一方面，数码产品设计的小巧又是趋向与需求。所以，设计时需求找到均衡点。就ESD问题而言，设计上需求留意的中央很多，特别是关于GND布线的设计以及线距，很有考究。有些产品中ESD存在很大的问题，不时找不到缘由，经过重复研讨与实验，发现是PCB设计中的呈现的问题。为此，这里总结了PCB设计中应该留意的要点：

(1)PCB板边（包含通孔Via边疆）与其它布线之间的距离应大于0.3mm；

(2)PCB的板边最好全部用GND走线包抄；

(3)GND与其它布线之间的距离坚持在0.2mm～0.3mm；

(4)Vbat与其它布线之间的距离坚持在0.2mm～0.3mm;

(5)重要的线如Reset、Clock等与其它布线之间的距离应大于0.3mm;

(6)大功率的线与其它布线之间的距离坚持在0.2mm～0.3mm；

(7)不同层的GND之间应有尽可能多的通孔（VIa）相连；

(8)在最后的铺地时应尽量避免尖角，有尖角应尽量使其平滑。

3.3 产品的电路设计

在壳体和PCB的设计中，对ESD问题加以留意之后，ESD还会不可避免地进入到产品的内部电路中，特别是以下一些端口：USB接口、HDMI接口、IEEE1394接口、天线接口、VGA接口、DVI接口、按键电路、SIM卡、耳机及其他各类数据传输接口，这些端口很可能将人体的静电引入内部电路中。所以，需求在这些端口中运用ESD防护器件。

以往主要运用的静电防护器件是压敏电阻和TVS器件，但这些器件普遍的缺陷是响应速度太慢，放电电压不够精确，极间电容大，寿命短，电性能会因多次运用而变差。所以目前行业中普遍运用专业的“静电抑止器”来取代以往的静电防护器件 。“静电抑止器”是专业处置静电问题的产品，其内部结构和工作原理比其他产品更具科学性和专业性。它由Polymer高分子资料制成，内部菱形分子以规则离散状排列，当静电电压超越该器件的触发电压时，内部分子疾速产生尖端对尖端的放电，将静电在瞬间泄放到地。它最大特性是反响速度快（0.5ns～1ns）、十分低的极间电容（0.05pf～3pf），很小的漏电流（1μA），十分合适各种接口的防护。

由于静电抑止用具有体积小、无极性、反响速度快等诸多优点，往常的设计中运用静电抑止器作为防护器件的比例越来越多，在运用时应留意以下几点：

1、将该器件尽量放置在需求维护的端口左近；

2、到GND的连线尽可能短;

3、所接GND的面积尽可能大。

ESD 的问题是众多重要问题之一。在不同的电子设备中有不同的方式来避免对电路的危害。由于往常的数码产品体积小、密度大，在 ESD 的防护上有独到的特性。经过大量的静电测试实考证明，采用本文的设计措施处置，将一个原本± 2kV 放电就会死机的产品加以维护和改进，在± 8kV 的静电放电状况下依然能够稳定工作，起到了很好的静电防护效果。随着电子设备运用的日益普遍， ESD 设计是每一个结构设计工程师和电子设计工程师需求重点关怀的问题，经过不时总结与学习， ESD 问题将不再是一个难题！

Part 2 浅谈设计PCB时抗ESD的措施

在PCB板的设计当中,能够经过火层、恰当的规划布线和装置完成PCB的抗ESD设计。在设计过程中,经过预测能够将绝大多数设计修正仅限于增减元器件。经过调整PCB规划布线,能够很好地防备ESD。以下是一些常见的防备措施。

尽可能运用多层PCB,相关于双面PCB而言,地平面和电源平面,以及排列紧密的信号线-地线间距能够减小共模阻抗和理性耦合,使之抵达双面PCB的 1/10到1/100。尽量地将每一个信号层都紧靠一个电源层或地线层。关于顶层和底层名义都有元器件、具有很短衔接线以及许多填充地的高密度PCB,能够思索运用内层线。

关于双面PCB来说,要采用紧密交错的电源和地栅格。电源线紧靠地线,在垂直和水平线或填充区之间,要尽可能多地衔接。一面的栅格尺寸小于等于60mm,假如可能,栅格尺寸应小于13mm。

确保每一个电路尽可能紧凑。

尽可能将一切衔接器都放在一边。

假如可能,将电源线从卡的中央引入,并远离容易直接遭受ESD影响的区域。

在引向机箱外的衔接器(容易直接被ESD击中)下方的一切PCB层上,要放置宽的机箱地或者多边形填充地,并每隔大约13mm的距离用过孔将它们衔接在一同。

在卡的边沿上放置装置孔,装置孔周围用无阻焊剂的顶层和底层焊盘衔接到机箱地上。

PCB装配时,不要在顶层或者底层的焊盘上涂覆任何焊料。运用具有内嵌垫圈的螺钉来完成PCB与金属机箱/屏蔽层或接空中上支架的紧密接触。

在每一层的机箱地和电路地之间,要设置相同的“隔离区”;假如可能,坚持距离距离为0.64mm。

在卡的顶层和底层靠近装置孔的位置,每隔100mm沿机箱地线将机箱地和电路地用1.27mm宽的线衔接在一同。与这些衔接点的相邻处,在机箱地和电路地之间放置用于装置的焊盘或装置孔。这些地线衔接能够用刀片划开,以坚持开路,或用磁珠/高频电容的跳接。

假如电路板不会放入金属机箱或者屏蔽装置中,在电路板的顶层和底层机箱地线上不能涂阻焊剂,这样它们能够作为ESD电弧的放电极。

要以下列方式在电路周围设置一个环形地：

(1)除边沿衔接器以及机箱地以外,在整个外围周围放上环形地通路。

(2)确保一切层的环形地宽度大于2.5mm。

(3)每隔13mm用过孔将环形地衔接起来。

(4)将环形地与多层电路的公共地衔接到一同。

(5)对装置在金属机箱或者屏蔽装置里的双面板来说,应该将环形地与电路公共地衔接起来。不屏蔽的双面电路则应该将环形地衔接到机箱地,环形地上不能涂阻焊剂,以便该环形地能够充任ESD的放电棒,在环形地(一切层)上的某个位置处至少放置一个0.5mm宽的间隙,这样能够避免构成一个大的环路。信号布线离环形地的距离不能小于0.5mm。

在能被ESD直接击中的区域,每一个信号线左近都要布一条地线。

I/O电路要尽可能靠近对应的衔接器。

对易受ESD影响的电路,应该放在靠近电路中心的区域,这样其他电路能够为它们提供一定的屏蔽作用。

通常在接纳端放置串联的电阻和磁珠,而对那些易被ESD击中的电缆驱动器,也能够思索在驱动端放置串联的电阻或磁珠。

通常在接纳端放置瞬态维护器。用短而粗的线(长度小于5倍宽度,最好小于3倍宽度)衔接到机箱地。从衔接器出来的信号线和地线要直接接到瞬态维护器,然后才干接电路的其他部分。

在衔接器处或者离接纳电路25mm的范围内,要放置滤波电容。

(1)用短而粗的线衔接到机箱地或者接纳电路地(长度小于5倍宽度,最好小于3倍宽度)。

(2)信号线和地线先衔接到电容再衔接到接纳电路。

要确保信号线尽可能短。

信号线的长度大于300mm时,一定要平行布一条地线。

确保信号线和相应回路之间的环路面积尽可能小。关于长信号线每隔几厘米便要互换信号线和地线的位置来减小环路面积。

从网络的中心位置驱动信号进入多个接纳电路。

确保电源和地之间的环路面积尽可能小,在靠近集成电路芯片每一个电源管脚的中央放置一个高频电容。

在距离每一个衔接器80mm范围以内放置一个高频旁路电容。

在可能的状况下,要用地填充未运用的区域,每隔60mm距离将一切层的填充地衔接起来。

确保在恣意大的地填充区(大约大于25mm×6mm)的两个相反端点位置处要与地衔接。

电源或地平面上启齿长度超越8mm时,要用窄的线将启齿的两侧衔接起来。

复位线、中缀信号线或者边沿触发信号线不能布置在靠近PCB边沿的中央。

将装置孔同电路公地衔接在一同,或者将它们隔分开来。

(1)金属支架必须和金属屏蔽装置或者机箱一同运用时,要采用一个零欧姆电阻完成衔接。

(2)肯定装置孔大小来完成金属或者塑料支架的牢靠装置,在装置孔顶层和底层上要采用大焊盘,底层焊盘上不能采用阻焊剂,并确保底层焊盘不采用波峰焊工艺中止焊接。

不能将受维护的信号线和不受维护的信号线并行排列。

要特别留意复位、中缀和控制信号线的布线。

(1)要采用高频滤波。

(2)远离输入和输出电路。

(3)远离电路板边沿。

PCB要插入机箱内,不要装置在启齿位置或者内部接缝处。

要留意磁珠下、焊盘之间和可能接触到磁珠的信号线的布线。有些磁珠导电性能相当好,可能会产生意想不到的导电途径。

假如一个机箱或者主板要内装几个电路板,应该将对静电最敏感的电路板放在最中间。

来源：电子工程专辑

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