电气设备的ESD防护指南

设备的ESD防护设计规范Reference to:
1、IEC61000-4-2
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目录
1、目的 (1)
2、范围 (1)
3、术语和定义 (1)
4、规范内容 (1)
4.1 静电基础知识 (1)
4.1.1静电的来源 (1)
4.1.2 静电的特点 (1)
4.1.3 静电放电的危害 (1)
4.1.4 静电放电模型 (2)
4.1.4.1 人体放电模型(Human-Body Model, HBM) (2)
4.1.4.2 机器放电模型 (Machine Model, MM) (2)
4.1.4.3 组件充电模型(Charged-Device Model, CDM) (4)
4.2 设备的ESD防护设计要求 (5)
4.2.1 整机结构设计 (5)
4.2.2机箱设计 (7)
4.2.3设备接地 (9)
4.2.4电源线及I/O线 (10)
5、相关记录 Records (11)
6、附录Appendix (11)
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1、目的
本规范的建立是为了给设备的设计和制造人员在设备的ESD防护设计方面提供相应的指导及必须遵循的规约。

2、范围
适用于所有设备的设计和制造人员。

3、术语和定义
静电：就是物体上多余的电荷积累，由相互摩擦或导体在静电场中感应产生。

ESD：即静电放电（Electro-Static Discharge），指带有不同静电电势的物体或表面之间的静电电荷转移，通过直接接触或电场击穿放电。

4、规范内容
4.1静电基础知识
4.1.1静电的来源
a)摩擦剥离起电；
b)绝缘体上堆积点电荷；
c)静电场中导体感应起电；
4.1.2静电的特点
a)高电位：可达数万伏，操作时常达数百至数千伏（人通常对3KV以下静电无感知）；
b)瞬间大电流：产生瞬时脉冲电流的强度可达到几十安培；
c)强电磁辐射：大电流脉冲，并产生强烈的电磁辐射，形成静电放电电磁脉冲，它的电磁能量往往
会引起电子系统中敏感部件的损坏、翻转；
d)作用时间短：微秒级或毫微秒级；
e)受环境影响大：特别是湿度，湿度上升则静电积累减少，静电压下降；
4.1.3静电放电的危害
a)造成元器件失效，器件失效又分为突发性完全失效和潜在性缓慢失效；
b)引起信息出错，逻辑电路翻转，导致设备故障；
c)易吸附尘埃微粒,污染PCB板和半导体芯片；
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4.1.4 静电放电模型
静电放电是一个复杂多变的过程。

静电放电有许多不同的形式，及能产生静电放电的静电源的多种样。

针对静电放电的这种复杂性，为了有效地对静电放电的危害及其效应进行正确的评估，人们对实际中各种可能产生危害的静电源进行了研究，根据各自的特点建立了相应的ESD 模型，下面是几种常见的模型：
4.1.4.1 人体放电模型(Human-Body Model, HBM)
人体是产生静电危害的最主要的静电源之一。

人体放电模型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，当此人去碰触到IC 时，人体上的静电便会经由IC 的引脚而进入IC 内，再经由IC 放电到地。

此放电的过程会在短到几百毫微秒(ns)的时间内产生数安培的瞬间放电电流，此电流会把IC 内的组件烧毁。

人体带电模型的电路网络是一个电容和一个电阻的串联结构，称为单RC 电气结构。

图1 人体放电模型示意图 图2 HMB 波形图
图3 HBM 等效电路示意图
4.1.4.2 机器放电模型
(Machine Model, MM)
人体的等效电容: 100pF 人体的等效放电电阻: 1.5K Ω
机器放电模型是指机器(例如机械手臂)本身累积了静电，当此机器去碰触到IC时，该静电便经由IC 的引脚放电。

大多数机器都是用金属制造的，其机器放电模型的等效电阻为0Ω，但其等效电容为200pF。

由于机器放电模型的等效电阻为0，故其放电的过程更短、电流更大。

图4 机器放电模型示意图
上下振动的放电电流波形由机器中等效电感与电
容互相耦合而形成LC衰减振荡
图5 MM波形图
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机器的等效电容: 200pF
机器的等效放电电阻: 0Ω
图6 MM等效示意图
4.1.4.3组件充电模型(Charged-Device Model, CDM)
器件本身在加工、处理、运输等过程中可能因与工作面及包装材料等接触、磨擦而带电。

当带电的电子器件接近或接触导体或人体时，便会产生静电放电。

由于这一放电过程是器件本身带电而引起的，因此在建立这种放电模型时，把它称为组件充电模型。

例如IC因摩擦或其它因素而在IC内部累积了静电，但在静电累积的过程中IC并未被损伤，此带有静电的IC在处理过程中，当其引脚去碰触到接地面时，IC内部的静电便会经由引脚自IC内部流出来，而造成了放电的现象。

此种模式的放电时间更短，仅约几毫微秒之内。

组件充电模型的电路网络如图9所示。

模型参数的取值要根据器件的具体情况来确定。

图7 组件充电模型示意图
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图8 CDM 波形图 图9 CDM 等效电路示意图
4.2 设备的ESD 防护设计要求
对于设备级的ESD 防护设计，其重点应放在为静电放电设置一条通畅的泄放通道。

主要应做到以下几方面：
4.2.1 整机结构设计
在整体结构设计时，应做到以下几点：
1、 PCB 或电子元件与外部（开孔）是否保持足够爬电距离（如图10），爬电距离设计参考（如表1）。

如果爬电距离不足，静电将击穿空气绝缘，产生火花，静电能量将转移到电路或元件产生破坏。

图10 爬电距离
2、外壳接合面设计采用互嵌式（如图11），增加爬电距离，避免由外壳接缝对内部零件放电。

图11 外壳的接合面采用互嵌式设计
3、避免使用金属或金属涂装的按钮、旋钮等，因为会导电，导入静电对内部元件放电。

4、螺丝孔与内部元件爬电距离足够（如图12），否则会经过螺丝导入静电对内部元件放电。

图12 螺丝孔与内部元件爬电距离
5、设计时应留有加隔离片的空间（如图13），主要用于隔离放电路径，增加爬电距离。

图13 隔离片空间位置
6、非经常使用的与外部连接的连接器加隔离罩（如图14），以避免直接接触放电的可能性。

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图14 与外部连接的连接器加隔离罩
7、如果一个机壳内装几个电路板，应将对静电最敏感的电路板放在最中间，以避免静电的直接及间接
影响。

8、PCB要安装在机壳内，尽量不要安装在开口位置或者内部接缝处，以避免外部静电放电的可能性。

9、与被测物接触的托盘必须采用静电耗散材料且通过机箱接地,避免静电聚集而损坏被测样品（如图
15）。

图15 托盘使用静电耗散材料
4.2.2机箱设计
在机箱设计时，应做到以下几点：
1、减少开孔数量，尽量使用多孔取代一个大孔，且孔之间间距尽量大。

2、不能在静电敏感组件附件开孔。

3、绝缘体外壳的孔要求气密或远离敏感器件>10mm（如图16）。

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图16 绝缘体外壳孔与敏感器件距离>10mm
4、整机金属机箱壳体之间的连接：
a)尽可能使用同样的金属材料，如果对不同金属进行搭接要注意各种金属在电化学序列表中的
相对位置（如图17），电位差要尽可能小（<0.6V），当导电级别相差较远的金属搭接时，需在两金属表面间放入一个中间级别的金属垫圈。

b)在不必拆卸或分离的场合下，金属壳体之间最好采用面接触。

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图17 电化学序列表
4.2.3设备接地
1、机箱的内部接地点选择在电源入口处（如图18）
2、整机金属外壳需单点接地（如图19）。

3、机箱内部模块器件需接地。

4、键盘和面板通过金属支架接地。

5、人员可接触到的金属部件通过机壳接地，与公共接地处电阻<0.1Ω。

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图18 机箱内部接地点选择
图19 整机金属外壳单点接地
4.2.4电源线及I/O线
1、电气设备的电源线采用三芯插头（带接地线PE）。

2、信号线、控制线尽量采用屏蔽线，如果采用屏蔽线缆时，线缆与接头相接时必须搭接良好，电缆屏蔽层应该与机壳共地（如图20），以避免屏蔽层与周围导体形成电位差。

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图20 电缆屏蔽层与机壳共地5、相关记录Records
6、附录Appendix
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End of Document
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