詳述ESD產生原理及防護方法

01靜電發生的原理

所有物體是由帶（+）電電子和帶（-）電電子構成。在通常狀態下，質子帶的正電荷電量與電子帶的負電荷電量相同，所以原子整體上呈電中性。中性的原子會因摩擦、接觸或剝離等原因而導致電子發生移動——如果帶上多余電子的話便會帶負電;反之，如果失去電子的話便會帶正電。靜電發生在導體或半導體等所有物體上。

02物體帶電形式

接觸性帶電：兩個物體互相接觸后分開時易發生靜電。這種是我們周圍常見到的靜電現象。

摩擦帶電：兩個物體摩擦時發生熱產生靜電。靜電由于接觸的程度或表面的均勻度、接觸壓力、磨力、分離速度等不同而電荷量不同。

傳遞帶電：用塑料袋包裝的部品易發生靜電。當塑料袋、塑料等帶電體接觸部品時易產生靜電，也就是不帶電體處在帶電體的電場內時易產生靜電。

剝離帶電：粘貼的標簽或塑料揭下來時易發生靜電，軸和皮帶滾動分離時也容易產生靜電。

噴射帶電：液體或氣體等噴射時噴射粒子和孔之間發生摩擦而產生靜電。氣槍或冷卻風扇等屬于噴射帶電體（噴射后碰上物體時也會發生)。

熱電子放出帶電：真空或低壓氣里移動的電子或離子的作用下，整流放大，振蕩，開關等作用的管球（包括真空管，放電管，光電管，陰極射線管 等）。物體加熱時發出電子，溫度升高時最外層軌道的電子能量增加使電子容易從原子上分離 。

光電子帶電：光線與材料的表面反應留下正電荷，也就是說紫外線（太陽線）照射電子產品時間過長易產生靜電。

03靜電發生序列

該序列是按帶電量多少由正到負排序，最上是帶（++）電子最多，依次減弱至最下為帶（--）電子最多

04靜電引發的不良

任何PCB如果被接觸或接近人、包裝、電纜或其他可能產生大電位差的物體，就可能受到靜電放電的影響。當這種電壓差足夠大時，就會形成電流通道，產生一個強烈的電流脈沖。隨著電流脈沖的發展，會在元件和PCB電路板上的導體中產生高溫。在極端場強和放電電流的情況下，PCB電路板可以被損壞，元件也可以被摧毀。

05常見器件靜電敏感度

06生產儲存過程中靜電發生量

ESD 2000V

問題點：部品包裝袋ESD2KV

對策：換用防靜電包裝袋

ESD 10000V

問題點：IC防止在靜電材質的泡沫上

對策：使用IC JIC

ESD 9000V

問題點：IC防止在靜電材質的泡沫上

對策：使用IC JIC

ESD 5000V

問題點：部品與包裝袋混放

對策：清除包裝袋

ESD 2000V

問題點：部品盒材料不防靜電

對策：鋪設防靜電MAT

ESD 7000V

問題點：膠帶和文件夾含高靜電

對策：記錄夾不得放置在PCBA上，膠帶改用其他無靜電材質的膠帶。

其他靜電發生量，例如地面走動，ESD1000-5000V。不戴靜電環在作業臺上作業，ESD800-1000V。坐在椅子上摩擦，500-1000V。塑料臺TAPE，ESD5000V。

07PCB板級ESD保護

在PCB上實施ESD保護的目標是防止ESD電流流入電路，并通過低阻抗連接將其引導至地。然而，在正常條件下，組件仍然需要對受保護線路傳輸的信號保持無影響。也就是說ESD保護電路或組件只有在發生ESD事件時才應作出響應，并且必須在其上升時間內迅速進行，以便將ESD脈沖引導出去。

通常情況下，最好將ESD脈沖引導到系統中的地線上。按優先順序排列的最佳選擇為：

1.與地線相連的機箱接地。

2.機箱與系統地線相連，連接點遠離可能發生ESD的地方。

3.PCB上的防護環，與第2種情況相同，有相同的系統地線連接。

4.系統地線。

最佳情況是將地線從PCB中移開，這就是為什么機箱接地在ESD保護和在故障發生時候作為電流的釋放點上是首選的原因。

在一些靠近潛在ESD源（如連接器）的集成電路的輸入/輸出（I/O）上使用的一種電路是Zener二極管（瞬態電壓抑制器）。這個小電路使用了4個Zener二極管，在ESD事件期間反向偏置，創建一個并聯連接，用于ESD電壓/電流，并保護負載組件。這應該被放置在源非常接近的地方，以便電流可以立即被導向地線。

另一個選擇是TVS二極管，這是在重要接口上實現ESD保護的另一種常見方法。盡管我們稱這個組件為二極管，但它不僅僅是一個簡單的二極管，如下面的等效電路所示。

其他ESD保護裝置包括氣體放電管和簡單的壓敏電阻。放電管通常用于電力浪涌（如Littelfuse組件），而不是用于快速ESD事件。在使用其作為ESD保護裝置之前，請確保檢查數據手冊并了解該組件的響應時間。

USB、以太網、I2C、RS-485、RS-232等數字接口的ESD保護通常會在連接器和包含該接口的IC之間使用TVS二極管。除此之外，還需要對任何金屬連接器護罩和未使用的引腳進行屏蔽。您的元器件數據手冊通常會提供一些指導方針，以確保ESD保護。一些公司還在數據手冊中列出了特定的ESD等級，這些等級可能符合特定的行業標準（例如汽車或電信標準），在設計可能容易受到ESD影響的設備時，您可以選擇這些元器件。

08生產制造過程中ESD保護

靜電防止用MAT按用途分類為TABLE、MAT和FLOOR MAT，按材質分類為傳導材質和絕緣材質。

防靜電服按材質不同分類。我們穿著的工作服是均勻排布含有金屬纖維的材質，這類防靜電服是最常用而有效的！類似晴倫類的衣物靜電現象很嚴重。

等離子風機對不能接地的絕緣類（PIASTIC、VINYI等）有相當好的效果，但不同產品特性也不同，使用時要好好看說明書。（安全距離、清掃周期、同位元素、使用時的的校正周期等需注意）

防靜電液（防靜電用SPRAY）分兩類：

1. 用導靜電性物質噴射物體表面，此時能接地。

2. 化學物質吸收空氣中的潮氣成為導靜電性或防靜電性，防止發生靜電。

這樣處理的物體當除去表面的潮濕層后，將不能發揮防靜電的性能。也就是說雖然涂抹了防靜電液，但時間過長會失去效果，所以要周期性確認處理。

09人體對靜電的主觀感受

10如何通過布局來保護PCB免受ESD影響？

1.使用地平面：在PCB布局中，將地平面（GND）覆蓋整個PCB，并確保地線連接良好。地平面可以提供對ESD的良好屏蔽和放電路徑。

2.管理信號線：將信號線和地線盡可能地走在一起，并保持它們的平行距離最小。這有助于減小ESD對信號線的干擾。

3.使用差分信號：對于敏感的高速信號，使用差分信號傳輸可以提供更好的抗ESD能力。

4.添加濾波器：在信號線上添加濾波器可以幫助抑制ESD和其他噪聲。

5.使用保護元件：在PCB布局中合理放置ESD保護元件，如TVS二極管、瞬態電壓抑制器等。這些元件可以吸收和分散ESD能量，保護其他電子元件。

6.避免尖銳邊緣：在布局中盡量避免尖銳的邊緣，因為尖銳的邊緣會增加ESD擊穿的風險。

7.地線和電源線分離：將地線和電源線分開布置，以減少ESD對電源線的影響。

8.地線的回流：盡可能使用直接回流連接地線，以提供更好的ESD放電路徑。

通過采取這些布局措施，可以有效地保護PCB免受ESD的影響，提高電路的可靠性和穩定性。

審核編輯：湯梓紅