- 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試要求、原理、方法
- 靜電放電對(duì)電子產(chǎn)品的影響
- 靜電放電抗擾度的預(yù)防措施
- 印刷電路板(PCB)板級(jí)的處理
- 系統(tǒng)級(jí)的處理
摘要:本文先引用EMC標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2中靜電放電測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試要求，測(cè)試原理，測(cè)試方法，再介紹常見的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電子產(chǎn)品的靜電放電要求主要講的是靜電放電對(duì)電子產(chǎn)品的影響，以及一些基本的靜電放電抗擾度的預(yù)防措施...
1引言
在真實(shí)生活中，靜電是由多種原因產(chǎn)生的，例如薄膜和卷筒之問的摩擦，膠帶的分離，物體破損，或者帶電的粒子。靜電會(huì)在各種情景，各種生產(chǎn)設(shè)備的各種流程中產(chǎn)生，而主要產(chǎn)生的原因就是重復(fù)的摩擦和分離。當(dāng)電荷累積到一定程度，物體問就會(huì)存在電勢(shì)差，接觸或者相互;;::近過程會(huì)產(chǎn)生電荷瞬問移動(dòng)，就會(huì)形成靜電放電。靜電放電經(jīng)常會(huì)影響我們?nèi)粘Ｋ玫碾娮赢a(chǎn)品的正常工作，甚至造成靜電故障。主要是靜電放電的過程是電荷移動(dòng)的現(xiàn)象，既然有電荷的移動(dòng)就有可能影響到電子產(chǎn)品的元器件的正常工作，特別是現(xiàn)代基本都是半導(dǎo)體工藝元器件。嚴(yán)重時(shí)還可能會(huì)造成元器件的損壞，靜電故障就是由靜電造成電子元件 (例如1C集成電路))損壞的一種現(xiàn)象。當(dāng)1C中發(fā)生靜電故障時(shí)，由于靜電釋放，高壓電流瞬問穿過1C內(nèi)部，破壞了高絕緣性二氧化硅(絕緣層)并損壞內(nèi)部電路。所以在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)電子產(chǎn)品的時(shí)候就應(yīng)該考慮靜電放電的影響。
為了模仿電子產(chǎn)品在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中可能遭受的靜電放電影響，國際標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制訂了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，斤民多國家或者地區(qū)都會(huì)自接采用這些標(biāo)準(zhǔn)作為本國或本地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。特別是歐洲，凡是進(jìn)入歐盟市場(chǎng)的電子電器產(chǎn)品必須符介EM(指令((2004/108/EC)要求，靜電放電是EM(試驗(yàn)之一。
2國際標(biāo)準(zhǔn)的靜電放電測(cè)試要求
在國際標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制訂的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中，包括有基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。其中靜電放電測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)之一，有時(shí)候也叫測(cè)試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。靜電放電測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)1EC61000- 4- 2講述了測(cè)試原理、等級(jí)、方法等幾個(gè)方而的內(nèi)容。1EC61000- 4- 2定義了四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試等級(jí)和一個(gè)開放等級(jí)見表1。放電測(cè)試發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)見表2及放電波形如圖1所示。然后是介紹了靜電放電測(cè)試布置和測(cè)試方法，1EC61000- 4- 2使用了兩種小同的測(cè)試方法:一種是接觸放電。intact discharge，是自接對(duì)EUT放電這是首選的測(cè)試方法，如果接觸放電小能被施加到EUT，接觸放電還有問接接觸放電即對(duì)水平禍介板HCP和垂自禍介板VCP放電測(cè)試模式圖2，另外一種方法空氣放電Air discharge可以使用，其實(shí)一般產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求的抗擾度靜電放電測(cè)試都要求兩種方法進(jìn)行測(cè)試。1EC61000- 4- 2典型測(cè)試布置圖如圖3所示。
C級(jí)判定((Criterion C):指產(chǎn)品功能在測(cè)試前可正常被操作，但測(cè)試過程中受ESD放電影響，出現(xiàn)功能降低或異常，且功能無法自動(dòng)回復(fù)，必須經(jīng)由操作人員做重置(Re- set)或重開相L的動(dòng)做才能回復(fù)功能，這情形則僅符介C級(jí)判定結(jié)果。
D級(jí)判定((Criterion功:指產(chǎn)品功能在測(cè)試前可正常被操作，但測(cè)試過程中出現(xiàn)異常，雖經(jīng)由操作人員做重置(Re- set)或重開機(jī)也小能回復(fù)功能，這種情況大概產(chǎn)品已損傷嚴(yán)重，僅符介D級(jí)判定結(jié)果。(這屬小介格)。
依lEC 61000- 4- 2法規(guī)建議，產(chǎn)品采購驗(yàn)證必須符介A級(jí)或B級(jí)的判定才能接受，C級(jí)和D級(jí)判定是小介格的。
常見歐洲標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)抗擾度要求，如家電類EN55014- 2，音視頻類EN55020，信息技術(shù)類EN55024，燈具類EN61547等都有規(guī)定ESD的等級(jí)和測(cè)試要求。這幾類產(chǎn)品的ESD要求是:接觸放電1 4kV，空氣放電1 8kV。
我們知道1EC61000- 4- 2規(guī)定的都是對(duì)成品的產(chǎn)品所做的試驗(yàn)，也就是最終自接到用戶乎上的產(chǎn)品。但是可能還有些疑惑，就是我們常見到有些靜電放電的技術(shù)文檔會(huì)講到靜電放電的幾個(gè)模式HBM. MM. CDIVIo而小是接觸放電和空氣放電兩種方式。其實(shí)兩種靜電放電的測(cè)試環(huán)境是小同的，Contactdischarge和Air discharge對(duì)應(yīng)的是測(cè)試最終產(chǎn)品的，是對(duì)系統(tǒng)級(jí)來做的測(cè)試。HBM. MM. CDM是在生產(chǎn)過程中靜電放電模式，是對(duì)生產(chǎn)制造級(jí)的測(cè)試。HBM是人體模式，即模擬人體帶電放電;MM是機(jī)器模式，是指帶電機(jī)器通過設(shè)備到地放電；CDM是帶電器件模式，模擬帶電器件通過金屬板放電。而且這兩種測(cè)試環(huán)境對(duì)最終產(chǎn)品能否通過ESD測(cè)試都有重要影響。這兩者是有各自的意義。
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3靜電放電影響及處理方法
1EC6100- 4- 2講的是對(duì)應(yīng)用戶級(jí)的ESD測(cè)試，主要也就是講Contact discharge和Air discharge兩種小同方式下的ESDo看產(chǎn)品能否通過相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)要求。靜電放電對(duì)系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試產(chǎn)生的影響，輕者產(chǎn)品會(huì)發(fā)生一些另用戶小愉快的現(xiàn)象或者小能正常工作，重者整個(gè)系統(tǒng)硬件損壞小可恢復(fù)。所以我們必須考慮ESD的影響以及相應(yīng)的處理方法。
我們知道靜電放電的產(chǎn)生是因?yàn)殡姾傻囊苿?dòng)。那么我們可以考慮兩個(gè)主要的方法，一是防比靜電對(duì)電路放電，二是快速把電荷疏導(dǎo)，當(dāng)然對(duì)電荷的疏導(dǎo)也就是會(huì)產(chǎn)生放電，放電產(chǎn)生的電場(chǎng)對(duì)電路的影響我們也是要考慮的。
4對(duì)ESD防護(hù)的處理可以從兩方而入乎:一是印刷電路板(PCB)板級(jí)的處理，二是系統(tǒng)級(jí)的處理
PCB板級(jí)的處理，當(dāng)然包括元器件，主要是半導(dǎo)體芯片，因?yàn)槎鄶?shù)情況下受ESD影響都是半導(dǎo)體芯片，也就是半導(dǎo)體集成電路(1C)。對(duì)于芯片的保護(hù)可以加一些抑制器件將ESD的十?dāng)_降低，或者增加釋放回路使電荷通過旁路釋放，還可以添加濾波電路等方式降低ESD給電路帶來的影響。如圖4所示。必須注意以上的措施都要在ESD敏感，或者自接施加ESD的接日附近增加，因?yàn)槿绻胧┘拥牡胤叫〗槔磉€可能引入放電電流。常用的這些器件包括電感電阻電容,TVS管，現(xiàn)在還有專門的ESD保護(hù)器件。同時(shí)在進(jìn)行PCB布線的時(shí)候要避免銳角走線的出現(xiàn)如圖5中A的布線方式要避免，我們都}一分清楚尖端有放電和吸收電荷的特性，想想避雷針就知道。銳角的布線尖角處是容易引發(fā)ESD的，那么放電電流就會(huì)影響到鄰近的電路，如果電流足夠大可以把芯片損壞，況且這種走線也會(huì)引起信號(hào)突變。
系統(tǒng)級(jí)的處理，主要就是結(jié)構(gòu)布局的考慮。比如金屬外殼的散熱問隙小連續(xù)的接地而斷裂帶會(huì)引起放電如圖6，如果正對(duì)的是ESD敏感電路，就可能會(huì)產(chǎn)生小良的影響。我們可以加一層絕緣層或者屏蔽層將缺日與電路之問隔斷。還有螺釘也有尖端二次放電的作用如圖7所示。而且電子產(chǎn)品須要有開關(guān)及按鈕，因此要防比ESD能量從開關(guān)或按鈕進(jìn)入電路板傷及組件，可采用導(dǎo)電材質(zhì)的墊片或墊圈以阻擋ESD電流。如果是非金屬材質(zhì)的外殼，電子產(chǎn)品的按鍵或者開關(guān)可以用高絕緣和耐高壓的墊片隔離靜電。我覺得在系統(tǒng)級(jí)的處理兩個(gè)
ESD都小通過，產(chǎn)品通過ESD的機(jī)會(huì)就很微。在做過的ESD試驗(yàn)中，也常碰到小滿足ESD測(cè)試要求的產(chǎn)品。如有一廠家的一款電表，8kV對(duì)而板(主要是液晶屏)正負(fù)空氣放電(死機(jī))，在而板內(nèi)側(cè)}lJt上防靜電薄膜就可以了，而換成普通薄膜小行，這個(gè)其實(shí)就是外加屏蔽。但是同一廠家另外一款電表同樣的問題(小同電路設(shè)巾，用同樣的方法卻沒有解決ESD問題，也嘗試過在敏感電路部分加旁路，也是沒有解決。最終只能回去重新做PCB，而且是加了ESD抑制器件，還在CPU部分電路力}}了屏蔽罩，重新測(cè)試ESD才通過了。還有一個(gè)例子，電池供電的鑰匙扣電子相框塑料外殼，剛好是外殼結(jié)介處8kV的空氣放電小通過。做HCP和VCl〕的ESD試驗(yàn)都是可以的。因?yàn)镻CB layout很小，而且元器件很密集，很難從中改動(dòng)。最后只能力}}絕緣層，做個(gè)模將PCB包起來了，雖然類似這種做法都是結(jié)構(gòu)上的考慮，但是在測(cè)試上確很實(shí)用。當(dāng)然了這個(gè)做法在生產(chǎn)上就算可行，也是增加小少成本。由此也看到，盡管IEC6100- 4- 2測(cè)試的是系統(tǒng)級(jí)的ESD，但在設(shè)計(jì)階段就要考慮到ESD,小是光生產(chǎn)出產(chǎn)品之后才考慮ESD。這樣小僅可以保證產(chǎn)品的順利生產(chǎn)還可以節(jié)省一些成本。對(duì)ESD的考慮包括設(shè)計(jì)階段到成品，處理的措施也是從PCB板級(jí)到系統(tǒng)級(jí)，這些都是對(duì)應(yīng)的。當(dāng)我們明自了測(cè)試原理方法以及測(cè)試的目的，對(duì)于ESD就小會(huì)無所適從了。
5小結(jié)
通過工作上的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，希望能夠幫助到有這方而需求的朋友，也希望在這方而與大家進(jìn)行交流，共同提高。標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試技術(shù)小斷更新進(jìn)步，斤民多東西等著我們?nèi)W(xué)習(xí)，更多的問題需要我們?nèi)ソ鉀Q。我相信只要肯研究，小斷學(xué)習(xí)，斤民多問題都是可以解決的，只是方法措施完善程度。希望大家的共同努力小僅在系統(tǒng)級(jí)上有能夠抵制ESD的產(chǎn)品，在生產(chǎn)制造上也能夠有抵制強(qiáng)ESD的IC推出。解決ESD問題那就小再是麻煩的事情。
