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知識大全ESD

ESD的意思是“靜電釋放”的意思，它是英文：Electro-Static discharge 的縮寫，即"靜電放電"的意思。ESD是本世紀中期以來形成的以研究靜電的產生、危害及靜電防護等的學科。因此，國際上習慣將用于靜電防護的器材統稱為“ESD”，中文名稱為靜電阻抗器。

　　一.ESD知識介紹

　　靜電是一種客觀的自然現象，產生的方式多種，如接觸、摩擦等。靜電的特點是高電壓、低電量、小電流和作用時間短的特點。

　　人體自身的動作或與其他物體的接觸，分離，摩擦或感應等因素，可以產生幾千伏甚至上萬伏的靜電。

　　靜電在多個領域造成嚴重危害。摩擦起電和人體靜電是電子工業中的兩大危害。

　　生產過程中靜電防護的主要措施為靜電泄露、耗散、中和、增濕，屏蔽與接地。

　　人體靜電防護系統主要有防靜電手腕帶，腳腕帶，工作服、鞋襪、帽、手套或指套等組成，具有靜電泄露，中和與屏蔽等功能。

　　靜電防護工作是一項長期的系統工程，任何環節的失誤或疏漏，都將導致靜電防護工作的失敗。

　　靜電的危害：

　　靜電在我們的日常生活中可以說是無處不在，我們的身上和周圍就帶有很高的靜電電壓，幾千伏甚至幾萬伏。平時可能體會不到，人走過化纖的地毯靜電大約是35000伏，翻閱塑料說明書大約7000伏，對于一些敏感儀器來講，這個電壓可能會是致命的危害。

　　靜電學主要研究靜電應用技術，如靜電除塵、靜電復印、靜電生物效應等。更主要的是靜電防護技術，如電子工業、石油工業、兵器工業、紡織工業、橡膠工業以及興航與**領域的靜電危害，尋求減少靜電造成的損失近年來隨著科學技術的飛速發展、微電子技術的廣泛應用及電磁環境越來越復雜，靜電放電的電磁場效應如電磁干擾（EMI）及電磁兼容性（EMC）問題，已經成為一個迫切需要解決的問題。一方面，一些電阻率很高的高分子材料如塑料,橡膠等的制品的廣泛應用以及現代生產過程的高速化,使得靜電能積累到很高的程度,另一方面，靜電敏感材料的生產和使用, 如輕質油品, 火藥, 固態電子器件等,工礦企業部門受靜電的危害也越來越突出,靜電危害造成了相當嚴重的后果和損失。它可以在不經意間將昂貴的電子器件擊穿，造成電子工業年損失達上百億美元。在興航工業，靜電放電造成火箭和衛星發射失敗，干擾興航飛行器的運行。1967年7月29日，美國Forrestal航空母艦上發生嚴重事故，一架A4飛機上的導彈突然點火，造成了7200萬美元的損失，并損傷了134人，調查結果是導彈屏蔽接頭不合格，靜電引起了點火。1969年底在不到一個月的時間內荷蘭、挪威、英國三艘20萬噸超級油輪洗艙時產生的靜電引起相繼發生爆炸。

　　我國近年來在石化企業曾發生30多起因靜電造成了嚴重火災爆炸事故。許多工業發達國家都建立了靜電研究機構，我國從60年代末開始開展了一些靜電研究工作，80年代開始以來,我國的靜電研究發展極為迅速。1981年成立了中國物理學會靜電專業委員會并召開了弟一次國內靜電學術會議,國內性的和各地方的靜電學術會議不斷召開，靜電研究和應用的范圍也越來越廣,科研隊伍不斷壯大。

　　二.什么是ESD？

　　簡言之，ESD就是電荷的快速中和，電子工業每年花在這上面的費用有數十億美元之多。我們知道所有的物質都由原子構成，原子中有電子和質子。當物質獲得或失去電子時，它將失去電平衡而變成帶負電或正電，正電荷或負電荷在材料表面上積累就會使物體帶上靜電。電荷積累通常因材料互相接觸分離而產生，也可由摩擦引起，稱為摩擦起電。

　　有許多因素會影響電荷的積累，包括接觸壓力、摩擦系數和分離速度等。靜電電荷會不斷積累，直到造成電荷產生的作用停止、電荷被泄放或者達到足夠的強度可以擊穿周圍物質為止。電介質被擊穿后，靜電電荷會很快得到平衡，這種電荷的快速中和就稱為靜電放電。由于在很小的電阻上快速泄放電壓，泄放電流會很大，可能超過20安培，如果這種放電通過集成電路或其他靜電敏感元件進行，這么大的電流將對設計為僅導通微安或毫安級電流的電路造成嚴重損害。

　　有多種模型可以用來表述器件如何受到損害，如人體模型(HBM)、機器模型(MM)、帶電器件模型(CDM)以及電場對器件的影響等。對于自動裝配設備而言，主要考慮后三種損壞模型(模式)，我們在下面分別進行討論。

　　機器模型/模式自動裝配設備使用導軌、傳動帶、滑道、元件運送器和其他裝置來移動器件使之按工藝要求的方向運動，如果設備設計不當，傳動帶和運送系統上可能會積累大量電荷，這些電荷將在工藝過程中通過器件泄放。設備部件通過器件放電就稱為機器模型/模式。

　　帶電器件模型/模式如果一個器件因某種原因累積了電荷并與一個帶電少的表面相接觸，電荷就會通過器件上的導電部分泄放。當器件向其他材料放電時，就稱為帶電器件模式，用帶電器件模型表示。

　　電場影響電場感應會在IC阻性線路間產生電位差，引起絕緣體介質擊穿。造成失效的另一個原因是器件上的電荷在電場中會被極化，從而產生電位差并向異性電荷放電，形成雙重放電或中和。在ESD控制中使用了具有不同電阻特性的材料，這些材料用在自動裝配設備中可以獲得理想的效果。描述材料電阻特性通常用表面電阻率或體電阻率。

　　三.常見概念及應用

　　表面電阻率簡單地說表面電阻率就是同一表面上兩電極之間所測得的電阻值，將電極形狀和電阻值結合在一起通過計算可得到單位面積的電阻值。現在市面上可以買得到讀數為單位面積電阻值的測量儀。

　　體電阻率體電阻率是通過材料厚度的電阻值，單位是Ω·cm。

　　導電材料導電材料指表面電阻率和體電阻率分別小于106Ω和106Ω·cm的材料。

　　耗散材料耗散材料指表面電阻率和體電阻率分別小于1012Ω或1012Ω·cm的材料。

　　防靜電材料“防靜電”指的是能夠抑制電荷累積，可以在材料制造過程中添加或者局部加入某種物質得到這種特性。防靜電材料無需用表面或體電阻率表示。

　　導電添加劑和薄膜如果由于成本或者其他設計上的原因只能使用塑料材料或復合材料時，可以使用添加劑改善靜電特性，將添加劑混入塑料材料中，根據添加劑和樹脂百分比不同可獲得所需的導電性或耗散性。

　　在樹脂中加入纖維可以使之獲得導電性或耗散性并增強強度，這種纖維可能本身就有導電性或者采用了表面電鍍工藝。雖然添加纖維可得到這些好處，但它也改變了收縮率和韌性。填充劑可以提供導電性和耗散性，增加強度，但常常會降低基體樹脂的硬度。表1是一些常見的導電添加劑。

　　傳送帶傳送帶用來輸送元件、PCB和其他器件，材料一般為塑料、纖維制品或橡膠。如果傳送帶要接收從機器其他部分傳來的器件，那么它應該采用耗散性材料。當傳動帶表面電阻率為1～106Ω時，它會使帶電器件放電速度太快，對器件造成損害；當表面電阻在106～109Ω時，只要傳送帶通過轉輪滑輪和機架良好接地，傳送帶上就不會帶電。

　　另一個要考慮的問題是傳送帶速度。如果傳送帶運動速度太快，器件放到傳送帶上時就可能會滑動(或者器件保持不動而傳送帶繼續在動)，這時就會形成摩擦生電，傳送帶如果接地能使電荷耗散掉，但是器件或PC板仍帶有電荷而會造成危害。

　　導向裝置和導軌導向裝置和導軌用來提供通道或者使器件放于一個固定的位置或保持一定的方向性，采用的材料應能使電荷耗散掉并且防止器件摩擦生電。表面電阻率為106Ω的材料具有良好耗散性而且不會損傷器件，如果送入的器件處于無靜電狀態，也可以使用導電性材料(表面電阻率低于106Ω)。

　　四.ESD靜電保護總則:

　　1.概述

　　隨著多媒體應用在每個人的日常生活中扮演的角色日益增長，計算機與消費電子之間的關系也日益密切，對便攜性和功能性方面的增長會有持續性的需求。這就要求元件有更高的集成度——總的趨勢卻是導致敏感而昂貴的芯片,由于存在外部接口的ESD浪涌而遭到損壞的風險也在增長。

　　為了抵消這種風險，Philips提供了一系列寬范圍的完整分立產品，致力于保護、消除和濾波所有相關的I/O 端口。Philips 的保護器件兼容濟高的ESD標準，這對所有CE 設備都是必須的：IEC 61000-4-2 level 4，8 kV（接觸放電）和15kV（非接觸放電）。

　　作為USB 開發人論壇的關鍵成員，Philips 提供了多種保護解決方案，包括用于USB接口的濾波和消除器件，范圍從主板到筆記本。

　　2.USB 1.1 – 端口保護

　　2.1 應用領域：MP3播放器、PDA、數碼相機通用串行總線（USB）是一種支持熱插拔和可移動的系統，因此對靜電特別敏感。Philips提供的ESP保護二極管，以及聯合ESD 保護、濾波和消除的器件，針對所有便攜式USB 1.1應用，比如PDA、MP3播放器和數碼相機。

　　2.2 IP4058CX8/LF 重要特性

　　??線路終端。

　　??EMI 濾波。

　　??8 kV I/O ESD 保護。

　　??8 kV ESD ID 管腳保護。

　　2.3 PESD5V0L2UM 重要特性

　　??15 kV 接觸I/O ESD 保護。

　　??極低的漏電電流5 nA。

　　??很低的電容16 pF。

　　??極小的SMD 封裝。

　　3.USB 2.0 -單端口OTG 保護

　　3.1 應用領域：打印機，數碼相機

　　USB2.0 接口由一對差分數字信號構成，數據傳輸率濟高達到480Mbps，普遍運用于連接個人PC，筆記本和嵌入式計算機工作站的外設端口。Philips 在USB 運用中提供了一系列的超低電容的ESD保護器件。

　　3.2 IP4059CX6/LF 重要特性

　　??8 kV 接觸I/O ESD 保護。

　　??15 kV 接觸 ESD ID 管腳保護。

　　??很小的面積。

　　4.USB 2.0 -單端口保護

　　4.1 應用領域：打印機、數碼相機、筆記本

　　由于處理數據的速率高達480Mbps，USB 2.0接口為了避免信號失真而需要配備具有超低線路電容的ESD 保護器件。Philips 的超低電容ESD 保護系列器件非常適合于USB應用，包括打印機、數碼相機和筆記本。

　　4.2 PRTR5V0U2X 重要特性

　　??8 kV 接觸I/O ESD 保護。

　　??超低的線路電容1.0 pF 。

　　4.3 PRTR5V0U2AX 重要特性

　　??12 kV 接觸I/O ESD 保護。

　　??超低的線路電容1.8 pF。

　　5.USB 2.0 –雙端口保護

　　5.1 應用領域：筆記本，PC 主板

　　在使用雙端口USB 2.0設備時，為了使干撓帶來的風險濟小化，推薦使用濟低電容的

　　ESD 保護器件。電容僅有1 pF，Philips PRTR5V0U4D提供了服從IEC61000-4-2 標準的防護。

　　5.2 PRTR5V0U4D 重要特性

　　??12 kV 接觸ESD 保護。

　　??超低的線路電容1.0 pF。

　　6.RGB/VGA 接口

　　6.1 應用領域：圖形卡，筆記本，PC 主板，監視器

　　VGA 接口廣泛用于圖形卡，筆記本，PC主板和監視器之間的模擬視頻信號的連接，當需要**別的ESD 保護時，Philips同樣有完整的終端和線路電阻，解決電磁干擾（上拉電阻可選）的獨立器件IP4273CZ16。還有提供給用戶濟大限度可調的ESD器件IP4274CZ16，不帶上拉電阻，允許不同阻值的上拉電阻從而應用于一些特殊的設計場合。

　　6.2 IP4273CZ16 重要特性

　　??8 kV 接觸ESD 保護。

　　??超低5 pF 的線路電容。

　　??線路終端。

　　??上拉電阻（可選）。

　　??EMI 濾波。

　　??完全集成的75 歐電阻。

　　6.3 IP4274CZ16 重要特性

　　??8 kV 接觸ESD 保護。

　　??超低5 pF 的線路電容。

　　??線路終端。

　　??EMI 濾波。

　　??完全集成的75 歐電阻。

　　6.4 IP4272CZ16 重要特性

　　??8 kV 接觸ESD 保護。

　　??超低5 pF 的線路電容。

　　??線路終端。

　　??EMI 濾波。

　　??RGB 輸入輸出獨立。

　　??完全集成的75 歐電阻。

　　7.DVI/HDMI 接口

　　7.1 應用領域：液晶電視，監視器，DVD

　　DVI 和HDMI接口已常用于數字視頻與音頻和顯示平板的連接。由于高頻信號（濟高

　　達1.6GHz）的處理要求這些數據線配置極低的線路電容。Philips 提供了獨特的1pF的線路電容保護器件。性能繼續維持8 kV 的可接觸的IEC61000－4－2 標準。

　　7.2 PRTR5V0U8S 和PRTR5V0U4D 重要特性

　　??8 kV 接觸ESD 保護。

　　??4、6、8 軌到軌通道。

　　??超低的1 pF 的電容。

　　8.IEEE 1284 接口

　　8.1 應用領域：并行打印端口

　　對于傳統的并行端口（IEEE 1284），Philips 提供了多種ESD保護二極管組，他們集成在一個很小的SMD 封裝里，從4 線到18 線不等的ESD 保護。與離散的二極管相比，這種ESD的箝位性能更加優良。

　　8.2 IEEE 1284 接口ESD 芯片重要特性

　　??15 kV 接觸ESD 保護。

　　??超低的泄漏電流5 nA。

　　??很低的電容16 pF。

　　9.獨立的音頻/視頻接口

　　9.1 應用領域：筆記本，PC 主板，聲音和圖像卡

　　外部接口開放的音頻信號線需要ESD 保護去驅動音頻芯片。Philips提供了一款小巧的

　　4通道ESD 保護器件，以較低的綜合成本給消費者濟大的利益。

　　9.2 PRTR5V0U4D 重要特性

　　??8 kV 接觸ESD 保護。

　　??超低的1 pF 的電容。

　　9.3 PRTR5V0L4UW 重要特性

　　??15 kV 接觸ESD 保護。

　　??很小的電容16 pF。

　　??超小的SOT665 SMD 封裝。

　　10. S-視頻/音頻接口

　　10.1 應用領域：筆記本，PC 主板，聲音和圖像卡

　　外部接口開放的音頻信號線需要ESD 保護去驅動音頻芯片。Philips提供了一款小巧的

　　4通道ESD 保護器件，以較低的綜合成本給用戶濟大的利益。

　　10.2 PRTR5V0U4D 重要特性

　　??8 kV 接觸ESD 保護。

　　??超低的1 pF 的電容。

　　10.3 PESD5V0L5UW 重要特性

　　??15 kV 接觸ESD 保護。

　　??很小的電容16 pF。

　　??超小的SOT666 SMD 封裝。

　　11. SCART 接口

　　11.1 應用領域：錄像機，機頂盒，DVD 刻錄機

　　SCART 接口在電視機到錄像機，機頂盒，DVD錄像機和人造衛星接收器的連接中得到了廣泛的應用。由于這些應用中使用了敏感的IC 器件，ESD保護顯得非常重要。尤其是視頻和音頻信號線。

　　11.2 PRTR5V0U8S 和PRTR5V0U4D 重要特性

　　??8 kV 接觸ESD 保護。

　　??4、6、8 軌到軌通道。

　　??超低的1 pF 的電容。

　　11.3 PESD5V0L7BAS 和PESD5V0L5UW 重要特性

　　??15 kV 接觸ESD 保護。

　　??5 和8 疊ESD 保護二極管組。

　　??很小的電容16 pF。

　　12. IEEE 1394

　　12.1 應用領域：筆記本，數字便攜式攝像機

　　IP4224CZ6 是保護TPA 和TPB數據通道的靜電放電的濟佳方法。而且每一個器件內集

　　成55W 的終端電阻，從而達到極好的性能匹配。一個典型的應用如下所示：

　　12.2 IP4224CZ6 重要特性

　　??電阻匹配在TPA 與TPB 之間。

　　??不需添加過壓保護。

　　13. LVDS

　　13.1 應用領域：液晶面板，打印機，網絡集線器

　　LVDS 數據線連接廣泛應用于高速數據信號傳輸，例如，在商用打印機或者LCD面板

　　與轉接板的連接。這些應用需要ESD 保護是由于使用了敏感的IC器件。對于這些高速數據線，軌到軌保護器件完全適用。

　　13.2 PRTR5V0U4D 重要特性

　　??8 kV 接觸ESD 保護。

　　??超低的電容1 pF。

　　14. 高速接口

　　14.1 應用領域：局域網，G 比特以太網

　　新的Philips軌到軌家族被用來同時解決兩個高速接口的問題，超低的線路電容和高要

　　求的ESD 保護。

　　14.2 高速接口ESD 器件重要特性

　　??8 kV 接觸ESD 保護。

　　??2、4、6、8 軌到軌通道。

　　??超低的線路電容1.0 pF。

　　五.ESD與一般電壓保護的壓敏電阻的區別

　　現在仍然有很多電子工程師對靜電的產生及防護了解不夠，往往把靜電阻抗器（ESD）和用于一般電壓保護的壓敏電阻（EMD）混為一談。下面就簡單介紹一下壓敏電阻。

　　壓敏電阻是一種無極性過電壓保護元件，無論是交流電路或直流電路，只需將壓敏電阻器與被保護電器設備或元器件并聯即可達到保護設備的目的。壓敏電阻的缺點是易老化和電容較高，老化是指壓敏電阻內的二極管元件被擊穿。由于大多數情況下Ｐ－Ｎ結過載時會造成短路，依其負載的頻繁程度，壓敏電阻開始吸引泄漏電流，泄漏電流會在敏感的測試電路中引起測量數據誤差，同時，特別是在額定電壓高的電路中，會造成強烈發熱。

　　壓敏電阻的電容高（濟低都在100μf以上），使它在很多情況下不能在信號傳輸線路中使用。電容和導線電感形成一個低通電路，會使信號極大地衰減。但頻率大約在３０ｋＨｚ以下的衰減可以忽略不計。但是對于要求通過USB端口與計算機連接的大多數碼產品來說，一旦連接端口的電容值大于5pf時，往往會引起數據傳輸出錯或失敗。

　　電子消費類、數碼產品中專門的靜電阻抗器ESD（靜電保護元件）：電壓范圍為〈24V，極間電容有〈2.5pf的，響應速度小于1ns，極低的漏電流，封裝主要為0603和0402。工作原理是：在電器正常工作過程中，ESD只是表現為容值極低的(一般〈5pf)容抗特性，不會對正常的電器特性產生影響,且不會影響到電子產品的信號及數據傳輸；當器件兩端的過電壓達到預定的崩潰電壓時，迅速（納秒級）做出反應，以幾何級數的量放大極間漏電流通過，從而達到吸收、減弱靜電對電路特性的干擾和影響。同時，由于ESD靜電阻抗器的構成材質的特殊性，ESD往往都是通過對靜電進行吸收和耗散，亦即表現為一個充放電的過程，來達到對設備進行靜電防護，所以設備中的ESD靜電阻抗器都不易老化損壞。

　　由于國外進口電子產品時均要求通過靜電測試，這就要求我們設計產品時應充分考慮ESD問題，在硬件的設計上應該注意的有以下幾個方面的問題：首先，靜電會通過兩種渠道在傳播，一種是感應的空氣放電，另外一種是傳導；感應的空氣放電主要防護措施是屏蔽，主要考慮結構等方面的問題；傳導的防護主要是吸收，我們只要在需要保護的端口前增加ESD即可；其次，在我們增加保護器件ESD時，盡量遠離受保護的端口而盡量靠近靜電到入口；在次，在設計PCB時經過ESD期間的線路，盡量產生銳角；濟后，應該重點考慮受保護器件的地線走向問題，是否也是全部納入受保護的范疇，否則在做靜電反向脈沖測試時，無法達到正向脈沖的等級。

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