esd静电保护

1. 概述

随着多媒体应用在每个人的日常生活中扮演的角色日益增长，计算机与消费电子之间的关系也日益密切，对便携性和功能性方面的增长会有持续性的需求。这就要求元件有更高的集成度——总的趋势却是导致敏感而昂贵的芯片,由于存在外部接口的ESD 浪涌而遭到损坏的风险也在增长。

为了抵消这种风险，Philips 提供了一系列宽范围的完整分立产品，致力于保护、消除和滤波所有相关的I/O 端口。

作为USB 开发者论坛的关键成员，Philips 提供了多种保护解决方案，包括用于USB 接口的滤波和消除器件，范围从主板到笔记本。

2. USB 1.1 – 端口保护

2.1 应用领域：MP3 播放器、PDA、数码相机通用串行总线（USB）是一种支持热插拔和可移动的系统，因此对静电特别敏感。Philips提供的ESP 保护二极管，以及联合ESD 保护、滤波和消除的器件，针对所有便携式USB 1.1应用，比如PDA、MP3 播放器和数码相机。

2.2 IP4058CX8/LF 重要特性

线路终端。

EMI 滤波。

8 kV I/O ESD 保护。

8 kV ESD ID 管脚保护。

2.3 PESD5V0L2UM 重要特性

15 kV 接触I/O ESD 保护。

极低的漏电电流5 nA。

很低的电容16 pF。

极小的SMD 封装。

3. USB 2.0 -单端口OTG 保护

3.1 应用领域：打印机，数码相机

USB2.0 接口由一对差分数字信号构成，数据传输率最高达到480 Mbps，普遍运用于连接个人PC，笔记本和嵌入式计算机工作站的外设端口。Philips 在USB 运用中提供了一系列的超低电容的ESD 保护器件。

3.2 IP4059CX6/LF 重要特性

8 kV 接触I/O ESD 保护。

15 kV 接触 ESD ID 管脚保护。

很小的面积。

4. USB 2.0 -单端口保护

4.1 应用领域：打印机、数码相机、笔记本

由于处理数据的速率高达480Mbps，USB 2.0 接口为了避免信号失真而需要配备具有超低线路电容的ESD 保护器件。Philips 的超低电容ESD 保护系列器件非常适合于USB 应用，包括打印机、数码相机和笔记本。

4.2 PRTR5V0U2X 重要特性

8 kV 接触I/O ESD 保护。

超低的线路电容1.0 pF 。

4.3 PRTR5V0U2AX 重要特性

12 kV 接触I/O ESD 保护。

超低的线路电容1.8 pF。

5. USB 2.0 –双端口保护

5.1 应用领域：笔记本，PC 主板

在使用双端口USB 2.0 设备时，为了使干挠带来的风险最小化，推荐使用最低电容的

ESD 保护器件。电容仅有1 pF，Philips PRTR5V0U4D 提供了服从IEC61000-4-2 标准的防护。

5.2 PRTR5V0U4D 重要特性

12 kV 接触ESD 保护。

超低的线路电容1.0 pF。

6. RGB/VGA 接口

6.1 应用领域：图形卡，笔记本，PC 主板，监视器

VGA 接口广泛用于图形卡，笔记本，PC 主板和监视器之间的模拟视频信号的连接，还有提供给用户最大限度可调的ESD 器件IP4274CZ16，不带上拉电阻，允许不同阻值的上拉电阻从而应用于一些特殊的设计场合。

6.2 IP4273CZ16 重要特性

8 kV 接触ESD 保护。

超低5 pF 的线路电容。

线路终端。

上拉电阻（可选）。

EMI 滤波。

完全集成的75 欧电阻。

6.3 IP4274CZ16 重要特性

8 kV 接触ESD 保护。

超低5 pF 的线路电容。

线路终端。

EMI 滤波。

完全集成的75 欧电阻。

6.4 IP4272CZ16 重要特性

8 kV 接触ESD 保护。

超低5 pF 的线路电容。

线路终端。

EMI 滤波。

RGB 输入输出独立。

完全集成的75 欧电阻。

7. DVI/HDMI 接口

7.1 应用领域：液晶电视，监视器，DVD

DVI 和HDMI 接口已常用于数字视频与音频和显示平板的连接。由于高频信号（最高

达1.6GHz）的处理要求这些数据线配置极低的线路电容。Philips 提供了独特的1pF 的线路电容保护器件。性能继续维持8 kV 的可接触的IEC61000－4－2 标准。

7.2 PRTR5V0U8S 和PRTR5V0U4D 重要特性

8 kV 接触ESD 保护。

8. IEEE 1284 接口

8.1 应用领域：并行打印端口

对于传统的并行端口（IEEE 1284），Philips 提供了多种ESD 保护二极管组，他们集成在一个很小的SMD 封装里，从4 线到18 线不等的ESD 保护。与离散的二极管相比，这种ESD 的箝位性能更加优良。

8.2 IEEE 1284 接口ESD 芯片重要特性

15 kV 接触ESD 保护。

超低的泄漏电流5 nA。

很低的电容16 pF。

9. 独立的音频/视频接口

9.1 应用领域：笔记本，PC 主板，声音和图像卡

外部接口开放的音频信号线需要ESD 保护去驱动音频芯片。Philips 提供了一款小巧的

4 通道ESD 保护器件，以较低的综合成本给消费者最大的利益。

9.2 PRTR5V0U4D 重要特性

8 kV 接触ESD 保护。

超低的1 pF 的电容。

9.3 PRTR5V0L4UW 重要特性

10. S-视频/音频接口

10.1 应用领域：笔记本，PC 主板，声音和图像卡

4 通道ESD 保护器件，以较低的综合成本给用户最大的利益。

10.2 PRTR5V0U4D 重要特性

8 kV 接触ESD 保护。

超低的1 pF 的电容。

10.3 PESD5V0L5UW 重要特性

15 kV 接触ESD 保护。

很小的电容16 pF。

超小的SOT666 SMD 封装。

11. SCART 接口

11.1 应用领域：录像机，机顶盒，DVD 刻录机

SCART 接口在电视机到录像机，机顶盒，DVD 录像机和人造卫星接收器的连接中得到了广泛的应用。由于这些应用中使用了敏感的IC 器件，ESD 保护显得非常重要。尤其是视频和音频信号线。

11.2 PRTR5V0U8S 和PRTR5V0U4D 重要特性

8 kV 接触ESD 保护。

4、6、8 轨到轨通道。

超低的1 pF 的电容。

11.3 PESD5V0L7BAS 和PESD5V0L5UW 重要特性

15 kV 接触ESD 保护。

5 和8 叠ESD 保护二极管组。

很小的电容16 pF。

12. IEEE 1394

12.1 应用领域：笔记本，数字便携式摄像机

IP4224CZ6 是保护TPA 和TPB 数据通道的静电放电的最佳方法。而且每一个器件内集

成55W 的终端电阻，从而达到极好的性能匹配。一个典型的应用如下所示：

12.2 IP4224CZ6 重要特性

电阻匹配在TPA 与TPB 之间。

不需添加过压保护。

13. LVDS

13.1 应用领域：液晶面板，打印机，网络集线器

LVDS 数据线连接广泛应用于高速数据信号传输，例如，在商用打印机或者LCD 面板

与转接板的连接。这些应用需要ESD 保护是由于使用了敏感的IC 器件。对于这些高速数据线，轨到轨保护器件完全适用。

13.2 PRTR5V0U4D 重要特性

8 kV 接触ESD 保护。

超低的电容1 pF。

14. 高速接口

14.1 应用领域：局域网，G 比特以太网

新的Philips 轨到轨家族被用来同时解决两个高速接口的问题，超低的线路电容和高要

求的ESD 保护。

14.2 高速接口ESD 器件重要特性

8 kV 接触ESD 保护。

2、4、6、8 轨到轨通道。

超低的线路电容1.0 pF。

表面电阻率：简单地说表面电阻率就是同一表面上两电极之间所测得的电阻值，将电极形状和电阻值结合在一起通过计算可得到单位面积的电阻值。市面上可以买得到读数为单位面积电阻值的测量仪。

体电阻率：体电阻率是通过材料厚度的电阻值，单位是Ω·cm。

导电材料：导电材料指表面电阻率和体电阻率分别小于1000,000Ω和1000,000Ω·cm的材料。

耗散材料：耗散材料指表面电阻率和体电阻率分别小于1000,000,000,000Ω或1000,000,000,000Ω·cm的材料。

防静电材料：“防静电”指的是能够抑制电荷累积，可以在材料制造过程中添加或者局部加入某种物质得到这种特性。防静电材料无需用表面或体电阻率表示。

导电添加剂和薄膜 如果由于成本或者其他设计上的原因只能使用塑料材料或复合材料时，可以使用添加剂改善静电特性，将添加剂混入塑料材料中，根据添加剂和树脂百分比不同可获得所需的导电性或耗散性。

在树脂中加入纤维可以使之获得导电性或耗散性并增强强度，这种纤维可能本身就有导电性或者采用了表面电镀工艺。虽然添加纤维可得到这些好处，但它也改变了收缩率和韧性。填充剂可以提供导电性和耗散性，增加强度，但常常会降低基体树脂的硬度。表1是一些常见的导电添加剂。

传送带 传送带用来输送元件、PCB和其他器件，材料一般为塑料、纤维制品或橡胶。如果传送带要接收从机器其他部分传来的器件，那么它应该采用耗散性材料。当传动带表面电阻率为1～1000,000Ω时，它会使带电器件放电速度太快，对器件造成损害；当表面电阻在1000,000Ω～1000,000,000Ω时，只要传送带通过转轮滑轮和机架良好接地，传送带上就不会带电。

另一个要考虑的问题是传送带速度。如果传送带运动速度太快，器件放到传送带上时就可能会滑动(或者器件保持不动而传送带继续在动)，这时就会形成摩擦生电，传送带如果接地能使电荷耗散掉，但是器件或PC板仍带有电荷而会造成危害。

导向装置和导轨 导向装置和导轨用来提供通道或者使器件放于一个固定的位置或保持一定的方向性，采用的材料应能使电荷耗散掉并且防止器件摩擦生电。表面电阻率为1000,000Ω的材料具有良好耗散性而且不会损伤器件，如果送入的器件处于无静电状态，也可以使用导电性材料(表面电阻率低于1000,000Ω)。

四大原则

*环境控制

*人员控制

*包装材料控制

*人员训练

基本方法　1.接地 接地就是将静电通过一条线的连接放入大地，这是防静电措施中最直接最有效的。导体常用的接地方法有：带防静电手腕及工作表面接地等。　2.静电屏蔽 静电敏感元件在储存或运输过程中会暴露于有静电的区域中，用静电屏蔽的方法可削弱外界静电对电子元件的影响。最通常的方法是用静电屏蔽袋作为保护。　3.离子中和 绝缘体往往是易产生静电的，对绝缘体静电的消除，用接地方法是无效的，通常采用的方法是离子中和， 即在工作环境中使用离子风机，离子气枪。

ESD（静电放电）对电子产品造成的破坏和损伤有突发性损伤和潜在性损伤两种。所谓突发性损伤，指的是器件被严重损坏，功能丧失。这种损伤通常能够在生产过程中的质量检测中能够发现，因此给工厂带来的主要是返工维修的成本。而潜在性损伤指的是器件部分被损，功能尚未丧失，且在生产过程的检测中不能发现，但在使用当中会使产品变得不稳定，时好时坏，因而对产品质量构成更大的危害。这两种损伤中，潜在性失效占据了90%，突发性失效只占10%。也就是说90%的静电损伤是没办法检测到，只有到了用户手里使用时才会发现。手机出现的经常死机、自动关机、话音质量差、杂音大、信号时好时差、按键出错等问题有绝大多数与静电损伤相关。也因为这一点，静电放电被认为是电子产品质量最大的潜在杀手，静电防护也成为电子产品质量控制的一项重要内容。而国内外品牌手机使用时稳定性的差异也基本上反映了他们在静电防护及产品的防静电设计上的差异。

esd静电的产生

静电是一种客观存在的自然现象，产生的方式多种，如接触、摩擦、电器间感应等。静电的特点是长时间积聚、高电压、低电量、小电流和作用时间短的特点。

人体自身的动作或与其他物体的接触，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，常常造成电子电器产品运行不稳定，甚至损坏。

生产过程中静电防护的主要措施为静电泄露、耗散、中和、增湿，屏蔽与接地。

人体静电防护系统主要有防静电手腕带、脚腕带、脚跟带、工作服、鞋袜、帽、手套或指套等组成，具有静电泄放，中和与屏蔽等功能。

静电防护工作是一项长期的系统工程，任何环节的失误或疏漏，都将导致静电防护工作的失败。

esd静电的危害

静电在我们的日常生活中可以说是无处不在，我们的身上和周围就带有很高的静电电压，几千伏甚至几万伏。平时可能体会不到，人走过化纤的地毯静电大约是35000伏，翻阅塑料说明书大约7000伏，对于一些敏感仪器来讲，这个电压可能会是致命的危害。

静电学主要研究静电应用技术，如静电除尘、静电复印、静电生物效应等。更主要的是静电防护技术，如电子工业、石油工业、兵器工业、纺织工业、橡胶工业以及宇航与军事领域的静电危害，寻求减少静电造成的损失。 随着科学技术的飞速发展、微电子技术的广泛应用及电磁环境越来越复杂，静电放电的电磁场效应如电磁干扰（EMI）及电磁兼容性（EMC）问题，已经成为一个迫切需要解决的问题。一方面，一些电阻率很高的高分子材料如塑料，橡胶等的制品的广泛应用以及现代生产过程的高速化，1967年7月29日，美国Forrestal航空母舰上发生严重事故，一架A4飞机上的导弹突然点火，造成了7200万美元的损失，并造成人员损伤134人，调查结果显示导弹屏蔽接头不合格，静电引起了点火。1969年底，在不到一个月的时间内，荷兰、挪威、英国三艘20万吨超级油轮洗舱时产生的静电引起相继发生爆炸。

我国在石化企业曾发生30多起因静电造成了严重火灾爆炸事故。许多工业发达国家都建立了静电研究机构，我国从60年代末开始开展了一些静电研究工作，80年代开始以来, 我国的静电研究发展极为迅速。1981年成立了中国物理学会静电专业委员会并召开了第一次全国静电学术会议，全国性的和各地方的静电学术会议不断召开，静电研究和应用的范围也越来越广，科研队伍不断壮大。

IEC61340-5-1:2007标准是ESD S20.20:2007之外的另一个新的防静电国际认证标准，IEC61340-5-1:2007标准是对通过ESD S20.20:2007标准更新， 欧洲和日本企业会更倾向于IEC61340-5-1标准的认证，对ESDS20.20:2007标准认证的客户，其静电防护体系也可以按IEC61340-5-1:2007标准方便地进行转换。ESD 适用的行业包括电子电气，IT 和通讯以及汽车等。

1.静电防护要求高的企业，如生产晶片，磁头的企业。

2.知名跨国公司的下属企业或者供应商，如 IBM,INTEL 等。

3.承接 OEM、ODM 的知名 EMS 企业。

我国已经成为电子产品的加工基地，在珠三角、长三角集中了众多的电子产品加工企业。这些企业的 ESD 控制工作绝大多数没有按照美国标准建立ESD20.20 方案，工厂的ESD控制工作无非 是购买防静电工作服和手腕带这些简单的 ESD 用品，距离 ESD 20.20 标准有很大的差距。很多企业在遇到国外的大客户现场稽核时，往往在做了精心的准备之后，却还是因为 ESD 问题被拒之门外。ESD 技术水平的提高是整个电子行业的当务之急，ESD 体系标准的推广和普及任务艰巨。

ANSI/ESD相关知识

ANSI成立于1918年，原名是美国工程标准委员会（American Engineering Standards Committee；AESC），1928年改名为美国标准协会（American Standards Association；ASA），1966年改名为美国标准学会（America Standards Institute；USASI），1969年正式改为现名美国国家标准学会（American National Standards Institute，ANSI）。

ESD20.20 标准

ANSI/ESD S20.20:2007 是美国 ESD Association（ESD 协会）于 2000 年 正式推出认可的认证项目，该协会由电子元器件的制造、使用商组成的，主要成员包括了 IBM，MOTOROLA 等公司，这些公司的 OEM 工厂或供货商必须要通过 ESD S20.20 认 证认可，才能获取和保持 OEM 和供应产品的资格。所以，可以认为 ESD20.20 是一个买方认证标准，对于那些芯片、电子元器件、电源及转换器、显示屏的制造商而言，要成为知名品牌的供应商，ESD20.20 近似于一个强制认证标准。

仍然有很多电子工程师对静电的产生及防护了解不够，往往把静电阻抗器（ESD）和用于一般电压保护的压敏电阻（EMD）混为一谈。下面就简单介绍一下压敏电阻。

压敏电阻是一种无极性过电压保护元件，无论是交流电路或直流电路，只需将压敏电阻器与被保护电器设备或元器件并联即可达到保护设备的目的。压敏电阻的缺点是易老化和电容较高，老化是指压敏电阻内的二极管元件被击穿。由于大多数情况下P－N结过载时会造成短路，依其负载的频繁程度，压敏电阻开始吸引泄漏电流，泄漏电流会在敏感的测试电路中引起测量数据误差，同时，特别是在额定电压高的电路中，会造成强烈发热。

压敏电阻的电容高（最低都在100pf以上），使它在很多情况下不能在信号传输线路中使用。电容和导线电感形成一个低通电路，会使信号极大地衰减。但频率大约在30kHz以下的衰减可以忽略不计。但是对于要求通过USB端口与计算机连接的大多数码产品来说，一旦连接端口的电容值大于5pf时，往往会引起数据传输出错或失败。

电子消费类、数码产品中专门的静电阻抗器ESD（静电保护元件）：电压范围为〈24V，极间电容有〈2.5pf的，响应速度小于1ns，极低的漏电流，封装主要为0603和0402。工作原理是：在电器正常工作过程中，ESD只是表现为容值极低的(一般〈5pf)容抗特性，不会对正常的电器特性产生影响,且不会影响到电子产品的信号及数据传输；当器件两端的过电压达到预定的崩溃电压时，迅速（纳秒级）做出反应，以几何级数的量放大极间漏电流通过，从而达到吸收、减弱静电对电路特性的干扰和影响。同时，由于ESD静电阻抗器的构成材质的特殊性，ESD往往都是通过对静电进行吸收和耗散，亦即表现为一个充放电的过程，来达到对设备进行静电防护，所以设备中的ESD静电阻抗器都不易老化损坏。

由于国外进口电子产品时均要求通过静电测试，这就要求我们设计产品时应充分考虑ESD问题，在硬件的设计上应该注意的有以下几个方面的问题：首先，静电会通过两种渠道在传播，一种是感应的空气放电，另外一种是传导；感应的空气放电主要防护措施是屏蔽，主要考虑结构等方面的问题；传导的防护主要是吸收，我们只要在需要保护的端口前增加ESD即可；其次，在我们增加保护器件ESD时，尽量远离受保护的端口而尽量靠近静电到入口；在次，在设计PCB时经过ESD期间的线路，尽量产生锐角；最后，应该重点考虑受保护器件的地线走向问题，是否也是全部纳入受保护的范畴，否则在做静电反向脉冲测试时，无法达到正向脉冲的等级。

ESD 认证时根据 ANSI/ESD S20.20，是对企业的 ESD 体系（包括文件、人员及防护设施体等）进行 认证。ESD 标准是基于 ISO 9001 基础上对静电放电防护控制体系的特定要求。标准对工厂的 ESD 体 系的建立、EPA 的建立、敏感器件的包装、生产各环节的处理、人员培训和考核、内审制度的建立 和检查、检测手段等各方面都作了明确的规定。

前言

致谢

第1章ESD设计综合

第2章ESD架构和平面布局

第3章ESD电源网络设计

第4章ESD电源钳位

第5章ESD信号引脚网络的设计与综合

第6章保护环的设计与综合

第7章ESD全芯片设计——集成与结构