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ESD問（wèn）題的通用診（zhěn）斷分析方法

更（gèng）新時間：2024-03-12 點擊次數：2761

靜電放電（ESD）能導致電（diàn）子產品出現器件損壞和高頻幹擾（rǎo）兩種模（mó）式的失效（xiào），但由於ESD波形（xíng）和傳輸路徑（jìng）無法觀測（cè）而缺乏（fá）有效的ESD問題（tí）解決方（fāng）案。利（lì）用波形發生器定性（xìng）地模擬靜電放電頻譜，使用頻譜儀測量內（nèi）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（de）注入能力從而分析出ESD傳輸路徑，是一種可以用於器件損壞ESD問題分析的方法。模擬ESD頻譜進行直接注入也能複現靜電幹擾（rǎo）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的高效方法。防靜電器件性能的評估方法（fǎ）能夠篩選出合適的保護器件給出針對性的解決方案。實踐證明運用這三種方（fāng）法能夠高效解決ESD問題，也為診斷分析脈衝幹擾類（lèi）問題的提供了新的思路和方法，在此對該方法（fǎ）的原理和操作進行簡要介紹給大家（jiā）作為（wéi）參（cān）考。

1. ESD放電波形與ESD頻譜模（mó）擬

幹擾脈衝的時域波形和（hé）頻域頻譜對於分析脈衝的破（pò）壞力和幹擾能力很重（chóng）要。波形電壓越高持續時間越長內阻越（yuè）小則脈衝能量越大（dà），而上升沿越快半波時間越長則頻譜越寬。靜電放電屬於（yú）脈衝型尖峰電壓衝擊，持續時間很短但（dàn）峰值電壓（yā）幅度很高，瞬時能量相比於連續波高出多（duō）個數量級，具（jù）備很強的破壞力。下圖是標準的ESD靜電波形，上升沿0.8-1.2nS ，波形半波（bō）時間30nS。靜電的破壞力（lì）集中在（zài）峰值電壓，而頻譜的幹擾能（néng）力集中在上升沿和幾十納秒的半波時間。

圖一 IEC61000-4-2標準靜電放電校（xiào）準波形

靜（jìng）電問題分析（xī）有兩（liǎng）大難點：一是探頭和測量設備不能實測電路內部靜電脈衝；二（èr）是無法使（shǐ）用靜電槍直接對電路內部放電進行（háng）診斷分析。而波形發生器可以幫（bāng）助解決這兩（liǎng）個（gè）問題：將脈（mò）衝信號轉（zhuǎn）換為（wéi）持續信（xìn）號能夠解（jiě）決路徑（jìng）分析問題，用小信號替代靜電的高壓脈衝能夠安全的用於內部注入。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（bō）形得到的頻譜（pǔ），該波形能夠模擬出靜電（diàn）波形的上升沿和高頻頻譜分量同（tóng）時又沒有高壓（yā）破壞性。

圖二，波形發生器模擬靜電波形的實測頻譜

真實靜電頻譜（pǔ）相（xiàng）比模擬頻譜在100MHz以（yǐ）上的高頻（pín）幅度更大（dà），頻譜寬度更（gèng）寬，但速（sù）度太快無法用頻譜儀觀測。模擬頻譜的持（chí）續信號雖然頻（pín）寬和幅值低於ESD真實信號但能夠被頻譜儀觀測，而且具備足夠測（cè）量深度（dù）以便測量出傳輸衰減，最重要的是信（xìn）號對於（yú）整個低壓電（diàn）路都是安全的，從而可以對內部電路進行（háng）細致的（de）評估分析。

2. 利用ESD模擬（nǐ）頻譜（pǔ）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（chū）靜電脈衝的路徑，這就是通過模（mó）擬頻譜（pǔ）探測能夠實現靜電路徑分析的基本原理。這種方法對於分析器件損壞問題非常有意義。

圖三靜電注入破壞器件的示意圖

上圖是一個ESD損壞失效案例的（de）一般等效模型，該單板端口施加6kV接觸放電時100%概率造成內部（bù）一個功能芯（xīn）片損（sǔn）壞。損壞芯片與注入端口之間無電（diàn）路連結，無法進行耦合路徑分析（xī），且由於更（gèng）換（huàn）芯片非（fēi）常（cháng）耗時（shí）因此（cǐ）該問（wèn）題采用傳統方法解決難度很大（dà），需要采用更高效的方法。

圖四模擬靜電脈（mò）衝注入分析（xī）靜電注入（rù）路徑的示意圖

上圖是采用模擬（nǐ）頻譜分析靜電注入路徑的示意（yì）圖。端口注入持續的模擬頻譜（10MHz，2nS上升沿方波，5V峰峰值），采用隔直（zhí）之後的探針連結頻譜（pǔ）儀（yí）觀測內部電（diàn）路耦合到的頻譜幅值，探針測試點和端口（kǒu）注入點之間的頻譜幅度差值就是兩點之間靜電傳輸損耗，也就可評估出靜電通過傳導和耦合進（jìn）入到內部電路（lù）的程度（dù）。

圖五模擬靜電注入探測（cè）電路內部耦合能力的設備和布（bù）置

我們以上圖的（de）布置進行單板靜（jìng）電耦合能（néng）力評（píng）估，采（cǎi）用插損夾具和金屬板作為參考麵，注入和接（jiē）收阻抗（kàng）選擇50Ω，通過觀測頻譜的衰減判斷靜電在電路內部的傳輸損耗（hào）：如衰減明顯時可以認為該路徑對靜（jìng）電能量傳輸有阻礙作用，如濾波器（qì）、隔離器件、電容（róng）電阻等器（qì）件管腳；而未觀察到頻譜衰減（jiǎn）的電路可以（yǐ）認為靜電（diàn）能以良好通路注入到該部分。實際觀測發現板（bǎn）上很多（duō）位置得到0衰減的耦合，尤其是受損芯（xīn）片某引腳（jiǎo）全頻段未觀測到任何衰減，可以斷定靜電能從端口完（）全施加到（dào）該引腳並損壞芯片。該案例中對該引腳增加相應的電容作為靜電吸收方案後可以觀測到頻譜有明顯的衰減（10dB下降），意味著靜電注（zhù）入對該電路的耦合能力明（míng）顯下降，實測端口（kǒu）的靜電能力由6kV 100%損壞到10kV觀測不（bú）到損壞現象（xiàng）。

3. 利用波形發生器進行ESD幹擾問題診斷（duàn）分析（xī）方法

對於ESD幹擾（rǎo）失效問（wèn）題，利用模擬頻譜進行直接注（zhù）入依然是高效（xiào）的（de）診斷分析方法，能夠快速複現問題並且對內部電（diàn）路進行定點分析，最終快速找到並驗證解決方案。

圖六模擬靜電（diàn）脈（mò）衝注入（rù）分析靜電幹擾問題示意圖

靜電幹擾的失效本身就是由靜電的高頻頻譜能量引起的，采用波形發生器模擬該高頻能量進行注入能夠大概率的複現到相同的幹（gàn）擾現象。波形發生（shēng）器采用10MHz方波脈衝50%占空比，1-10V峰峰值輸（shū）出能夠模擬出ESD在10-300MHz頻段的（de）頻（pín）譜和幅值（針對不同問題可以（yǐ）調整模擬波形參數（shù）進行問題複（fù）現），通過電容進行隔離直流之後（hòu）利用金屬探針就能對電路內（nèi）部進行注入探（tàn）測。這種方法不依賴其他資源而且可以在研發場地方便的進（jìn）行（隻需（xū）要使（shǐ）用波（bō）形發生器、示波器、頻譜儀、接地參考（kǎo）板（bǎn）等），可以讓研發工程師非常從容（róng）地去分析（xī）和優化解決方案。

4. 防（fáng）靜電器件性能的評估方法

防靜電器件性能評估方（fāng）法是2022年提（tí）出並發表於電磁兼容公眾號的一種新方法，由於對尋找ESD問題的解決方案有很強的（de）指導意義，在此結合（hé）診斷分析再進行簡要介紹。

圖（tú）七防靜電器件性能測量原理示意圖

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

圖（tú）八初始靜電波形校準布置


400V初（chū）始靜電波形	800V初始靜電波形超出示波（bō）器測量（liàng）範（fàn）圍

圖九初始靜電脈衝（chōng）在夾具上的（de）分壓（yā）波形


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

圖十附加雙向TVS之後的分壓波形

圖上可以看出TVS對靜電注入脈衝波形產（chǎn）生截止作用，意味著（zhe）TVS已經觸發保護功能將靜電能（néng）量泄放，關斷保護後TVS存在殘壓，該實（shí）測結果與TVS規格吻合。TVS由於很小的結（jié）電容可以用於信號端口的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靜電注入引線瓷片100nF 高效吸收	8000V靜電注（zhù）入引線瓷片 100nF高效吸收

800V靜電注入引線（xiàn）瓷片 1nF 略有效果	1000V靜電注（zhù）入引（yǐn）線（xiàn）瓷片 1nF 略有（yǒu）效（xiào）果

圖十一附加不同電容之後的的分壓波形

不同電（diàn）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（de）是材質、引線ESL和電容容量。100nF以上的貼片電容能夠完（）全吸收（shōu）靜電的能量，1nF 貼片電容就（jiù）能有一些（xiē）吸收效（xiào）果（guǒ），其他（tā）材質電容吸收效果稍遜於貼片電容（róng），因此對於能夠增加電容的電路建議優選貼片（piàn）電容方案，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（tōng）過模擬頻（pín）譜注（zhù）入分析路徑的（de）方法找到芯片上（shàng）對（duì）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引腳增加貼片電容分別對電源和地進行（háng）靜電能量吸收，最終快（kuài）速地定位（wèi）和解決（jué）了該靜電問題。

波形發生器脈衝（chōng）模擬注入的方法在解決各類脈衝型抗擾（rǎo）度問題（ESD, EFT, SURGE等）有很大的應用潛（qián）力。將瞬（shùn）態脈（mò）衝轉化為持（chí）續頻譜的再（zài）進行耦合探測的方（fāng）法能夠有效分析ESD器件損壞失效問題（tí），模擬（nǐ）幹擾頻譜注入也能夠實現ESD幹擾失效類問題的精（jīng）準定位，防靜（jìng）電器件性能測試的方法對於ESD器件選型有指導意義，這三種措施的綜合應用有可能成為ESD問題的通（tōng）用診斷分析方法。