ESD

靜電阻抗器

ESD（Electro-Static discharge）的意思是“靜電釋放”。ESD是20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，國際上習慣將用於靜電防護的器材統稱為ESD，中文名稱為靜電阻抗器。

目錄

1認證標準 2說明 3知識介紹靜電的產生

靜電的危害 4行業的困擾 5ESD的介紹

6常見概念 7靜電保護 8區別

認證標準

我國已經成為電子產品的加工基地，在珠三角、長三角集中了眾多的電子產品加工企業。這些企業的 ESD 控制工作絕大多數沒有按照美國標準建立ESD20.20 方案，工廠的ESD控制工作無非是購買防靜電工作服和手腕帶這些簡單的 ESD 用品，距離 ESD 20.20 標準有很大的差距。很多企業在遇到國外的大客戶現場稽核時，往往在做了精心的準備之後，卻還是因為 ESD 問題被拒之門外。ESD 技術水平的提高是整個電子行業的當務之急，ESD 體系標準的推廣和普及任務艱巨。

ANSI/ESD相關知識

ESD[靜電阻抗器]

ESD[靜電阻抗器]

ANSI成立於1918年，原名是美國工程標準委員會（American Engineering Standards Committee；AESC），1928年改名為美國標準協會（American Standards Association；ASA），1966年改名為美國標準學會（America Standards Institute；USASI），1969年正式改為現名美國國家標準學會（American National Standards Institute，ANSI）。

ESD20.20 標準

ANSI/ESD S20.20:2007 是美國 ESD Association（ESD 協會）於 2000 年正式推出認可的認證項目，該協會由電子元器件的製造、使用商組成的，主要成員包括了 IBM，MOTOROLA 等公司，這些公司的 OEM 工廠或供貨商必須要通過 ESD S20.20 認證認可，才能獲取和保持 OEM 和供應產品的資格。所以，可以認為 ESD20.20 是一個買方認證標準，對於那些晶元、電子元器件、電源及轉換器、顯示屏的製造商而言，要成為知名品牌的供應商，ESD20.20 近似於一個強制認證標準。

說明

IEC61340-5-1:2007標準是ESD S20.20:2007之外的另一個新的防靜電國際認證標準，IEC61340-5-1:2007標準是對通過ESD S20.20:2007標準更新，歐洲和日本企業會更傾向於IEC61340-5-1標準的認證，對ESDS20.20:2007標準認證的客戶，其靜電防護體系也可以按IEC61340-5-1:2007標準方便地進行轉換。ESD 適用的行業包括電子電氣，IT 和通訊以及汽車等。

1.靜電防護要求高的企業，如生產晶片，磁頭的企業。

2.知名跨國公司的下屬企業或者供應商，如 IBM,INTEL 等。

3.承接 OEM、ODM 的知名 EMS 企業。

知識介紹

靜電的產生

靜電是一種客觀存在的自然現象，產生的方式多種，如接觸、摩擦、電器間感應等。靜電的特點是長時間積聚、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，常常造成電子電器產品運行不穩定，甚至損壞。

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、腳跟帶、工作服、鞋襪、帽、手套或指套等組成，具有靜電泄放，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，對於一些敏感儀器來講，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、靜電複印、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、橡膠工業以及宇航與軍事領域的靜電危害，尋求減少靜電造成的損失。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複雜，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，橡膠等的製品的廣泛應用以及現代生產過程的高速化，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，並造成人員損傷134人，調查結果顯示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並召開了第一次全國靜電學術會議，全國性的和各地方的靜電學術會議不斷召開，靜電研究和應用的範圍也越來越廣，科研隊伍不斷壯大。

行業的困擾

ESD（靜電放電）對電子產品造成的破壞和損傷有突發性損傷和潛在性損傷兩種。所謂突發性損傷，指的是器件被嚴重損壞，功能喪失。這種損傷通常能夠在生產過程中的質量檢測中能夠發現，因此給工廠帶來的主要是返工維修的成本。而潛在性損傷指的是器件部分被損，功能尚未喪失，且在生產過程的檢測中不能發現，但在使用當中會使產品變得不穩定，時好時壞，因而對產品質量構成更大的危害。這兩種損傷中，潛在性失效佔據了90%，突發性失效只佔10%。也就是說90%的靜電損傷是沒辦法檢測到，只有到了用戶手裡使用時才會發現。手機出現的經常死機、自動關機、話音質量差、雜音大、信號時好時差、按鍵出錯等問題有絕大多數與靜電損傷相關。也因為這一點，靜電放電被認為是電子產品質量最大的潛在殺手，靜電防護也成為電子產品質量控制的一項重要內容。而國內外品牌手機使用時穩定性的差異也基本上反映了他們在靜電防護及產品的防靜電設計上的差異。

ESD的介紹

四大原則

*環境控制

*人員控制

*包裝材料控制

*人員訓練

基本方法　1.接地接地就是將靜電通過一條線的連接放入大地，這是防靜電措施中最直接最有效的。導體常用的接地方法有：帶防靜電手腕及工作表面接地等。　2.靜電屏蔽靜電敏感元件在儲存或運輸過程中會暴露於有靜電的區域中，用靜電屏蔽的方法可削弱外界靜電對電子元件的影響。最通常的方法是用靜電屏蔽袋作為保護。　3.離子中和絕緣體往往是易產生靜電的，對絕緣體靜電的消除，用接地方法是無效的，通常採用的方法是離子中和，即在工作環境中使用離子風機，離子氣槍。

常見概念

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。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於1000,000Ω和1000,000Ω·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於1000,000,000,000Ω或1000,000,000,000Ω·cm的材料。

防靜電材料：“防靜電”指的是能夠抑制電荷累積，可以在材料製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於成本或者其他設計上的原因只能使用塑料材料或複合材料時，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並增強強度，這種纖維可能本身就有導電性或者採用了表面電鍍工藝。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、纖維製品或橡膠。如果傳送帶要接收從機器其他部分傳來的器件，那麼它應該採用耗散性材料。當傳動帶表面電阻率為1～1000,000Ω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1000,000Ω～1000,000,000Ω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於一個固定的位置或保持一定的方向性，採用的材料應能使電荷耗散掉並且防止器件摩擦生電。表面電阻率為1000,000Ω的材料具有良好耗散性而且不會損傷器件，如果送入的器件處於無靜電狀態，也可以使用導電性材料(表面電阻率低於1000,000Ω)。

靜電保護

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係也日益密切，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晶元，由於存在外部介面的ESD 浪涌而遭到損壞的風險也在增長。

為了抵消這種風險，Philips 提供了一系列寬範圍的完整分立產品，致力於保護、消除和濾波所有相關的I/O 埠。

作為USB 開發者論壇的關鍵成員，Philips 提供了多種保護解決方案，包括用於USB 介面的濾波和消除器件，範圍從主板到筆記本。

2. USB 1.1 – 埠保護

2.1 應用領域：MP3 播放器、PDA、數碼相機通用串列匯流排（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 保護二極體，以及聯合ESD 保護、濾波和消除的器件，針對所有攜帶型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 -單埠OTG 保護

3.1 應用領域：印表機，數碼相機

USB2.0 介面由一對差分數字信號構成，數據傳輸率最高達到480 Mbps，普遍運用於連接個人PC，筆記本和嵌入式計算機工作站的外設埠。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 -單埠保護

4.1 應用領域：印表機、數碼相機、筆記本

由於處理數據的速率高達480Mbps，USB 2.0 介面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於USB 應用，包括印表機、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 –雙埠保護

5.1 應用領域：筆記本，PC 主板

在使用雙埠USB 2.0 設備時，為了使干撓帶來的風險最小化，推薦使用最低電容的

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 介面

6.1 應用領域：圖形卡，筆記本，PC 主板，監視器

VGA 介面廣泛用於圖形卡，筆記本，PC 主板和監視器之間的模擬視頻信號的連接，還有提供給用戶最大限度可調的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於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 介面

7.1 應用領域：液晶電視，監視器，DVD

DVI 和HDMI 介面已常用於數字視頻與音頻和顯示平板的連接。由於高頻信號（最高

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。

8. IEEE 1284 介面

8.1 應用領域：并行列印埠

對於傳統的并行埠（IEEE 1284），Philips 提供了多種ESD 保護二極體組，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。與離散的二極體相比，這種ESD 的箝位性能更加優良。

8.2 IEEE 1284 介面ESD 晶元重要特性

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/視頻介面

9.1 應用領域：筆記本，PC 主板，聲音和圖像卡

外部介面開放的音頻信號線需要ESD 保護去驅動音頻晶元。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最大的利益。

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

10. S-視頻/音頻介面

10.1 應用領域：筆記本，PC 主板，聲音和圖像卡

4 通道ESD 保護器件，以較低的綜合成本給用戶最大的利益。

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 介面

11.1 應用領域：錄像機，機頂盒，DVD 刻錄機

SCART 介面在電視機到錄像機，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。由於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 保護二極體組。

很小的電容16 pF。

12. IEEE 1394

12.1 應用領域：筆記本，數字攜帶型攝像機

IP4224CZ6 是保護TPA 和TPB 數據通道的靜電放電的最佳方法。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，印表機，網路集線器

LVDS 數據線連接廣泛應用於高速數據信號傳輸，例如，在商用印表機或者LCD 面板

與轉接板的連接。這些應用需要ESD 保護是由於使用了敏感的IC 器件。對於這些高速數據線，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. 高速介面

14.1 應用領域：區域網，G 比特乙太網

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

求的ESD 保護。

14.2 高速介面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。

區別

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）和用於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並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體元件被擊穿。由於大多數情況下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（最低都在100pf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。但是對於要求通過USB埠與計算機連接的大多數碼產品來說，一旦連接埠的電容值大於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）：電壓範圍為〈24V，極間電容有〈2.5pf的，響應速度小於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，由於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。

由於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，在硬體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埠前增加ESD即可；其次，在我們增加保護器件ESD時，盡量遠離受保護的埠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；最後，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範疇，否則在做靜電反向脈衝測試時，無法達到正向脈衝的等級。

高速電路

不管選擇怎樣的TVS器件，它們在電路板上的布局非常重要。TVS布局前的導線長度應該減到最小，因為快速(0.7ns)ESD脈衝可能產生導致TVS保護能力下降的額外電壓。

另外，快速ESD脈衝可能在電路板上相鄰(平行)導線間產生感應電壓。如果上述情況發生，由於將不會得到保護，因為感應電壓路徑將成為另一條讓浪涌到達IC的路徑。因此，被保護的輸入線不應該被放置在其它單獨、未受保護的走線旁邊。推薦的ESD抑制器件PCB布局方案應該是：放置在被保護的IC之前，但盡量與連接器/觸點PCB側盡量近；放置在與信號線串聯任何電阻之前；放置在包含保險絲在內的過濾或調節器件之前；放置在IC之前的其他可能有ESD的地方。

由於業界對在高頻電路中採用ESD抑制越來越感興趣，所以已對消費電子領域中的一些大型器件進行了研究。對比數據表明，儘管低成本的硅二極體(甚至變阻器)的觸發/箝位電壓非常低，但它們的高頻容量和漏電流無法滿足不斷增長的應用需求。

另一個重要要求是ESD抑制器對電路信號特性的影響最小。對聚合物ESD抑制器的測量表明，頻率高達6GHz時的衰減小於0.2dB，這樣它們對電路幾乎沒有影響

另外，商業化產品要求在所有不同的硬體介面位置都要有ESD浪涌保護。例如，一些新型電腦和更高端的消費電子可能會如下這些互連器件的大部分或者全部：乙太網、USB1.1/USB2.0、IEEE-1394/1394b、音頻/視頻/RF以及傳統的RS-232、RJ-11等埠等的audio/video/RF埠。所有傳統的保護器件都已經不同程度地得以成功應用。但是，如今不斷增長的工作頻率為超低電容器件(如聚合物抑制器)提出了需求(圖2a)。

USB 2.0 協議具有100 Mbps的快速數據轉換速率。因此，當採用具有SurgX技術(圖 2b)的超低電容聚合物器件進行保護時，一個配備了USB 2.0功能的器件將具有最佳性能。這將比使用齊納二極體或多層變阻器時產生更少的數據失真。

另外，許多新型消費電子器件能執行快速的IEEE-1394/1394b(Fireware)數據轉換協議。這種非常高的數據速率(1600 Mbps，1394b)要求低電容ESD抑制器，例如聚合物浪涌器件(圖 2c)。測試數據表明，聚合物ESD抑制器帶來的信號失真比硅二極體器件保護Firewire埠產生的更少(圖 3)。

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