静电放电保护基本原理简介
静电放电防护的基本原理和原则
静电放电防护的基本原理和原则静电放电防护的基本原理和原则一、发生ESD损伤的三种情况1、带有表龟的导体（人体、设备等）对处于接地的器件发生放电造成损伤；2、器件带有静电与导体发生放电造成损伤；3、在静电场中，器件接触接地的导体发生放电造成损伤。
二、ESD防护四项基本原则1、等电位连接：与敏感器件接触的导体实现等电位连接，避免因导全带静电发生放电；2、静电源控制：绝缘材料的静电通过接地和等电位连接无法消除，因此必须对敏感器件周边进行静电源控制；3、防静电包装：出ESD防护区的器件必须使用防静电包装，以防外界静电源的影响；4、安全第一：ESD防护措施不能降低安全水准，如安全与之冲空，安全第一。
三、基本技术手段1、等电位：基本原理：等到电位状态下不发生放电。
做法：①所有可能接触器件的物体使用并连接（共同连接点）；②接地系统间进行跨接避免电势差。
2、接地：基本原理：将静电通过接地线或接地装置传导泄放到大地。
做法：①建立静电接地系统；②静电导电材料的使用；③两种方式：硬功夫接地和软接地。
3、离子化中和：基本原理：电离空气产生正负离子，中和静电电荷。
做法：①离子风机、离子风枪、离子吧；②自感式的离子静电消除器。
4、阻值控制：基本原理：通过电阻控制，控制过强的表龟泄放或放电，同时保证人体安全。
做法：①静电耗散材料的使用；②连接安全限流电阻。
5、静电放电屏蔽：基本原理：屏蔽静电场，阻隔静电放电电流通过敏感器件。
做法：①静电屏蔽材料和屏蔽容器的使用；②绝缘材料和阻隔结构。
6、湿度控制：基本原理：增加湿度减少静电的产生，降低摩擦电压。
做法：①控制湿度在40~70%（满足多数标准的要求）。
7、材料选择和工艺控制避免产生静电：基本原理：通过使用不产生或产生静电小的材料，减少静电；材料表面光洁，减少静电；静电序列的应用。
做法：①使用抗静电材料；②使用抗静电剂。
8、标识和标注：对敏感器件进行标识避免当作非敏感器件存放、运输和操作；对ESD防护用品和材料进行标识，以表明其功能，防止超出有效期使用；对EPA（ESD保护工作区，工作站）进行标识；对EPA中可能存在的风险进行警示（IEC）；对接地点进行标识；涉及到敏感器件的文件、设计图纸进行标注（IEC）；对EPA中的设备进标识（IEC）。
静电放电与防护基础知识
静电放电与防护基础知识CATALOGUE 目录•静电放电概述•静电放电的物理机制•静电放电的防护措施•静电放电的监测与测量•静电放电的危害及案例分析CHAPTER静电放电概述静电放电（Electrostatic Discharge, ESD）是指不同静电电位物体之间由于存在静电力作用而产生的静电电荷转移现象。
静电放电通常发生在两个具有不同静电电位的物体之间，如带电体与接地体之间、带电体与带异种电荷的带电体之间。
静电放电过程中，静电电荷的转移会导致静电电位差消失，从而消除或减少物体之间的静电力。
静电放电定义静电放电可能会对电子设备、电器、人体等造成危害，如电击、火灾、过电压等。
在电子设备中，静电放电可能会导致器件损坏、电路板故障等问题，从而降低设备性能或使其失效。
静电放电现象包括火花放电、电晕放电、表面放电等。
静电放电现象及危害静电放电模型CHAPTER静电放电的物理机制电介质材料的电阻率大于10^12 Ω·m时，可视为绝缘体。
绝缘体的电导率极低，在静电场作用下，其内部的电流极小。
绝缘体的电介质在静电场作用下不易极化，即电介质在静电场中的电导率几乎为零。
电介质绝缘性能123电介质在静电放电下的绝缘性能变化静电放电产生的电磁场具有较高的频率和较短的持续时间。
在静电放电过程中，电流主要集中在电介质材料的表面。
静电放电的电流波形具有脉冲形式，其上升时间和持续时间取决于电介质材料的性质和静电场的强度。
静电放电的电磁场和电流特性CHAPTER静电放电的防护措施防静电设施和装备01020304防静电工作台防静电椅手腕带脚腕带静电屏蔽接地离子化防静电涂料静电放电防护原理及技术0102静电放电敏感度等级和防护措施选择CHAPTER静电放电的监测与测量静电监测器静电接地是一种将静电荷导入地面的方法，通过将设备或部件连接到接地网络，以确保其电位与地面相同。
静电接地静电消除器静电电荷测量仪静电电荷测量仪是一种用于测量静电电荷的仪器，它可以通过测量物体携带的电荷量来评估静电电荷。
esd防护电容的原理
esd防护电容的原理
ESD（静电放电）防护电容的原理是通过电容器的电容特性来提供对静电放电的阻抗，从而保护电路及其相关设备免受静电放电造成的损害。
在正常情况下，电容器不会对电流产生阻碍，因此对正常的电路运行没有任何影响。
然而，当电容器接收到一个短时间内的高电压冲击，如静电放电时，其电容特性会导致电容器迅速充电，阻碍过高电压通过。
这样就使得电容器充当了一个“排放器”，吸收和分散高电压，保护了电路及其相关设备。
ESD防护电容通常由片式电容器构成，具有高电压容忍度、低电感和低内阻等特点，能够有效地吸收和降低静电放电所产生的高电压脉冲。
这样，ESD防护电容就能够保护电路中的敏感元件，如集成电路、晶体管等，免受静电放电引起的电压过高而产生的损坏。
静电放电(ESD)防护
静电放电（ESD）防护简述2015.9.30一、静电的产生静电放电是一种客观的自然现象，产生的方式有：摩擦起电、离子溅射（单一极性）、接触充电、感应或极化，及其他如：剥离，破裂，点解，压电，热电等。
人体自身的动作或其他物体的接触，分离，摩擦或感应等因素，可以产生几千伏甚至上万伏的静电。
静电在多个领域造成严重危害，摩擦起电和人体静电是电子工业中的两大危害。
1、摩擦起电哪里有移动，哪里就有静电。
人的走动，物料周转，甚至是空气、水流动，都会产生摩擦静电。
当液体、固体和气体颗粒接触又分离，起电量受“接触紧密度”，“分离速度”，“摩擦运2、接触充电带电物体通过接触将电荷传导给未带电物体。
带电绝缘体仅能从较小面积释放电荷，而带电导体能释放大量电荷给另一导体。
二、静电放电模型因ESD产生的原因及其对集成电路放电的方式不同，经过统计，ESD放电模型分四类：人体放电模式、机器放电模式、组件充电模式、电场感应模式。
1、人体放电模式（Human-Body Model,HBM）人体放电模式（HBM）的ESD是指因人体在地上走动摩擦或其它因素在人体上已累积了静电，当此人去触碰到IC时，人体上的静电便会经由IC的脚（pin）而进入IC内，再经由IC放电到地去。
此放电的过程会在短到几百毫秒（ns）的时间内产生数安培的瞬间放电电流。
此电流会把IC内的组件给烧毁，对于一般商用IC的2-KV ESD放电电压而言，其瞬间放电电流的尖峰值大约是1.33A。
有关于HBM的ESD已有工业测试的标准，表是国际电子工业标准（EIA/JEDEC STANDARD）2、机器放电模式（Machine Model,MM）机器放电模式（MM）的ESD是指机器（例如机械手臂）本身累积了静电，当此机器去触碰到IC时，该静电便经由IC的pin放电。
因为机器是金属，其等效电阻为0欧姆，其等效电容为200pF。
由于机器放电模式的等效电阻为0，故其放电的过程更短，在几毫微秒到几十毫微秒之内会有数安培的瞬间放电电流产生。
ESD(静电放电)原理、模型及防护
料、防静电涂料等，以降低设备表面静电电荷的积累。
设备接地
Байду номын сангаас
02
将设备与大地连接，使设备上积累的静电电荷能够迅速泄放到
大地，避免静电放电对设备造成损害。
静电消除器
03
在关键部位安装静电消除器，通过产生相反电荷来中和设备表
面的静电电荷，达到消除静电的目的。
系统级防护策略
系统接地
将整个系统与大地连接，确保系统内各部分电位一致，减少静电放 电的可能性。
ESD(静电放电)原理、模型及防护
目录
• 静电放电（ESD）基本概念与原理 • ESD模型与特性分析 • ESD防护措施与方法 • ESD测试与评估方法 • ESD在工业生产中应用案例分享 • 总结与展望
01
静电放电（ESD）基本概念与原 理
静电产生及危害
静电产生原因
物质接触、摩擦、分离等过程导 致电荷不平衡，形成静电。
规范操作培训
制定详细的设备操作规范，对操作人员进行培训，确保其在操作 过程中能够遵循规范，减少静电放电的风险。
静电防护装备使用
要求操作人员佩戴防静电手环、防静电鞋等静电防护装备，降低 人体静电对设备的影响。
04
ESD测试与评估方法
测试标准介绍
这是国际电工委员会制定的静电放电抗扰度测试标准，它规定了 测试等级、测试方法、测试环境和设备要求等。
特性
HBM放电电流具有较快的上升时间和较短的持 续时间，通常持续几百纳秒。放电能量较低，但 足以对敏感器件造成损坏。
应用场景
HBM模型常用于评估手持设备、可穿戴设备等 便携式电子产品的ESD防护能力。
机器模型（MM）
描述
应用场景
SPD的工作原理
SPD的工作原理引言概述：静电放电保护器（Surge Protective Device，SPD）是一种用于保护电气设备免受过电压冲击的重要设备。
本文将详细介绍SPD的工作原理，匡助读者更好地理解SPD的作用和工作机制。
一、SPD的基本原理1.1 静电放电现象静电放电是指两个物体之间由于电荷不平衡而产生的放电现象。
当电荷积聚到一定程度时，会形成高电压，如果电荷之间的绝缘被破坏，就会发生放电。
1.2 过电压的危害过电压是指电力系统中电压蓦地升高的现象，可能由雷击、电网故障等原因引起。
过电压会对电气设备造成严重损坏，甚至导致火灾和人身伤害。
1.3 SPD的作用SPD通过引导和吸收过电压，将其释放到地面，保护电气设备免受过电压冲击。
它能有效地降低过电压对电气设备的伤害，提高设备的可靠性和寿命。
二、SPD的工作原理2.1 电阻器的作用SPD中的电阻器用于限制电流的流动，防止过电压对电气设备造成伤害。
电阻器的阻值根据设备的额定电压和过电压的特性来选择。
2.2 可变电阻的调节SPD中的可变电阻可以根据过电压的大小进行调节，以确保SPD能够在合适的电压范围内工作。
可变电阻的调节可以通过手动或者自动控制完成。
2.3 接地系统的重要性SPD需要与良好的接地系统连接，以确保过电压能够有效地释放到地面。
接地系统应具备低电阻和良好的导电性能，以确保SPD的正常工作。
三、SPD的分类和选择3.1 SPD的分类根据不同的工作原理和应用场景，SPD可以分为放电管型、气体放电管型、过压保护器型等多种类型。
不同类型的SPD适合于不同的电气设备和电压等级。
3.2 SPD的额定电压和电流选择合适的SPD需要考虑设备的额定电压和电流。
SPD的额定电压应大于设备的工作电压，额定电流应能够承受设备的最大工作电流。
3.3 SPD的安装位置SPD应安装在电气设备的进线侧，以确保过电压能够在进入设备之前被有效地吸收和释放。
同时，SPD应远离电气设备和易燃物，以避免火灾和其他安全风险。
ESD基本原理
ESD防护和实例
PCB Layo实例
ESD软件设计
CPLD
FPGA
可 基全布 J 全
编 程 单 元
本局线 逻复池 辑位； 单/ 布 元置线
位矩
T局
A时
G 编 程
钟 ； 全 局
单 阵 模使
元
块能
可 基嵌 丰 底内
编 程 输 入
/ 输 出
本入
可式
编 程 逻
(如键盘, 或I/O界面的连接器)直接带入ESD突波电流损害电路. 要预防这种直接伤害。
方法： 并联一颗静电抑制器,串联一颗电阻或并联电容在这些电路上就可 以限制流经IC的ESD电流.
8
ESD静电放电的危害
(2) 潜在性失效(Latent failure)
当ESD发生时系统虽暂时受到影响,仍然可继续动作, 但功能会随时间逐渐变 差,隔数日或数周后系统出现异常, 最后成为硬件失效.
6
ESD静电放电的危害
1。静电在工业生产中造成的危害
产品失效（产品不可靠）
客户抱怨
静电放电（ESD）造成的危害：
1、引起电子设备的故障或误动作，造成 电磁干扰．如：
驱动电路程序被ESD打乱，出现花屏，白 屏，声音不正常。
2、击穿集成电路和精密的电子元件，半 导体元件或者促使元件老化，降低生 产成品率．
块 R
辑A
富 的 布 线 资 源
层嵌 嵌专 入用 功硬 能核 单
单 单M
元
元元
39
ESD软件防护和实例
软件刷新 纠正
ESD基本可编程逻辑单元
查找表 （LUT）
寄存器 （Register）
带同步/异步复位和置位
时钟使能的触发器 （锁存器）
静电放电屏蔽的基本原理
静电放电屏蔽的基本原理
静电放电屏蔽的基本原理是使用导电材料将静电能量导向地面，从而减少或消除静电放电的影响。
其基本原理如下：
1. 静电：当两个不同材料之间发生摩擦或分离时，会产生正电荷和负电荷的分离，形成静电。
2. 静电放电：当积累的静电能量超过材料或空气的绝缘能力时，会发生静电放电，产生明显的放电现象，如火花或电弧。
3. 导电材料：导电材料具有良好的电导性能，可以快速传导电荷。
常用的导电材料包括金属和导电性高的碳纤维。
4. 屏蔽效应：静电放电可以通过导电材料进行传导，从而减少放电现象。
导电材料的导电性能可以吸收或分散放电所产生的能量，并将其传导到地面。
5. 接地：屏蔽的关键是将导电材料与地面接地。
通过将导电材料与地面直接连接，可以将积累的静电能量有效地排放到地面，从而减少静电放电的影响。
总之，静电放电屏蔽通过使用导电材料和接地来导向静电能量，减少或消除静电放电的影响。
这种屏蔽技术常用于电子设备、防静电服装、仪器仪表等领域，以防止静电放电对设备或人员造成损害。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
器件充电放电模型(ChargedDevice Model，CDM)
国际电工协会模型 (International Electrotechnical Commission Model, IECM)
ESD的放电模型
人体放电模型（HBM）
模拟了当带电人体直接接触一 个电学器件时出现ห้องสมุดไป่ตู้ESD事件
机器充电放电模型（CDM）
放电时间短，几ns内完成放电过程 脉冲上升时间～500ps 峰值电流：几十安培 易造成IC内部元件的损伤，直接导 致栅氧击穿 越来越受行业的关注
ESD的放电模型
国际电工协会模型（IECM）
描述的是一个带电人体向 系统终端用户环境中的系 统放电的过程
定位于系统级ESD放电模型
静电放电保护
基本原理简介
主讲人：卢振宇 日 期：19年 10月
content
目录
P Art one ESD保护的基本原理 P Art two ESD设计的基本概念 P Art three 基本ESD保护器件 P Art four 典型ESD保护电路介绍 P Art five ESD保护电路的版图设计
将管角电压钳位 于一个安全级别 以避免介质击穿
2
I-V特性曲线
两种曲线
a)简单一次开启 b)带有回滞特性的I-
1
V特性 —高电流处理
能力
三个关键点
触发点
回滞维持点
2
二次击穿失效点
设计窗口
关
键
Vmax : 内部电路最小失效电压
参
VDD : 内部电路正常工作电压
数
(Vt1, It1) : ESD器件触发电压/电流
工业 标准
MM等级标准
等级
电压
M0
0～50V
M1
50～100V
M2
100～200V
M3
200～400V
M4
400～800V
M5
> 800V
ESD的放电模型
机器充电放电模型（CDM）
模拟了集成电路自放电过程， 即一个未接地的电子部件在制 造或装配过程中被充电，随后 通过接地管角放电的过程。
ESD的放电模型
(Vh, Ih) : ESD维持电压/电流 (Vt2, It2) : ESD失效电压/电流
▲ VDD < ESD触发电压 < Vmax → ESD保护器件的基本要求 ▲ Vh > VDD → 防止ESD保护器件误开、防闩锁 ▲ Vt2 < Vmax → 决定ESD的保护等级
ESD保护失效
ESD失效
·模型电路参数不同 ·峰值电流、放电时间不同
全芯片的ESD保护
PD ND
PS NS
ESD保护电路一般都做在PAD（焊盘）旁边 输入端PAD 输出端PAD VDD PAD和VSS PAD之间 IC的任意两个管脚之间都能形成ESD电流泄放路径 二级保护电路＋串联电阻Rs → 一级保护电路未开启前泄放ESD电流
CESD表示人体电容的大小 通过一个7.5μH的电感和1.5KΩ 的电阻对被测器件(DUT)放电 最广泛接受的模型标准
ESD的放电模型
人体放电模型（HBM）
放电过程几百纳秒内 放电电流数安培(1-4A)
工业 标准
HBM等级标准
等级 电压
1级
0～1999V
2级
2000～3999V
3 级 4000～15999V
ESD的放电模型
机器放电模型（MM）
描述了带电机器在自动测试过 程中接触IC部件时由金属物体到 IC管脚(pin)的放电现象
RESD和LESD比HBM模型小
电流峰值比HBM模型大 广泛应用于日本汽车电子领域
ESD的放电模型
机器放电模型（HBM）
典型的尖峰脉冲电流信号 振荡性衰减 上升时间：15ns左右 周期：~40ns 2000V的HBM等级~100V的MM等级
全芯片的ESD保护
把管脚端的ESD电流排入电源总线，然后再从另一 个管脚引出
任意两个管脚之间都形成ESD电流泄放路径？ HOW?
ESD保护器件的测试
考虑因素
ESD放电回路的不同和ESD放电模 式的不同
VDD-to-GND
Pin-toVDD/GND
Pin-to-Pin
ESD保护器件的测试
VDD-to-GND
◎ 将电压钳位 在一定低的电 压范围内，保 护与其并联的 内部电路不会 遭受损坏
◎ ESD保护器 件的钳位电压 小，被保护结 构的开启电压 大
毁坏性失效 潜在性失效
PN结短路
栅氧穿通
多晶硅与 互连线损伤
栅氧化层 损伤
栅氧化物 短路
保护回路 受损
电荷陷阱
PN结损伤
P Art two ESD设计的基本概念
·ESD的放电模型 ·全芯片ESD保护 ·ESD保护器件的测试 ·ESD保护的优秀特性
ESD的放电模型
人体放电模型(Human Body Model, HBM)
用于IC芯片设计的ESD性能 表征 主要特点：低R，零L
ESD的放电模型
国际电工协会模型（IECM）
由于非常小的R和零L，其具有特别 短的上升时间，tr(<1ns)，非常大的 电流峰值，Ipeak(达到几十安培)
最严格的ESD保护标准
ESD的放电模型
四种放电模型的比较
测试具有破坏性 无法深入了解器件失效原因 用来优化ESD设计工作 获取失效信息 — 传输线脉冲测试 （TLP）模型
Pin-to-Pin
Pin-to-VDD/GND
ESD保护的优秀特性
鲁棒性 透明性 有效性 面积小 开启速度快
◎ 自身对ESD 电流的承受能 力
◎ 一般与器件 的宽度成正比， 设计时器件宽 度应当在所要 求达到的ESD 保护等级之上
◎ ESD保护网 络不干扰内部 电路工作及IO 端特性
◎ 高频集成电 路ESD保护设 计的难点
P Art one ESD保护的基本原理
·ESD现象简介 ·工作机制 ·I-V特性曲线 ·设计窗口 ·ESD保护失效
ESD现象简介
什么是静 电放电 （ESD）
· 高压、大电流、短时间的事件 · 电流 > 1A · 电压高达上万伏 · 上升时间～15ns，衰减时间～150ns
· EOS（Electrical Over-Stress, EOS）家族的 一种（闪电和电磁脉冲）
ESD现象简介
造成的危害
· 70%的芯片失效都是由ESD事件引起 · 全球每年因ESD对电子设备和系统所造成的 损失高达450亿美金（美国静电放电协会， ESDA估计）
工作机制
电流泄放
发生ESD时，ESD 保护器件相当于 “短路”
1
ESD未发生时和发生 过后，ESD保护器件 相当于“开路”
电压钳位