ESD问题的通用诊断分析方法

静电放电（ESD）能导致电子产品出现器件损坏和高频干扰两种模式的失效，但由于ESD波形和传输路径无法观测而缺乏有效的ESD问题解决方案。利用波形发生器定性地模拟静电放电频谱，使用频谱仪测量内部电路耦合到的频谱，能够在不损坏器件的情况下定量评估ESD对内部电路的注入能力从而分析出ESD传输路径，是一种可以用于器件损坏ESD问题分析的方法。模拟ESD频谱进行直接注入也能复现静电干扰失效的现象，能够探测定位内部敏感电路，是解决静电干扰型问题的高效方法。防静电器件性能的评估方法能够筛选出合适的保护器件给出针对性的解决方案。实践证明运用这三种方法能够高效解决ESD问题，也为诊断分析脉冲干扰类问题的提供了新的思路和方法，在此对该方法的原理和操作进行简要介绍给大家作为参考。

1.   ESD放电波形与ESD频谱模拟

干扰脉冲的时域波形和频域频谱对于分析脉冲的破坏力和干扰能力很重要。波形电压越高持续时间越长内阻越小则脉冲能量越大，而上升沿越快半波时间越长则频谱越宽。静电放电属于脉冲型尖峰电压冲击，持续时间很短但峰值电压幅度很高，瞬时能量相比于连续波高出多个数量级，具备很强的破坏力。下图是标准的ESD静电波形，上升沿0.8-1.2nS ，波形半波时间30nS。静电的破坏力集中在峰值电压，而频谱的干扰能力集中在上升沿和几十纳秒的半波时间。

图一 IEC61000-4-2标准静电放电校准波形

静电问题分析有两大难点：一是探头和测量设备不能实测电路内部静电脉冲；二是无法使用静电枪直接对电路内部放电进行诊断分析。

而波形发生器可以帮助解决这两个问题：将脉冲信号转换为持续信号能够解决路径分析问题，用小信号替代静电的高压脉冲能够安全的用于内部注入。如下图是波形发生器输出10MHz，2nS上升沿方波，5V峰峰值的时域波形得到的频谱，该波形能够模拟出静电波形的上升沿和高频频谱分量同时又没有高压破坏性。

图二，波形发生器模拟静电波形的实测频谱

真实静电频谱相比模拟频谱在100MHz以上的高频幅度更大，频谱宽度更宽，但速度太快无法用频谱仪观测。模拟频谱的持续信号虽然频宽和幅值低于ESD真实信号但能够被频谱仪观测，而且具备足够测量深度以便测量出传输衰减，最重要的是信号对于整个低压电路都是安全的，从而可以对内部电路进行细致的评估分析。

2.   利用ESD模拟频谱进行路径分析

由于ESD干扰频谱和脉冲的路径是同一的，通过确定干扰频谱传输路径也就能分析出静电脉冲的路径，这就是通过模拟频谱探测能够实现静电路径分析的基本原理。这种方法对于分析器件损坏问题非常有意义。

图三 静电注入破坏器件的示意图

上图是一个ESD损坏失效案例的一般等效模型，该单板端口施加6kV接触放电时100%概率造成内部一个功能芯片损坏。损坏芯片与注入端口之间无电路连结，无法进行耦合路径分析，且由于更换芯片非常耗时因此该问题采用传统方法解决难度很大，需要采用更高效的方法。

图四 模拟静电脉冲注入分析静电注入路径的示意图

上图是采用模拟频谱分析静电注入路径的示意图。端口注入持续的模拟频谱（10MHz，2nS上升沿方波，5V峰峰值），采用隔直之后的探针连结频谱仪观测内部电路耦合到的频谱幅值，探针测试点和端口注入点之间的频谱幅度差值就是两点之间静电传输损耗，也就可评估出静电通过传导和耦合进入到内部电路的程度。

图五 模拟静电注入探测电路内部耦合能力的设备和布置

我们以上图的布置进行单板静电耦合能力评估，采用插损夹具和金属板作为参考面，注入和接收阻抗选择50Ω，通过观测频谱的衰减判断静电在电路内部的传输损耗：如衰减明显时可以认为该路径对静电能量传输有阻碍作用，如滤波器、隔离器件、电容电阻等器件管脚；而未观察到频谱衰减的电路可以认为静电能以良好通路注入到该部分。实际观测发现板上很多位置得到0衰减的耦合，尤其是受损芯片某引脚全频段未观测到任何衰减，可以断定静电能从端口完全施加到该引脚并损坏芯片。该案例中对该引脚增加相应的电容作为静电吸收方案后可以观测到频谱有明显的衰减（10dB下降），意味着静电注入对该电路的耦合能力明显下降，实测端口的静电能力由6kV 100%损坏到10kV观测不到损坏现象。

3.   利用波形发生器进行ESD干扰问题诊断分析方法

对于ESD干扰失效问题，利用模拟频谱进行直接注入依然是高效的诊断分析方法，能够快速复现问题并且对内部电路进行定点分析，最终快速找到并验证解决方案。

图六 模拟静电脉冲注入分析静电干扰问题示意图

静电干扰的失效本身就是由静电的高频频谱能量引起的，采用波形发生器模拟该高频能量进行注入能够大概率的复现到相同的干扰现象。波形发生器采用10MHz方波脉冲50%占空比，1-10V峰峰值输出能够模拟出ESD在10-300MHz频段的频谱和幅值（针对不同问题可以调整模拟波形参数进行问题复现），通过电容进行隔离直流之后利用金属探针就能对电路内部进行注入探测。这种方法不依赖其他资源而且可以在研发场地方便的进行（只需要使用波形发生器、示波器、频谱仪、接地参考板等），可以让研发工程师非常从容地去分析和优化解决方案。

4.   防静电器件性能的评估方法

防静电器件性能评估方法是2022年提出并发表于电磁兼容公众号的一种新方法，由于对寻找ESD问题的解决方案有很强的指导意义，在此结合诊断分析再进行简要介绍。

图七 防静电器件性能测量原理示意图

防静电器件性能评估系统包括静电枪、同轴夹具、3dB衰减器、同轴电缆以及示波器。标准静电枪作为静电源，通过比较初始电压波形和附加防静电器件之后的电压波形就能分析出器件的抑制效果。

图八 初始静电波形校准布置

400V初始静电波形	800V初始静电波形 超出示波器测量范围

图九 初始静电脉冲在夹具上的分压波形

400V静电注入双向TVS	4000V静电注入双向TVS 吸收作用明显

图十 附加双向TVS之后的分压波形

图上可以看出TVS对静电注入脉冲波形产生截止作用，意味着TVS已经触发保护功能将静电能量泄放，关断保护后TVS存在残压，该实测结果与TVS规格吻合。TVS由于很小的结电容可以用于信号端口的ESD防护。

8000V静电注入SMD 4.7uF 完全吸收	4000V静电注入引线聚乙烯薄膜 2.2uF高效吸收
4000V静电注入引线瓷片100nF 高效吸收	8000V静电注入引线瓷片 100nF高效吸收
800V静电注入引线瓷片 1nF 略有效果	1000V静电注入引线瓷片 1nF 略有效果

图十一 附加不同电容之后的的分压波形

不同电容的测试结果我们可以看出电容对静电的吸收效果有影响的是材质、引线ESL和电容容量。100nF以上的贴片电容能够完全吸收静电的能量，1nF 贴片电容就能有一些吸收效果，其他材质电容吸收效果稍逊于贴片电容，因此对于能够增加电容的电路建议优选贴片电容方案，不能使用电容的电路选择TVS或ESD吸收器件。

5.   小结

本案例通过模拟频谱注入分析路径的方法找到芯片上对静电脉冲耦合度最大的引脚，通过防静电器件实测数据的指导对该引脚增加贴片电容分别对电源和地进行静电能量吸收，最终快速地定位和解决了该静电问题。

波形发生器脉冲模拟注入的方法在解决各类脉冲型抗扰度问题（ESD, EFT, SURGE等）有很大的应用潜力。将瞬态脉冲转化为持续频谱的再进行耦合探测的方法能够有效分析ESD器件损坏失效问题，模拟干扰频谱注入也能够实现ESD干扰失效类问题的精准定位，防静电器件性能测试的方法对于ESD器件选型有指导意义，这三种措施的综合应用有可能成为ESD问题的通用诊断分析方法。

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