ESD問題的通用診斷分析方法
更新時間：2024-03-12 點擊次數：2288
靜電放電（ESD）能導致電子產品（pǐn）出現器件損（sǔn）壞和高頻幹擾兩種模式的失效，但由於ESD波形和傳輸路徑無法觀測而（ér）缺乏有效的ESD問題解決方案。利用（yòng）波形發生器定性地模擬靜（jìng）電放電頻譜，使用頻譜儀測量內（nèi）部電路耦合到的頻譜，能（néng）夠（gòu）在不損壞器件的情況下定量評估ESD對內部電路的注入能力從而分（fèn）析出ESD傳輸（shū）路徑，是一種可以用於器件損壞ESD問題分析的方法（fǎ）。模擬ESD頻譜進行直接注入也（yě）能複現靜（jìng）電幹擾失效的現象，能夠探測（cè）定位內部（bù）敏感電路，是解決（jué）靜（jìng）電幹擾型問題的高效方法。防靜（jìng）電器件性能（néng）的評估方法能夠篩選出合（hé）適的保（bǎo）護器件給出（chū）針對（duì）性的（de）解決方案。實（shí）踐證（zhèng）明（míng）運用這三（sān）種方法能夠高效解決ESD問題，也為（wéi）診斷分（fèn）析脈衝幹擾類問題的提供了新的（de）思路和方（fāng）法，在此對該方法的原理和操作進行簡要介紹給大家作為參考。1. ESD放（fàng）電波形（xíng）與ESD頻譜（pǔ）模擬
幹擾脈衝的時域波（bō）形和（hé）頻域頻譜對於分析脈衝的破壞力和幹擾能力很重要。波形電壓越（yuè）高持續時間越長內阻越小則脈衝能量越大，而上升沿（yán）越快半波時間越長則頻譜越寬。靜（jìng）電放電（diàn）屬於脈衝型（xíng）尖峰電壓衝擊，持續時間很短但峰值電壓幅度很高，瞬時能量相比於連續波高出多個數量級，具備很強的破壞力。下圖是標準的ESD靜電波形，上升沿0.8-1.2nS ，波形半波時間30nS。靜電的破（pò）壞（huài）力集中在峰值電壓（yā），而頻（pín）譜（pǔ）的（de）幹擾能力集中在上升沿和幾十納秒的半波時間（jiān）。圖一 IEC61000-4-2標準靜電放電校準（zhǔn）波形靜電問題分析有兩大難（nán）點：一是探頭和測量設備不能實測電路（lù）內部靜電脈（mò）衝；二是無法使用靜電槍直接對電路內部放電進行診斷分（fèn）析。而波形發生（shēng）器可（kě）以幫（bāng）助解決這兩（liǎng）個問題：將脈衝信號轉換為持續信號（hào）能夠解決路徑分（fèn）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（bō）形發生器輸出10MHz，2nS上升沿方波，5V峰（fēng）峰值的時域（yù）波形得到的頻譜，該波形能夠模（mó）擬出靜電波形的上升（shēng）沿和（hé）高頻頻譜分量同時又沒有高壓破壞性（xìng）。真實靜電頻譜相比模擬頻譜在100MHz以上的高頻幅度更大，頻譜寬度更寬，但速度太快無法用頻譜儀觀測。模擬頻譜的持續信號雖然頻（pín）寬和幅值低（dī）於ESD真實（shí）信號但能夠被頻譜（pǔ）儀觀測，而且具備足夠測量深度以便測量出傳輸衰減（jiǎn），最重要的是信號對於整（zhěng）個低壓電路都是安全的，從（cóng）而可以對內部電路進行細致的評估分析。
2. 利用ESD模擬頻譜進行路徑分析
由於ESD幹擾（rǎo）頻譜和脈衝的路（lù）徑是同一的，通過確定幹擾頻（pín）譜（pǔ）傳輸路徑（jìng）也就能分析出靜電脈衝的路徑，這就是通過（guò）模擬（nǐ）頻譜探測能夠實現靜電路徑分（fèn）析的基（jī）本原理。這種方法對於分析器件損壞問題非常（cháng）有意義。上圖（tú）是一個ESD損（sǔn）壞失效案例的一般（bān）等效模型，該單板端口施加6kV接觸放電時100%概率造成內部一個功能（néng）芯片損壞。損壞芯片與注入端口之（zhī）間無電（diàn）路連結，無法進行耦（ǒu）合路徑分析，且由於更（gèng）換芯片非常耗時因此（cǐ）該問題采用傳統方法解決難度很大，需要采用更高效的方法（fǎ）。圖（tú）四 模（mó）擬靜電脈衝注入分析靜電注入路（lù）徑的示意圖上圖是采（cǎi）用模擬（nǐ）頻譜分析靜電注入路徑的示意圖。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（gé）直之後的探針連（lián）結頻譜儀觀測內部電路（lù）耦合到的頻譜幅值，探針測試點和端口注入點之間的頻譜幅度差值就是兩點之（zhī）間靜電傳輸損耗，也就可評估出靜電通過傳導和耦（ǒu）合進入到內（nèi）部（bù）電路的程度。圖（tú）五 模擬靜電注入（rù）探測電路內（nèi）部耦合能力的設備和布置我們以上圖的布置進行單板（bǎn）靜（jìng）電耦合能力評（píng）估，采用插損夾具和金屬板作為參考麵，注入和接收阻抗選擇50Ω，通過觀測頻譜的（de）衰減判斷靜電在電路內部的傳輸損耗（hào）：如（rú）衰減（jiǎn）明顯時可以認為該路徑對靜電能量（liàng）傳輸有阻（zǔ）礙作用，如濾波器、隔離器件、電容電阻等器件管腳；而未觀察到頻譜衰減的電路可以認為靜電（diàn）能以良好通路注入到該部（bù）分。實際觀測發現板上很多位置得到0衰減的（de）耦合，尤其是受損芯片（piàn）某引腳全頻段未觀（guān）測到任（rèn）何衰減，可以斷定靜電能從端口完（）全施加到該引腳並損壞芯片。該案例中對該引腳增加相應的電容作為（wéi）靜電吸收方（fāng）案後（hòu）可以觀測到頻譜有明顯的衰減（10dB下（xià）降），意味著靜電注入對該電路的（de）耦合能力明顯（xiǎn）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（háng）直接注入依然是高效的診（zhěn）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）脈衝注入分析靜電幹擾問題示意圖靜電幹擾的失（shī）效本身就是由靜電的高（gāo）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峰峰值輸出能夠模擬出ESD在（zài）10-300MHz頻段的頻譜和幅值（針對不同問題可以調（diào）整模（mó）擬波形（xíng）參數進行問題（tí）複現），通過電容（róng）進行隔離直（zhí）流之後（hòu）利用金屬探針就能對電路內（nèi）部進行注入探測。這種方法不依賴其他資源（yuán）而且可以在研發場地方便的進行（隻需（xū）要使用波形發生器（qì）、示波器、頻譜儀、接地參（cān）考板等），可以讓研發工程師非常從容地去分析和優化解決方案（àn）。4. 防靜電器件性能的（de）評估（gū）方法
防靜電器件性能（néng）評估方法是2022年提出並發表於電磁兼容公眾（zhòng）號的一種新（xīn）方法，由於對尋找ESD問題的解決方案有很強的指導意義，在此結合診斷分析（xī）再進行（háng）簡要（yào）介紹（shào）。圖七 防靜電（diàn）器件性（xìng）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衰減器、同軸電纜以及示波器（qì）。標準靜電槍作為靜電源，通過（guò）比較初始電壓波形和附加防靜電器件之後的（de）電壓波形就能分析出器件的抑製效果。 | |
| 800V初始靜電波形 超出示波器測量（liàng）範圍 |
圖上可以看出TVS對靜電注入脈衝波形（xíng）產生截止作用，意味著TVS已經觸發保護（hù）功能將靜電能量泄放，關斷（duàn）保護後TVS存在殘壓，該實測結果與TVS規格吻合。TVS由於很小（xiǎo）的（de）結電容可（kě）以用（yòng）於信號端口的ESD防護。 | |
| 8000V靜（jìng）電注入SMD 4.7uF 完（）全吸收 | 4000V靜電注入引線聚乙烯薄（báo）膜（mó） 2.2uF高效吸收 |
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| 4000V靜電注入引線瓷片（piàn）100nF 高效（xiào）吸收 | |
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| 800V靜電注入引線瓷片 1nF 略有效果（guǒ） | 1000V靜電注入引線（xiàn）瓷片 1nF 略有效果 |
不同電容的測試結（jié）果我們可以看出電容對靜（jìng）電的吸收效果有影響（xiǎng）的是材質（zhì）、引（yǐn）線ESL和電容容量。100nF以上的（de）貼（tiē）片電容能夠完（）全吸收靜電的能量（liàng），1nF 貼片電容就能有一些吸收（shōu）效果，其他材質電容吸收效果稍遜於貼片電（diàn）容，因此對於能夠增加電容的電路建議優選貼片電容方案，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）過模擬頻譜注入（rù）分析路徑的方法找到芯片上對靜電脈（mò）衝耦合度最大的引腳，通過防靜電器件實測數據的指（zhǐ）導對該引腳增加貼片電容分別對電源和地進行靜電（diàn）能（néng）量吸收，最終（zhōng）快速（sù）地定位和解（jiě）決了該靜電問題。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度問題（ESD, EFT, SURGE等）有很大的應用潛力。將瞬（shùn）態脈衝轉化為（wéi）持續（xù）頻譜的再進行（háng）耦合探測的方法（fǎ）能夠有（yǒu）效分析ESD器件損壞失效問題，模擬（nǐ）幹擾頻譜注入也能夠實現ESD幹擾失效類問題的精準定位，防靜電器（qì）件性能測（cè）試的方（fāng）法對於ESD器件選型（xíng）有指導意義，這三種措施的綜合應用有（yǒu）可能成為（wéi）ESD問題的通（tōng）用診（zhěn）斷分析方（fāng）法。
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