手机ESD的防护与设计资料Word文档下载推荐.docx

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andtheESDproblemandtheprotectionmeasuresfocusonthedesignofmobilephone.

Keywords:

Mobilephone,TheElectro-StaticDischarge,ESD,Protection

1绪论

1.1课题研究的背景及目的

随着科学技术的不断发展及微电子技术的迅猛进步，电子仪器仪表、设备和无线通信等电子产品日趋小型化、多功能及智能化，半导体、大规模和超大规模集成电路、高密度集成电路已成为电子工业中不可缺少的器件，并在各种电子设备的设计制作中得到广泛应用。

这些元器件都具有其特殊的功能和特性，然而，这些高集成度的电路元件都可能因静电电场和静电释放（ESD）引起失效，导致电子设备锁死、复位、数据丢失而影响设备正常工作，使设备可靠性降低，造成损坏。

当然，手机作为无线通信产品中应用最广泛、最贴近人民生活的数字蜂窝通信产品，在国内是人们主要的通信工具，为保证手机的电磁兼容性能，解决手机的电磁兼容问题，使得手机的电磁兼容测试显得越来越重要。

原信息产业部[2000]192号文件《关于对部分电信设备进行电磁兼容性能检测的通告》就已要求对手机及其辅助设备进行强制性的电磁兼容检验。

目前实施的国家强制性产品认证（3C认证）更是将手机列于认证范围，其中，电磁兼容是手机3C认证必须通过的项目。

因此，电磁兼容性能成为现阶段手机设计必须考虑的内容。

静电是人们非常熟悉的一种自然现象。

静电的许多功能已经应用到军工或民用产品中，如静电除尘、静电喷涂、静电分离、静电复印等。

然而，静电放电ESD（Electro-StaticDischarge）却又成为电子产品和设备的一种危害，造成电子产品和设备的功能紊乱甚至部件损坏。

因此，静电释放的研究是手机防护与设计的重要研究课题之一。

1.2ESD产生的原理

1.2.1静电释放的定义

根据国家标准，静电放电的定义为：

”具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移（GB/T4365-1995）“，一般用ESD表示。

简而言之，静电释放就是指拥有不同静电电位的两个物体之间电荷的转移，亦即ESD是指带电体周围场强超过周围介质的绝缘击穿场强时，因介质产生电离而使带电体的静电荷部分或全部消失的现象。

它会导致电子设备严重地损坏或操作失常，半导体专家、产品生产厂及用户都在想办法抑制ESD。

1.2.2静电释放的产生及特点

ESD产生的途径主要有两种方式：

（1）摩擦带电。

当两种不同介电常数的材料相互摩擦时，由于摩擦运动，其中的一种材料把电荷传给了另外一种材料，由此在这两种材料中产生了静电。

摩擦产生的电荷大小与空气相对湿度、摩擦材料的介电常数，两种材料的相对速度及两者的压力等有关。

（2）感应带电。

感应带电就是带电荷物体的电场在其相邻的物体上造成电荷分离，靠近带电物体会出现与该电荷极性相反的感应电荷。

只要物体带有电荷，就会在其周围产生静电场，就会使周围的物体感应带电。

导体带电电压超过他们之间的空气或其他绝缘介质的击穿电压是，就会产生静电放电，激发出电弧火花，并伴随噼啪的爆炸声，直到两个导体接触短路或者电流低到不能维持电弧火花为止。

当两个带静电的物体或一个带静电的物体与不带电的导体靠近或接触时，就会发生ESD现象。

ESD主要的特点：

（1）ESD一般是高电位、强电场，可以瞬时形成脉冲大电流的过程。

（2）ESD会产生强烈的电磁波辐射形成电磁脉冲场。

1.2.3ESD的模型及标准

1、人体放电模型（Human-BodyModel,HBM）

人体放电模型（HBM）的ESD是指人体在地上走动摩擦或其他因素在人体上积累了静电，当此人去触碰IC时，人体上的静电便经由IC的PIN脚进入IC内部，再经由IC内部放电到地。

图1.1人体放电对IC芯片的危害

放电过程会在几百ns的时间内产生数安培的瞬间放电电流，此电流可能会把IC内的元件给烧毁。

工业标准MIL-STD-883Cmethod3015.7中HBM的等效线路图，其中人体的等效电容定义为100pF,人体的等效放电电阻定义为1.5kΩ。

图1.2HBM的等效电路图

表1.1工业标准HBM耐压能力等级分类

CLASSIFICATION

Sensitivity（V）

Class1

0to1999

Class2

2000to3999

Class3

4000to15999

2、机器放电模型（MachineModel,MM）

机器放电模型的ESD是指机器本身也积累了静电，当此机器去触碰IC时，静电便经由IC的pin脚放电。

机器放电的放电过程时间更短，在几十ns的时间内会有数安培的瞬间放电电流产生。

工业标准EIAJ-IC-121method20中MM的等效电路图，其中机器的等效电容定义为200pF，机器的等效放电电阻为0Ω。

图1.3MM的等效电路图

表1.2工业标准MM耐压能力等级分类

CLASS

STRESSLEVELS（V）

M0

0to<

50

M1

50to<

100

M2

100to<

200

M3

200to<

400

M4

400to<

800

M5

>

3、元件充电模型（Charged-DeviceModel,CDM）

元件充电模型是指IC本身因摩擦或其它因素而在IC内部累积了静电，但在静电累积的过程中IC并未损伤。

在处理此IC的过程中，IC的pin脚触碰到了地，IC内部的静电便经由IC内部的pin脚流出来，而造成了放电现象。

此种模式的放电时间更短，仅约为几ns，而且放电现象更难以被真实的模拟。

因为IC内部积累的静电会因IC内部的等效电容的不同而改变。

两种常见的CDM的放电情况：

图1.4CDM的放电形式

图1.5CDM的放电的等效电路图

表1.3工业标准CDM耐压能力等级分类

<

200

200to400

≥400

4、电场感应模型（Field-InducedModel,FIM）

FIM的静电放电是因电场感应而引起的。

当IC因传输带或其它因素，经过一个电场时，其相对极性的电荷可能会从IC的pin脚排放掉，这样当IC通过电场以后，IC便累积了静电。

此静电再以类似CDM放电模型的情况放电出来。

1.3静电对手机的危害

1.3.1静电对电子元件的危害

根据静电的物理特性，静电放电对半导体器件可能产生以下破坏:

（1）薄的氧化层被击穿；

（2）泄露电流密度高，引起导体燃烧；

（3）引起过早失效的漏电电流增加，击穿电压变化对器件的功能性破坏。

尽管基本上的手机针对静电敏感器件的内部已经进行了保护处理，但是这仅仅是当电荷传递局限于一定尺寸和持续一定的时间内进行才有效。

据有关检查报告证明，静电放电的损害往往只有10%造成电子元器件当时完全失效，通常表现为短路、开路以及参数的严重变化，超出额定范围，器件完全丧失了其特定的功能。

另外的90%会潜伏下来，造成积累效应。

一般情况下，一次ESD，还不足以引起器件立即完全失效，但是元件内部会存在某种程度的轻微损伤，通常表现为参数有轻微的偏差或漂移。

潜在的失效并不明显，因而极易被人们忽视。

若这种元器件继续工作，随着ESD的次数增加，累积效应会越来越明显，其损伤程度会加剧，最终导致失效。

电子元器件按其种类不同，受静电破坏的程度也不一样，最低的100V静电压也会对其造成破坏。

近年来随着电子元器件发展趋于集成化，因此要求相应的静电电压也在不断减弱。

人体平常所感应的静电电压在2-4KV以上，通常是由于人体的轻微动作或与绝缘物的磨擦而引起的。

也就是说，倘若我们日常生活中所带的静电电位与IC接触，那么几乎所有的IC都将被破坏，这种危险存在于任何没有采取静电防护措施的工作环境中。

静电对IC的破坏不仅体现在电子元器件的制造工序当中，而且在IC的组装、运输等过程中都会对IC产生破坏。

1.3.2静电对电路的危害

数字移动电话的电路由射频与基带两大部分组成。

其中射频（RF）电路包括收发器、频率合成器和功放等，基带（Baseband）电路包括数字信息处理和控制器、存储器、电源管理和其他外设部分。

手机的功能越来越强大，而电路板却越来越小，集成度越来越高。

手机有几个部分用于人机交互，这样就存在着人体静电放电的ESD问题。

手机电路中需要进行ESD防护的部位有：

SIM卡插座与CPU读卡电路、键盘电路、耳机、麦克风电路、电源接口、数据接口、USB接口、彩屏LCD驱动接口。

ESD可能会造成手机工作异常、死机，甚至损坏并引发其他的安全问题。

所以在手机上市之前，我国都强行要求进行入网测试，而入网测试中明确要求进行ESD和其它浪涌冲击的测试。

其中接触放电需要做到±

8kV静电正常，空气放电需要做到±

15kV静电正常，这就对ESD的设计提出了较高的要求。

静电放电（ESD）的危害极大，特别是对集成电路和半导体器件。

如果静电放电发生在电子部件上，可导致电子部件的损坏；

轻者击穿二极管，重则损坏集成电路。

尤其是在IC生产车间，一旦某个工序的防静电措施不完善，就有可能造成批量产品的报废。

RS—232接口芯片因受到15kV（一般测试水平）的静电放电冲击而损坏后，该芯片末加静电保护措施，在静电放电时产生的瞬间大电流将芯片内部的金属气化，导致大面积损伤。

特别是C9d（）S电路和M10S场效应管，其输入阻抗很高，输入电容又非常小，即使在输入端感应少量的电荷也会形成高压，而将器件损坏。

电子仪器上的荧光数码管带上负电荷时，可造成显示笔段残缺，乃至不显示的故障。

1.3.3静电对手机在生产过程中造成的危害

ESD对电子产品的危害主要有以下几个环节：

静电对手机在生产过程中造成的危害主要有以下几个方面：

（1）静电吸附空气中的灰尘，造成器件引线间的短路；

（2）静电放电破坏，使元件不能正常工作；

（3）静电放电电场或电流产生的热使元件受损；

（4）静电放电的幅度很大，频谱极宽（从几十兆到几千兆，达几百伏/米）的电磁场使电子产品受到电磁干扰而损坏。

（5）静电放电损害的产品返工、返修，增加生产费用，影响企业的经济效益。

1.3.4静电放电对手机造成的危害

（1）硬件损坏；

（2）自动关机，程序混乱；

（3）死机，程序混乱，要通过人为干预才能复位；

（4）死机，程序混乱，无法进行复位

1.4国内外研究状况

ESD与电子产品可靠性紧密关联，让它已经成为全球电子产业的热点问题，某种意义上讲，ESD控制水平直接反映了电子产品生产企业的技术水准和产品质量控制水平。

2005年以来，衡量企业ESD控制水平的ESD认证工作在全球迅速展开，率先开始认证的ESDA已于今年更新了其认证标准20.20，并计划在近年完成推行和实施工作。

与之遥相呼应的IEC61340-5标准更新及认证进程也推上了轨道，一两年的时间内将可能在电子产品领域全面推行。

因此，建立兼顾技术和管理，并使之符合权威国际标准的ESD体系，已经成为电子产品生产企业急迫任务。

当前ESD技术的应用基本上是ESD标准的应用和实施。

ESD技术经过数十年的发展，已经形成了丰富的应用标准：

目前国际上与ESD相关的标准不下200个，而当今流行的体系性的标准也有3套，此外，不少跨国企业也有自己的ESD标准或要求。

丰富的标准给ESD工作提供了有力的支持，但是由于标准制订者观点上的差异以及问题确定的角度不同，应用当中的冲突屡见不鲜。

如何博采众家之所长，如何让企业兼顾各标准的要求，避免与各标准的冲突是ESD工作面临的重要课题。

1.5本文主要内容

ESD对手机产生的危害和ESD的形成机理作较详细分析，重点研究手机设计中的ESD问题及防护措施：

1、收集手机电路设计中ESD器件及其注意事项方面的资料。

2、进行手机中PCB的ESD防护设计。

3、进行手机结构的ESD防护设计。

4、提出或改进软件设计中的ESD保护方法。

5、查阅手机ESD测试、验证方法及相关规定的资料。

2手机中的ESD防护设计

ESD会引起手机的工作失效，它一般包括：

死机，掉电，通话掉线，SIM卡失灵，MP3杂音，LCD蓝屏，花屏，损坏等。

这些ESD现象是由于手机的抗静电能力不够而引起的；

所以在手机ESD防护设计时，预防或者避免ESD对手机的影响是十分重要的。

而手机中的ESD设计可以大致分为三部分：

结构设计、PCB设计和软件设计。

2.1手机结构设计

如果手机有一个理想的壳体是密不透风的，静电也就无从而入，当然不会有静电问题了。

但实际的手机的结构却不会什么都做的面面俱到，诸如：

在合盖处有缝隙等，而且在手机外壳处还有许多的金属装饰片，致使ESD或多或少的能够进入手机的内部，从而影响手机的正常工作。

所以手机结构的ESD设计要点是隔离ESD进入手机结构壳体的内部，并且要尽量减弱ESD进入手机结构壳体内部的能量。

人们在使用手机的过程中，由于我们经常与手机接触摩擦，致使静电很容易积累在手机外壳上，而且还会通过手机盒盖处缝隙等进入手机壳体的内部。

所以手机的外壳结构设计也是手机对抗ESD的重要途径。

对于手机的外壳结构设计，我们可以增加壳体的厚度与距离，即增加外壳到内部电路之间的距离，或者通过一些其它的等效方法加大壳体气隙的之间距离，这样ESD的能量强度能被很好避免或者减少。

通过结构的改进，可以增大外壳到内部电路之间气隙的距离从而使ESD的能量大大减弱。

根据试验，8kV的ESD在通过4mm的距离后能量一般衰减为零。

为了避免可能产生的传导耦合，在金属的手机外壳使用绝缘的涂料、漆、物质等，这样做的目的：

既可以有效的防止操作者对其周围物体放电形成的干扰耦合到手机的内部，又可以防止操作者对手机的外壳直接接触造成干扰。

但是，对于手机的一些非金属模块（诸如LCD屏、摄像头、按键），为了防止电流感应到手机的电路板上，对手机电路的接地布局应认真仔细看待。

最常用弥补LCD屏和外壳之间的缝隙的方法有两种：

加屏蔽罩和使用隔离衬垫。

另外，对于不可避免进入手机壳体内部的ESD要尽量将其从GND导走，避免让其危害手机电路的其它部分。

当然，手机壳体上的金属装饰物也是值得多注意，因为它也很可能带来一些意想不到的结果。

2.2手机PCB的ESD防护设计

手机PCB（PrintedCircuitBoard）都是高密度板，通常为6层板以上。

随着密度的增加，趋势是使用更多叠层PCB板，为了性能与面积的相对平衡，其设计一直是重中之重。

其一，空间的扩大与更多摆放的元器件是成正比的，而且走线的距离与宽度越宽，对EMC、ESD、音频等各方面性能都有好处。

其二，随着社会的发展趋势，手机的体积越来越小，功能也越来越强大。

因此，设计时需要找到平衡点。

单单ESD问题来考虑，设计上需要留意的地方有很多，尤其是关于GND布线的设计以及线矩，很有讲究。

而手机中的PCB设计可以大致分为三部分：

隔绝设计、单板静电预防设计、手机保护电路设计。

1、隔绝设计

“具有一定量的电荷，在特定的距离内存在相应克放电的物体”是静电放电（ESD）必须满足三个条件。

因此，对于PCB设计的问题，控制一定的放电距离就显得至关重要。

普遍认为，要抵抗4~8kv的静电电压，走线与容易放电边缘的距离为4~8mm。

还有就是，手机内部的敏感器件与放电电源要尽量远离，如存储器、控制器。

2、单板静电预防设计

手机PCB是多层高速PCB，在设计时可以采用合理的布局以及信号线合理处理的方法来加强手机产品的静电抗干扰能力，具体的基本原则如下：

（1）为了确保信号回流通路最短以及信号环路最小，信号线必须尽量紧靠在PCB上设置的大面积底层和电源层平面。

这样线路对ESD所引起的瞬态干扰的敏感程度就能很好的被降低；

（2）对静电敏感电路部分，可以使用局部屏蔽的方式来防护，如存储、显示单元；

（3）在元器件的电源和地脚旁边应加不同频率的滤波电容，也可以是不同的电容值并联组合使用；

经检验，ESD所引起的干扰脉冲是一个正弦波，它是呈指数规律衰减受调制的，其包含有大量的高频分量。

所以，使用高频去耦电容加在电源和地之间；

而对于射频组件的向外引线，则需要使用穿心电容器或者带滤波器的接插件来进行滤波；

（4）对于手机PCB上的大规模集成电路，诸如CPU、FPGA等类型芯片，每个去耦电容旁边应并接一个充放电电容进行滤波；

（5）对于手机内的重要的线如Reset、Clock等信号线要尽量将其放在同一个布线层内，如复位、无线接收信号；

而且必须要使用电源与地层进行屏蔽处理；

（6）PCB的板边最好采用地走线包围，且处在不同层的地线之间应该要有尽可能多的通孔（via）相连；

（7）在信号线上可以适当地增加一些匹配的电容值电容加以保护，这有利于增强信号线对静电放电的抗干扰能力，不过要注意的是阻容元器件会引起信号失真，所以在选择电容时要考虑其对传输信号的影响；

（8）手机电路内部芯片受到静电电场干扰后能够及时泄放干扰而不会出现芯片电位升高输出锁死的情况，在手机PCB上不要设置单独的电源层或地层。

3、手机PCB保护电路的设计及ESD保护器件

在壳体和PCB的设计中，对ESD问题加以注意之后，ESD还会不可避免地进入到手机电路中，尤其是以下几个部件：

SIM卡的CPU读卡电路、键盘电路、耳机、麦克风电路、数据接口、电源接口、USB接口、彩屏LCD驱动接口，这些部位都是外露的因而很可能将人体的静电引入手机中。

所以，需要在这些部分中使用ESD防护器件，手机电路防ESD设计的主要内容就是ESD防护器件的选用。

总的来说，手机ESD防护器件主要有以下几种：

（1）气体放电管（GDT）。

它是具有一定气密的玻璃或陶瓷外壳，中间充满稳定的气体，如氖或氩，并保持一定压力。

GDT通流量大、极间电容小，可自行恢复，其缺点是响应速度太慢，放电电压不够精确，寿命短，电性能会随时间变化。

（2）压敏电阻（MOV）。

它是陶瓷元件，将氧化锌和添加剂在一定条件下“烧结”，电阻受电压的强烈影响，其电流随着电压的升高而急剧上升。

压敏电阻内部发热量很大，其缺点是响应速度慢，性能会因多次使用而变差，极间电容大。

（3）闸流二极管（TSS）。

它是半导体元件，闸流二极管开始时不会导通，处于“阻断”状态。

当“过电压”上升到闸流管的“放电电压”时，导通并产生放电电流；

当电流下降到最小值时，闸流管会重新“阻断”，并恢复到原来的“断路状态”。

（4）瞬态电压抑制器（TVS）。

它是半导体器件，由于其最大特点是快速反应、非常低的极间电容，很小的漏电流和很大的耐流量，尤其是其结合芯片的方式，非常适合各种接口的防护。

（5）静电抑制器（也叫ESD阻抗器）。

它也是陶瓷器件，严格的说它也是压敏器件的一种。

它由Polymer高分子材料制成，内部菱形分子以规则离散状排列，当静电电压超过该器件的触发电压时，内部分子迅速产生尖端对尖端的放电，将静电在瞬间泄放到地。

因而它又有了TVS的一些特性，反应时间变得更快（最小可以<

0.5ns）、电容值也更小（最小可以<

0.05pf）、漏电流最小可达0.1μ