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ESD問題的（de）通用診斷分析方法

更（gèng）新時間：2024-03-12 點擊次數：2283

靜電放電（ESD）能導致電子產品出現器件損壞和高頻幹擾兩（liǎng）種模式的失效，但由於ESD波形和傳輸路（lù）徑無法觀測而缺乏（fá）有效的ESD問（wèn）題解決（jué）方案。利用波形發生器定性地模擬靜電放電頻譜，使用頻譜儀測（cè）量（liàng）內部電路耦合到（dào）的頻譜，能夠在不損（sǔn）壞器件的情（qíng）況下定量評估ESD對內部電路的注入能力從而分析出ESD傳輸路徑，是一種可以用於器件（jiàn）損壞ESD問題（tí）分析的方法。模擬ESD頻譜進行直接注入也能複現靜電幹擾失效的現象，能夠探測定位內部敏感電路，是解決靜電幹擾型問題（tí）的高效方法。防靜電器件性能的評估方（fāng）法能夠篩選出合適的保護器（qì）件給出針對性的解決方案。實踐證明運用這三種方法能夠（gòu）高（gāo）效解決ESD問題（tí），也為診斷分析脈衝（chōng）幹擾（rǎo）類問題的提供了新的思（sī）路和方法，在此對該方法的原理和（hé）操作進行簡要介紹給大家作為參考。

1. ESD放電波（bō）形與ESD頻譜模擬

幹擾脈衝的（de）時域波形和頻域頻譜（pǔ）對於分析脈（mò）衝（chōng）的破壞力和幹擾（rǎo）能（néng）力很重要。波形電壓（yā）越高持續時間越長內阻越小則脈衝能量越大，而上（shàng）升沿越快半波時間越長則頻譜越（yuè）寬。靜電放電屬於脈衝型（xíng）尖峰電壓衝擊，持續時間很短但峰值電（diàn）壓幅度（dù）很高，瞬時能量相比（bǐ）於（yú）連續波高出多個（gè）數量級，具備（bèi）很強的破壞力。下圖是（shì）標準的（de）ESD靜電波形，上升沿0.8-1.2nS ，波形（xíng）半波時間30nS。靜電的破壞力集中在峰值（zhí）電壓，而頻譜的幹擾能力集中在上升沿和幾十納秒（miǎo）的半波時間。

圖一（yī） IEC61000-4-2標準靜（jìng）電放電校準波形

靜電問題分（fèn）析有（yǒu）兩大難點：一（yī）是探頭（tóu）和測量設備不能實測電路內部靜電脈衝；二是無法使用靜電槍直接對電路內部（bù）放電進行診斷分（fèn）析。而波形發生器（qì）可以幫助解決（jué）這兩個問題：將脈（mò）衝（chōng）信號轉換為持續信號能夠（gòu）解決路徑（jìng）分析問題，用小信號替代靜（jìng）電的高壓脈衝能夠（gòu）安全的用於內部注入。如下圖是波形發生器（qì）輸出10MHz，2nS上（shàng）升沿方波，5V峰峰值的時域（yù）波形得到的（de）頻譜（pǔ），該波形能夠模擬出靜電波形的上升沿（yán）和高頻頻譜分量同（tóng）時又沒有高（gāo）壓破壞性。

圖二，波形發生（shēng）器模擬靜電波形的實測頻譜

真實靜電頻譜相比模擬頻譜在100MHz以上（shàng）的高（gāo）頻幅度更大，頻譜寬度更寬，但速度太快無法用頻譜儀觀測（cè）。模擬（nǐ）頻譜的持續信號雖然頻寬和（hé）幅值低於ESD真實信號但能夠被頻譜（pǔ）儀觀測，而且具備足夠測量深度以（yǐ）便（biàn）測（cè）量出傳輸衰減，最重要的是信號對（duì）於整個低壓電路都是安全的，從而可以對內部電路進（jìn）行細（xì）致（zhì）的評估分析。

2. 利（lì）用ESD模擬頻譜進行路徑分析

由於ESD幹擾頻譜和脈衝的路（lù）徑是同一的，通過（guò）確定幹擾頻譜傳輸路徑也就能分析出靜電脈衝的路徑，這就是通（tōng）過模擬頻譜探測能夠實（shí）現靜電（diàn）路（lù）徑分析（xī）的（de）基本原理。這（zhè）種方法對於分析器件損壞問題非常有（yǒu）意義。

圖三靜電注入破壞器（qì）件（jiàn）的示意圖

上圖（tú）是一個ESD損壞失效案例的一般等效模型，該單板端口施加6kV接（jiē）觸放電時100%概率造成內部一個功能芯片損壞。損壞芯（xīn）片與注入端口（kǒu）之間無電路連結（jié），無法進（jìn）行耦合路徑分析（xī），且由（yóu）於更換芯片非常（cháng）耗時因此該問題采用傳統（tǒng）方法解決難度很大，需要采用更高效的方法。

圖四模擬（nǐ）靜電脈衝注入分析靜（jìng）電注入路徑的示意圖

上圖是采用模（mó）擬（nǐ）頻譜分析靜電注入路徑的示意圖。端口注入持（chí）續的模擬頻譜（10MHz，2nS上升沿方波，5V峰峰值），采用（yòng）隔直之後的探針連結頻譜儀觀測內部電路耦合到的（de）頻譜幅值，探針測試點和端口注入點之間的頻（pín）譜幅度差值就是兩點之間靜電傳輸損（sǔn）耗，也就可評估出靜電通過傳導和耦（ǒu）合（hé）進入到內部電路的程度（dù）。

圖五模擬靜電注入探測電路內部耦合能力的設備和布置

我們以上圖的（de）布置進行單板靜電耦合能力評估，采用插損夾具和金屬板作為參（cān）考麵，注入和接收阻抗選擇50Ω，通過觀測頻譜的衰（shuāi）減判斷靜電在（zài）電路內部的傳輸損耗：如（rú）衰（shuāi）減明顯時可以認為該路徑（jìng）對靜電能量傳輸有阻（zǔ）礙作用，如濾波器（qì）、隔離器件、電容電阻等器件管腳；而未觀察到（dào）頻譜衰減的電路可以認為靜電能以良好（hǎo）通路注入到該部分。實（shí）際觀測發現板上很多位置得（dé）到0衰減的耦合，尤其是受損芯片某引腳全頻（pín）段未觀測到任何衰減，可以斷定靜電能從端口完（）全施加（jiā）到該引（yǐn）腳並損壞芯片。該案例中對該引腳增加相應的電容作為靜電吸收方案（àn）後可以觀測到頻譜（pǔ）有明顯的衰減（10dB下降），意味著靜電注入對該電路（lù）的耦合能力明顯下降，實測端口的靜電能（néng）力由6kV 100%損壞到10kV觀測不到損壞現象。

3. 利用波形發生器（qì）進行ESD幹擾問題診斷分析方法

對於ESD幹擾失效問題，利用模擬頻譜進行直接注入依（yī）然是高效的診斷分（fèn）析方法，能夠快（kuài）速複現問（wèn）題並且對內部（bù）電路進行定（dìng）點（diǎn）分（fèn）析，最終快速找到並驗證解決方案。

圖（tú）六模擬靜電脈衝注入分析（xī）靜電（diàn）幹擾（rǎo）問題（tí）示意圖

靜電幹（gàn）擾的（de）失（shī）效本身就是由靜電的高（gāo）頻頻譜能量（liàng）引起的，采用波形發生器模擬該高頻能量進行注入能夠大概（gài）率的複現到相同的幹擾現象。波形發（fā）生器采用10MHz方波脈衝50%占空比，1-10V峰峰值輸（shū）出能夠模（mó）擬出ESD在（zài）10-300MHz頻段的頻譜和幅值（針對不同問題可以調整模擬波形參數（shù）進行問題複現），通（tōng）過電容進（jìn）行隔離直流之後利用（yòng）金屬（shǔ）探（tàn）針就能對電路內（nèi）部進行（háng）注入探測。這種方法不依賴其他資（zī）源而（ér）且可以在研發（fā）場地方便的進行（háng）（隻需要使用波形發生器、示波器、頻譜儀、接地參考板等），可（kě）以（yǐ）讓研（yán）發工程師非常從容（róng）地去分析（xī）和優化解決（jué）方案。

4. 防靜電器件性能的評估方法

防靜電器件性能評估方法是2022年（nián）提出並發表於電磁兼容（róng）公眾號的一種新方法（fǎ），由於對尋找ESD問題的（de）解決方案有很強的指導意義，在（zài）此結合診（zhěn）斷分（fèn）析再進（jìn）行簡要介紹。

圖七防靜電器件性（xìng）能（néng）測量原理示意圖

防靜電（diàn）器件性能評估係統包括靜電槍、同軸夾具、3dB衰減器、同軸電纜以及示波器。標準靜電槍作為靜電源，通過比較初始電壓波形和附加防靜電器件之後（hòu）的電壓波（bō）形就能分析（xī）出器件的抑製效果。

圖八初始靜電（diàn）波形校準布（bù）置


400V初始靜電波形	800V初始靜電（diàn）波形超（chāo）出示波（bō）器測量範圍

圖（tú）九初始靜電脈衝在夾具上（shàng）的分壓波形


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

圖十附加雙向TVS之後的分壓波形

圖上（shàng）可（kě）以看出TVS對靜電注入脈衝波形產生截止作用，意味著TVS已經觸發保護功能將靜電能量泄放，關斷保護後TVS存在殘壓，該（gāi）實測結果與TVS規（guī）格吻合（hé）。TVS由於很小的結電容可以用（yòng）於（yú）信號端口的ESD防護。


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

4000V靜（jìng）電注（zhù）入引（yǐn）線（xiàn）瓷片100nF 高效吸收	8000V靜電注入引線瓷片 100nF高效吸收（shōu）

800V靜電注（zhù）入引線瓷片 1nF 略有效果	1000V靜電注入引線瓷片（piàn） 1nF 略有效果

圖十一附加不同電容之後的的分壓波形

不（bú）同電容的測試結果我們（men）可以看出電容對靜電的吸收效果有影響的是材質、引線（xiàn）ESL和電容容量（liàng）。100nF以上的貼片電容能夠完（）全吸收靜電的能量，1nF 貼片電容就能有一些吸收效果，其他材質電容吸收效果稍遜於貼片電容，因此對於能夠增加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擇TVS或ESD吸收器件。

5. 小結

本案（àn）例通過模擬頻譜注入分析路徑的方法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導對該（gāi）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（sù）地定位（wèi）和（hé）解決了該靜電問題。

波形發生器脈（mò）衝模擬（nǐ）注入的方法在解決各類脈（mò）衝型抗（kàng）擾度問題（ESD, EFT, SURGE等）有很大（dà）的應用潛力。將瞬態脈衝轉化為持續頻譜（pǔ）的再進行耦合探測的方法（fǎ）能夠有效分析ESD器件（jiàn）損壞失效問題，模擬幹擾（rǎo）頻譜注入（rù）也能夠實現ESD幹擾（rǎo）失效類問題的精準定位，防靜（jìng）電器件性能測試的方法對於ESD器（qì）件選（xuǎn）型有指導意義，這三種措施的綜合應用（yòng）有（yǒu）可能成為ESD問（wèn）題的通（tōng）用診斷分析方法。