什么是ESD保护？详解ESD保护

什么是ESD保护？

ESD是Electro-Static discharge的缩写，即“静电释放”。本文介绍以下内容：ESD的产生的三种形式；什么是静电；静电的产生原因；什么是ESD（静电放电）；ESD对电子设备的影响……

ESD是代表英文ElectroStatic Discharge即"静电放电"的意思。ESD是本世纪中期以来形成的以研究静电的产生与衰减、静电放电模型、静电放电效应如电流热（火花）效应（如静电引起的着火与爆炸）及和电磁效应（如电磁干扰）等的学科。近年来随着科学技术的飞速发展、微电子技术的广泛应用及电磁环境越来越复杂，对静电放电的电磁场效应如电磁干扰（EMI）及电磁兼容性（EMC）问题越来越重视。

ESD的产生的三种形式：

1、人体型式即指当人体活动时身体和衣服之间的摩擦产生摩擦电荷。当人们手持ESD敏感的装置而不先拽放电荷到地，摩擦电荷将会移向ESD敏感的装置而造成损坏。

2、微电子器件带电型式既指这些ESD敏感的装置，尤其对塑料件，当在自动化生产过程中，会产生摩擦电荷，而这些摩擦电荷通过低电阻的线路非常迅速地泻放到高度导电的牢固接地表面，因此造成损坏；或者通过感应使ESD敏感的装置的金属部分带电而造成损坏。

3、场感类型式即有强电场围绕，这可能来之于塑性材料或人的衣服，会发生电子转化跨过氧化层。若电位差超过氧化层的介电常数，则会产生电弧以破坏氧化层，其结果为短路。

4、其它还有：机器模式、场增强模型、人体金属模型、电容耦合模型、悬浮器件模型。

什么是静电？

静电是一种电能，它存在于物体表面，是正负电荷在局部失衡时产生的一种现象。静电现象是指电荷在产生与消失过程中所表现出的现象的总称，如摩擦起电就是一种静电放电现象。

静电的产生原因

物质都是由分子组成，分子是由原子组成，原子中有带负电的电子和带正电荷的质子组成。在正常状况下，一个原子的质子数与电子数量相同，正负平衡，所以对外表现出不带电的现象。但是电子环绕于原子核周围，一经外力即脱离轨道，离开原来的原子A而侵入其他的原子B，A原子因缺少电子数而带有正电现象，称为阳离子、B原子因增加电子数而呈带负电现象，称为阴离子。造成不平衡电子分布的原因即是电子受外力而脱离轨道，这个外力包含各种能量(如动能、位能、热能、化学能……等)。

A、接触分离起电

任何两个不同物材质地物体接触后再分离即可产生静电，当两个不同物体相互接触时就会产使得一个物体失去一些电荷如电子转移到另一个物体使其带正电。而另一个物体得到一些剩余电子的物体而带负电。若在分离的过程中电荷难以中和，电荷就会积累使物体带上静电，所以物体与其它物体接触后分离就会带上静电。

B、摩擦起电

实质上摩擦起电是一种接触又分离的造成正负电荷不平衡的过程。摩擦是一个不断接触与分离的过程。因此摩擦起电实质上是接触分离起电，而产生静电的最普通方法，就是摩擦生电。材料的绝缘性越好，越容易是使用摩擦起电。

摩擦起电是一个机械过程，依靠相对表面移动传送电量。传送的电量取决于接触的次数。表面粗糙度湿度，接触压力，摩擦特性以及相对运动速度。一个人或一辆车所能带来的电量的电压值大程度上由它们的电容决定。

C、感应起电

针对导体材料而言，因电子能在它的表面自由流动，如将其置于一电场中，由于同性相斥，异性相吸，正负离子就会转移。

D、传导起电

针对导电材料而言，因电子能在它的表面移动，如带电物体接触，将会发生电荷转移。

什么是ESD（静电放电）？

静电放电是两个具有不同静电电位的物体，由于直接触或静电感应引起两物体间的静电电荷的转移。静电电场的能量达到一定程后，击穿其间介质而进行放电的现象就是静电放电。

ESD在一个对地短接的物体暴露在静电场中时发生。两个物体之间的电位差将引起放电电流，传送足够的电量以抵消电位差。这个高速电量的传送过程即为ESD。在这个过程中将产生潜在的破坏电压。电流以及电磁场。ESD将产生强大的尖峰脉冲电流，这种脉冲电流中包含丰富的高频成份，其上限频率可超过1GHz，取决于电平。相对漫湿度。靠近速度和放电物体的形状。在这个频率典型的设备电缆甚至印制板上的走线会变成非常有效的接收天线。因而对于典型的模拟或数字电子设备，ESD倾向于感应出高电平的噪声，它会导致电子设备严重受损或操作失常。

当ESD位置距离较近时，无论是电流还是磁场都是很强的。因此在ESD位置附近的电路一般会受到影响。

ESD对电子设备的影响

ESD对电路的干扰有两种机理：

一种是静电放电电流直接通过电路，对电路造成损坏；

另一种是静电放电电流产生的电磁场通过电容耦合，电感耦合或空间辐射耦合等途径对电路造成干扰。

ESD电流产生的场可以直接穿透设备，或通过孔洞。缝隙。通风孔。输入输出电缆等耦合到敏感电路。当ESD电流在系统内部流动时，它们激发路径中所经过的天线，这些天线的发射效率主要依赖于尺寸。ESD脉冲所导致的辐射波长从几厘米到数百米，这些辐射能量产生的电磁噪声将损坏电子设备或者骚扰它们的运行。

电磁噪声可通过传导或辐射方式进入电子设备。电路及ESD的近场。辐射耦合的基本方式可以是电容或电感方式取决于ESD源和接受器的阻抗。在远场，则存在电磁场耦合。

如果ESD感应的电压和/或电流超过电路的信号电平，电路操作将失常。在高阻抗电路中，电流信号很小，信号用电压电平表示，此时电容耦合将占主导地位，ESD感应电压为主要问题。在低阻电路中，信号主要为电流形式，因而电感耦合占主导地位，ESD电流将导致大多数电路出现问题。

两种主要的破坏机制是：

①由于ESD电流产生热量导致设备的热失效；

②由于ESD感应出高的电压导致绝缘击穿。两种破坏可能在一个设备中同时发生绝缘击穿可能激发大的电流，这又进一步导致热失效。

因为使设备产生损坏比导致它失常所必需的电压和电流要大1~2个数量级，损坏更有可能在传导耦合时产生，这就是说，造成损坏，ESD电火花必须直接接触电路，而辐射耦合通常只导致失常。

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静芯微电子研发SuperESD 电器不再被“雷”到

红网综合产经周刊讯（记者郑骏）相信很多人的脑海中还留存着，一道闪电后，家里全线停电，严重得甚至电器烧毁的画面，这是由于雷雨天气大气层中聚集了过量的电荷，电荷击穿空气与裸露在外的导电物体接触形成过流造成，这也是为什么在部分建筑中往往需要安装一个避雷针。得益于科技的进步，被雷电击穿的情况已经很少，但是电路过流却无处不在，所以，一个稳定可靠的防护芯片大对部分电子元器件来说都不可或缺，而坐落在长沙经开区的静芯微电子正是解决这个问题的专家。

在集成电路芯片设计领域，静芯微电子这个只有12个技术人员的团队可谓后起之秀。即2015年7月在长沙经开区成立后，入选长沙经济技术开发区“招才引智三年行动计划”并获得创新创业项目最高资助支持，2016年又入选长沙市3635计划公司，同时，在各项比赛中也获得不俗的成绩，如中国创新创业大赛湖南赛区团队优胜奖、“创青春”湖南省青年创新创业大赛三等奖、长沙集成电路设计与应用创新创业大赛三等奖等。

静芯微电子研发的“SuperESD”拥有自主知识产权，应用范围非常广泛，小到通讯、测试，大到工业控制、照明，而这里“最牛”的地方在于，这个研发团队选择了一个难度系数非常高的技术路线——片上集成。该方案的好处在于不需要在芯片上额外增加元器件，Esd在设计之初便集成在了SoC上，对产品的稳定性和体积以及功耗都大有裨益。

静芯微电子总经理董鹏介绍，公司拥有一支经验丰富的ESD/TVS研发团队，积累了一系列知识产权成果，是国内第一个开发成功芯片级TVS器件等抗静电保护器件等抗静电保护器件的公司，拥有0.11um以上CMOS、0.25um以上BiCMOS和0.35um以上BCD工艺制程的成功流片和设计服务经验。

在多个关键技术取得突破，特别是在国内首次开发成功在人体模型(HBM)下抗静电强度高于30KV关键技术和器件后，静芯微电子在业界可谓是一炮而红。随后经过在浙江大学ESD实验室、电子科技大学ESD实验室和无锡58所的专业测试后，该技术被金升阳科技有限公司、福星晓程股份有限公司、芯力特电子科技有限公司、中科院自动化所等国内集成电路巨头采用。

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