當前位置：首頁 > 技術文章 > ESD問題的通（tōng）用診斷分析方（fāng）法（fǎ）

ESD問題的通用診斷分（fèn）析方法

更新時（shí）間：2024-03-12 點擊次數：2942

靜電放電（ESD）能導致電子產品出現器件損壞和高頻幹擾兩種模式的失效，但由於ESD波形和傳輸路徑無法觀測而缺乏有效的ESD問題解決方案（àn）。利用波形發生器定性地模擬靜電放電頻譜，使（shǐ）用頻譜儀（yí）測量（liàng）內部電路耦合到的頻譜，能夠在不損壞器件的情況下定量評估ESD對內部電路的注入（rù）能力從而分析（xī）出ESD傳（chuán）輸路徑，是一種可以用於器件損（sǔn）壞ESD問題分析的方法。模擬ESD頻譜（pǔ）進行直接注入（rù）也能（néng）複現靜電幹（gàn）擾失效的現象，能夠探測定位內部（bù）敏感電路，是解（jiě）決靜電幹擾型（xíng）問題的（de）高效方法。防靜電器件（jiàn）性能的評估方法能夠篩選（xuǎn）出合適的保護（hù）器件（jiàn）給（gěi）出針對性的解決方案。實踐（jiàn）證明（míng）運用這三種方法能夠高效解決ESD問題，也為（wéi）診（zhěn）斷分析脈衝幹擾類問題的提供了新的思路和方法，在此對（duì）該方法（fǎ）的原理和操作（zuò）進行簡要介紹給大家作為參考（kǎo）。

1. ESD放電波形與ESD頻譜（pǔ）模擬

幹擾脈衝（chōng）的（de）時域（yù）波形和頻域（yù）頻譜對於（yú）分析脈衝的破壞力和幹擾能力（lì）很重要。波形電壓越（yuè）高持續（xù）時間越長內阻越小則脈衝能量越大，而上升沿越快半波時間越長（zhǎng）則頻譜越寬。靜電（diàn）放電屬於脈衝型尖峰電壓衝擊，持續時間很短但峰值電壓幅度很高，瞬時能量相比於連續波高出多個數量級，具備很強的（de）破壞力。下圖（tú）是標準的ESD靜電波形，上升沿0.8-1.2nS ，波形半波時間30nS。靜電的破壞力集中在峰值電壓，而（ér）頻譜的幹擾能力集中在上升（shēng）沿和幾十納秒的半波時間。

圖（tú）一（yī） IEC61000-4-2標準靜電放電校準波形

靜電問題分析（xī）有兩大難點：一是探頭和測量設備不（bú）能（néng）實（shí）測電（diàn）路內部靜電脈衝；二是無法使用靜電槍直接對電路內部放電進行診斷分析。而波形發生器可以幫助解決這兩個問題：將脈衝（chōng）信號（hào）轉換為持續（xù）信號能夠解決路徑分析問題，用小信號替（tì）代靜電的高壓（yā）脈衝能夠安全的用於內部（bù）注入。如下圖是波形發生器輸出10MHz，2nS上升沿方波，5V峰峰值的時域波形得到的頻譜，該波形（xíng）能夠模擬出靜（jìng）電波形的上升沿和高頻頻譜（pǔ）分（fèn）量同時又沒有（yǒu）高壓（yā）破壞性。

圖二，波形發生器模擬靜電波形的（de）實測頻譜

真實靜電頻譜相比模擬頻譜在100MHz以上的高（gāo）頻幅度更大，頻譜寬度（dù）更寬，但速度（dù）太快無法用頻譜儀觀測。模擬頻譜的持續信號雖然頻寬和幅值（zhí）低於ESD真（zhēn）實信號但（dàn）能夠被頻譜儀（yí）觀（guān）測，而且具備足夠測量深度以便測量出傳輸衰減，最重要的是信號對於（yú）整個低壓（yā）電路都是安全（quán）的（de），從而可以對內部電路進行細致的評估分析。

2. 利用ESD模擬頻譜進行路徑分析

由於ESD幹擾頻譜和脈衝的路徑是同一的，通過確定幹擾頻譜傳輸路徑也就能分析出靜電（diàn）脈衝的路（lù）徑，這就（jiù）是通過模（mó）擬頻譜探測能夠實現靜電路徑分析（xī）的基本原理（lǐ）。這（zhè）種方（fāng）法（fǎ）對於分析器件損壞問題（tí）非常有意義。

圖三靜電注入破（pò）壞器件的示意圖

上圖是一個ESD損壞失效案例的一（yī）般等效模型，該單板端口施加6kV接觸放電時（shí）100%概率造成內部一個功能芯片損壞。損壞芯片與注入端口之間（jiān）無電路連結，無法進（jìn）行耦合路（lù）徑分析，且由於更換芯片非常耗時因（yīn）此該問題采用傳統方（fāng）法解決難度很大，需要采用更高效的方法。

圖四模擬靜電脈衝注入（rù）分析靜電注入路徑的示意圖

上圖是采用模擬頻譜（pǔ）分析靜電注入路徑的示意圖。端口注入持續的模擬頻譜（pǔ）（10MHz，2nS上升沿方（fāng）波，5V峰峰值），采用隔直之後（hòu）的探（tàn）針連結頻譜（pǔ）儀觀（guān）測內部電（diàn）路耦合到的頻譜幅值，探針測試點和端（duān）口注入點之間的頻（pín）譜幅度（dù）差值就是兩點之間（jiān）靜電傳輸損耗，也就可評（píng）估（gū）出靜電通過傳導和耦（ǒu）合進入到內部電路的程度。

圖五模擬靜電注入（rù）探（tàn）測電路內部耦合能力的設備和布置

我們以上圖的布置進行單板靜電耦合（hé）能力評估，采用插損夾具和金屬板作為參考麵，注入和接收阻抗選擇50Ω，通過觀測頻（pín）譜（pǔ）的（de）衰減（jiǎn）判斷靜（jìng）電在電路內部的（de）傳輸損耗：如衰減明顯時可以認為該路徑（jìng）對靜電（diàn）能量傳輸有阻礙作用，如濾波器、隔離（lí）器件、電（diàn）容電阻等器件（jiàn）管腳；而未觀察到頻譜衰減的電（diàn）路可以認為靜（jìng）電能以良（liáng）好通路注入到該部分。實際觀測發現板上很多位置得到0衰減的耦合，尤其（qí）是受（shòu）損芯（xīn）片某引腳（jiǎo）全頻段未觀測到任何衰減，可以斷定（dìng）靜電能從（cóng）端口完（）全施加到該引腳並損壞芯片。該（gāi）案（àn）例中對該引腳增加相應的電容作為靜電吸收方案後可以觀測到頻譜有明顯的衰減（jiǎn）（10dB下降），意（yì）味著靜（jìng）電注入（rù）對該電路的耦合能（néng）力明顯下降，實（shí）測端口的靜電能力由6kV 100%損（sǔn）壞到10kV觀測不到損（sǔn）壞現象。

3. 利用波形發生器進行ESD幹擾問題診斷分析（xī）方法

對於ESD幹擾失效問（wèn）題，利用（yòng）模擬頻譜進行（háng）直接注入依然是高效的診斷（duàn）分析方（fāng）法，能夠快速複現問題並且對（duì）內部電路進行定點（diǎn）分析，最終快速找到並驗證解決方案。

圖（tú）六（liù）模擬靜電脈（mò）衝注入分析靜電幹擾（rǎo）問題示意圖

靜電幹擾（rǎo）的失效本身就是由靜電的高頻（pín）頻譜能量引起的，采用波（bō）形發（fā）生器模擬該高頻（pín）能量進行（háng）注入能（néng）夠大概率的複現到相同的幹擾現象。波形（xíng）發生器采用10MHz方波脈衝50%占空比（bǐ），1-10V峰峰值（zhí）輸出能夠模擬出ESD在10-300MHz頻段的頻譜和幅值（針對不同問（wèn）題可以調整模擬波形參數進行問題複現），通過電容進行隔離直流之（zhī）後（hòu）利（lì）用金屬探針就能對（duì）電路內部進行注入（rù）探測。這種方法不（bú）依賴其他資源而（ér）且可以在研（yán）發場地方便的進行（隻需要使用波（bō）形發生器、示波器、頻譜儀、接地參考板等），可以（yǐ）讓研發工程師（shī）非常從容地去分析和優（yōu）化解決方案。

4. 防靜電器件性能的評估（gū）方（fāng）法

防靜電器件性能評估方法是2022年提出並（bìng）發表於（yú）電磁兼容公眾號的一種新方法，由於對尋找ESD問題的解決方案有（yǒu）很強的指導意義，在此結合診斷分（fèn）析再進行簡要介（jiè）紹。

圖七防（fáng）靜（jìng）電器件性能測（cè）量原理示意圖

防靜電器件（jiàn）性能評估係統包括靜電槍、同軸夾具、3dB衰減器、同軸電（diàn）纜以及示波（bō）器。標準靜電槍作（zuò）為靜電（diàn）源，通過比較初始電壓波形和附加防靜電器件（jiàn）之後的電壓波形就能分析出器件的（de）抑製效（xiào）果。

圖八初始靜（jìng）電波形校準布置


400V初始靜電波形	800V初始（shǐ）靜電波形超出示（shì）波器測量範（fàn）圍

圖九初始靜電脈衝在夾具上的分壓波（bō）形


400V靜電注入雙向TVS	4000V靜電注（zhù）入雙向TVS 吸收（shōu）作用明顯

圖十附加（jiā）雙向TVS之後的分壓波形

圖上可以看出TVS對靜電注（zhù）入（rù）脈衝波形產生截止（zhǐ）作用，意味（wèi）著TVS已經觸發保護功能將靜電能量泄放，關斷保（bǎo）護後TVS存在殘壓，該實測結果（guǒ）與TVS規格吻合。TVS由於很小的（de）結電容可以用於信號端口的ESD防護。


8000V靜電注（zhù）入SMD 4.7uF 完（）全吸收	4000V靜電注入引線（xiàn）聚乙烯薄膜 2.2uF高效吸收

4000V靜電注入引線（xiàn）瓷片100nF 高效吸（xī）收（shōu）	8000V靜電注（zhù）入引線瓷片 100nF高效吸（xī）收

800V靜電注入引線（xiàn）瓷片 1nF 略有效果	1000V靜（jìng）電注入引線瓷（cí）片 1nF 略有效果

圖十一附加不同電容之後的的分壓波形

不同電容的測試結果我們可以看出電容對靜電的吸收效果有影響的是材質、引線ESL和電容容量。100nF以上的貼（tiē）片電容能夠完（wán）（）全吸收靜電的能量，1nF 貼片電容（róng）就能有一些吸收效果，其他材質電容吸收（shōu）效果稍遜於貼片電容，因此對於能夠增加（jiā）電容的電路建議優選貼片電容方（fāng）案（àn），不能使用電容的電路選（xuǎn）擇TVS或ESD吸收器件。

5. 小結

本案例通過模擬（nǐ）頻譜注入分析路徑的方法（fǎ）找到芯片上對靜電脈衝耦合度最大的引腳，通過防靜電器件實測數據的指（zhǐ）導對該引腳增加貼片電容分別對電源和地進行靜電能量吸收，最終快速地定位和解決了該靜電問題。

波形發生器脈衝模擬注入（rù）的方法（fǎ）在（zài）解決各類脈衝型抗擾（rǎo）度問題（ESD, EFT, SURGE等）有很大的應（yīng）用潛力。將瞬態脈衝轉化為持續頻（pín）譜的再進行（háng）耦合探測的方法能夠有效分析ESD器件損壞失效問題，模擬幹擾頻譜注（zhù）入也能夠實（shí）現ESD幹擾失（shī）效類問題的精準定（dìng）位，防靜電器件（jiàn）性能測試的方法對於ESD器件選型有指導意義，這三種（zhǒng）措（cuò）施的綜合應用有可能（néng）成為ESD問題的通（tōng）用診斷分析方法。