esd静电
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2023年3月17日发(作者：十大奢侈名表)esd
ESD的意思是―静电释放‖的意思，它是英文：Electro-Staticdischarge的缩写，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、危害及静电防护等的学科。因此，国际上习惯将用于
静电防护的器材统称为―ESD‖，中文名称为静电阻抗器。
一.ESD知识介绍
静电是一种客观的自然现象，产生的方式多种，如接触、摩擦等。静电的特点是高电压、低电量、小
电流和作用时间短的特点。
人体自身的动作或与其他物体的接触，分离，摩擦或感应等因素，可以产生几千伏甚至上万伏的静电。
静电在多个领域造成严重危害。摩擦起电和人体静电是电子工业中的两大危害。
生产过程中静电防护的主要措施为静电泄露、耗散、中和、增湿，屏蔽与接地。
人体静电防护系统主要有防静电手腕带，脚腕带，工作服、鞋袜、帽、手套或指套等组成，具有静电
泄露，中和与屏蔽等功能。
静电防护工作是一项长期的系统工程，任何环节的失误或疏漏，都将导致静电防护工作的失败。
静电的危害：
静电在我们的日常生活中可以说是无处不在，我们的身上和周围就带有很高的静电电压，几千伏甚至
几万伏。平时可能体会不到，人走过化纤的地毯静电大约是35000伏，翻阅塑料说明书大约7000伏，对
于一些敏感仪器来讲，这个电压可能会是致命的危害。
静电学主要研究静电应用技术，如静电除尘、静电复印、静电生物效应等。更主要的是静电防护技术，
如电子工业、石油工业、兵器工业、纺织工业、橡胶工业以及兴航与军事领域的静电危害，寻求减少静电
造成的损失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，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，已经成为一个迫切需要解决的问题。一方
面，一些电阻率很高的高分子材料如塑料,橡胶等的制品的广泛应用以及现代生产过程的高速化,使得静电
能积累到很高的程度,另一方面，静电敏感材料的生产和使用,如轻质油品,火药,固态电子器件等,工矿
企业部门受静电的危害也越来越突出,静电危害造成了相当严重的后果和损失。它可以在不经意间将昂贵
的电子器件击穿，造成电子工业年损失达上百亿美元。在兴航工业，静电放电造成火箭和卫星发射失败，
干扰兴航飞行器的运行。1967年7月29日，美国Forrestal航空母舰上发生严重事故，一架A4飞机上
的导弹突然点火，造成了7200万美元的损失，并损伤了134人，调查结果是导弹屏蔽接头不合格，静电
引起了点火。1969年底在不到一个月的时间内荷兰、挪威、英国三艘20万吨超级油轮洗舱时产生的静电
引起相继发生爆炸。
我国近年来在石化企业曾发生30多起因静电造成了严重火灾爆炸事故。许多工业发达国家都建立了
静电研究机构，我国从60年代末开始开展了一些静电研究工作，80年代开始以来,我国的静电研究发展
极为迅速。1981年成立了中国物理学会静电专业委员会并召开了第一次全国静电学术会议,全国性的和各
地方的静电学术会议不断召开，静电研究和应用的范围也越来越广,科研队伍不断壮大。
二.什么是ESD？
简言之，ESD就是电荷的快速中和，电子工业每年花在这上面的费用有数十亿美元之多。我们知道
所有的物质都由原子构成，原子中有电子和质子。当物质获得或失去电子时，它将失去电平衡而变成带负
电或正电，正电荷或负电荷在材料表面上积累就会使物体带上静电。电荷积累通常因材料互相接触分离而
产生，也可由摩擦引起，称为摩擦起电。
有许多因素会影响电荷的积累，包括接触压力、摩擦系数和分离速度等。静电电荷会不断积累，直到
造成电荷产生的作用停止、电荷被泄放或者达到足够的强度可以击穿周围物质为止。电介质被击穿后，静
电电荷会很快得到平衡，这种电荷的快速中和就称为静电放电。由于在很小的电阻上快速泄放电压，泄放
电流会很大，可能超过20安培，如果这种放电通过集成电路或其他静电敏感元件进行，这么大的电流将
对设计为仅导通微安或毫安级电流的电路造成严重损害。
有多种模型可以用来表述器件如何受到损害，如人体模型(HBM)、机器模型(MM)、带电器件模型(CD
M)以及电场对器件的影响等。对于自动装配设备而言，主要考虑后三种损坏模型(模式)，我们在下面分别
进行讨论。
机器模型/模式自动装配设备使用导轨、传动带、滑道、元件运送器和其他装置来移动器件使之按工
艺要求的方向运动，如果设备设计不当，传动带和运送系统上可能会积累大量电荷，这些电荷将在工艺过
程中通过器件泄放。设备部件通过器件放电就称为机器模型/模式。
带电器件模型/模式如果一个器件因某种原因累积了电荷并与一个带电少的表面相接触，电荷就会通
过器件上的导电部分泄放。当器件向其他材料放电时，就称为带电器件模式，用带电器件模型表示。
电场影响电场感应会在IC阻性线路间产生电位差，引起绝缘体介质击穿。造成失效的另一个原因是
器件上的电荷在电场中会被极化，从而产生电位差并向异性电荷放电，形成双重放电或中和。在ESD控
制中使用了具有不同电阻特性的材料，这些材料用在自动装配设备中可以获得理想的效果。描述材料电阻
特性通常用表面电阻率或体电阻率。
三.常见概念及应用
表面电阻率简单地说表面电阻率就是同一表面上两电极之间所测得的电阻值，将电极形状和电阻值
结合在一起通过计算可得到单位面积的电阻值。现在市面上可以买得到读数为单位面积电阻值的测量仪。
体电阻率体电阻率是通过材料厚度的电阻值，单位是Ω·cm。
导电材料导电材料指表面电阻率和体电阻率分别小于106Ω和106Ω·cm的材料。
耗散材料耗散材料指表面电阻率和体电阻率分别小于1012Ω或1012Ω·cm的材料。
防静电材料―防静电‖指的是能够抑制电荷累积，可以在材料制造过程中添加或者局部加入某种物质
得到这种特性。防静电材料无需用表面或体电阻率表示。
导电添加剂和薄膜如果由于成本或者其他设计上的原因只能使用塑料材料或复合材料时，可以使用
添加剂改善静电特性，将添加剂混入塑料材料中，根据添加剂和树脂百分比不同可获得所需的导电性或耗
散性。
在树脂中加入纤维可以使之获得导电性或耗散性并增强强度，这种纤维可能本身就有导电性或者采用
了表面电镀工艺。虽然添加纤维可得到这些好处，但它也改变了收缩率和韧性。填充剂可以提供导电性和
耗散性，增加强度，但常常会降低基体树脂的硬度。表1是一些常见的导电添加剂。
传送带传送带用来输送元件、PCB和其他器件，材料一般为塑料、纤维制品或橡胶。如果传送带要
接收从机器其他部分传来的器件，那么它应该采用耗散性材料。当传动带表面电阻率为1～106Ω时，它
会使带电器件放电速度太快，对器件造成损害；当表面电阻在106～109Ω时，只要传送带通过转轮滑轮
和机架良好接地，传送带上就不会带电。
另一个要考虑的问题是传送带速度。如果传送带运动速度太快，器件放到传送带上时就可能会滑动(或
者器件保持不动而传送带继续在动)，这时就会形成摩擦生电，传送带如果接地能使电荷耗散掉，但是器
件或PC板仍带有电荷而会造成危害。
导向装置和导轨导向装置和导轨用来提供通道或者使器件放于一个固定的位置或保持一定的方向
性，采用的材料应能使电荷耗散掉并且防止器件摩擦生电。表面电阻率为106Ω的材料具有良好耗散性而
且不会损伤器件，如果送入的器件处于无静电状态，也可以使用导电性材料(表面电阻率低于106Ω)。
四.ESD静电保护总则:
1.概述
随着多媒体应用在每个人的日常生活中扮演的角色日益增长，计算机与消费电子之间的关系也日益密
切，对便携性和功能性方面的增长会有持续性的需求。这就要求元件有更高的集成度——总的趋势却是导
致敏感而昂贵的芯片,由于存在外部接口的ESD浪涌而遭到损坏的风险也在增长。
为了抵消这种风险，Philips提供了一系列宽范围的完整分立产品，致力于保护、消除和滤波所有相
关的I/O端口。Philips的保护器件兼容最高的ESD标准，这对所有CE设备都是必须的：IEC61000-
4-2level4，8kV（接触放电）和15kV（非接触放电）。
作为USB开发者论坛的关键成员，Philips提供了多种保护解决方案，包括用于USB接口的滤波和
消除器件，范围从主板到笔记本。
1.1–端口保护
2.1应用领域：MP3播放器、PDA、数码相机通用串行总线（USB）是一种支持热插拔和可移动的
系统，因此对静电特别敏感。Philips提供的ESP保护二极管，以及联合ESD保护、滤波和消除的器件，
针对所有便携式USB1.1应用，比如PDA、MP3播放器和数码相机。
2.2IP4058CX8/LF重要特性
线路终端。
EMI滤波。
8kVI/OESD保护。
8kVESDID管脚保护。
2.3PESD5V0L2UM重要特性
15kV接触I/OESD保护。
极低的漏电电流5nA。
很低的电容16pF。
极小的SMD封装。
2.0-单端口OTG保护
3.1应用领域：打印机，数码相机
USB2.0接口由一对差分数字信号构成，数据传输率最高达到480Mbps，普遍运用于连接个人PC，
笔记本和嵌入式计算机工作站的外设端口。Philips在USB运用中提供了一系列的超低电容的ESD保护
器件。
3.2IP4059CX6/LF重要特性
8kV接触I/OESD保护。
15kV接触ESDID管脚保护。
很小的面积。
2.0-单端口保护
4.1应用领域：打印机、数码相机、笔记本
由于处理数据的速率高达480Mbps，USB2.0接口为了避免信号失真而需要配备具有超低线路电容
的ESD保护器件。Philips的超低电容ESD保护系列器件非常适合于USB应用，包括打印机、数码相
机和笔记本。
4.2PRTR5V0U2X重要特性
8kV接触I/OESD保护。
超低的线路电容1.0pF。
4.3PRTR5V0U2AX重要特性
12kV接触I/OESD保护。
超低的线路电容1.8pF。
2.0–双端口保护
5.1应用领域：笔记本，PC主板
在使用双端口USB2.0设备时，为了使干挠带来的风险最小化，推荐使用最低电容的
ESD保护器件。电容仅有1pF，PhilipsPRTR5V0U4D提供了服从IEC61000-4-2标准的防护。
5.2PRTR5V0U4D重要特性
12kV接触ESD保护。
超低的线路电容1.0pF。
/VGA接口
6.1应用领域：图形卡，笔记本，PC主板，监视器
VGA接口广泛用于图形卡，笔记本，PC主板和监视器之间的模拟视频信号的连接，当需要高级别
的ESD保护时，Philips同样有完整的终端和线路电阻，解决电磁干扰（上拉电阻可选）的独立器件IP
4273CZ16。还有提供给用户最大限度可调的ESD器件IP4274CZ16，不带上拉电阻，允许不同阻值的
上拉电阻从而应用于一些特殊的设计场合。
6.2IP4273CZ16重要特性
8kV接触ESD保护。
超低5pF的线路电容。
线路终端。
上拉电阻（可选）。
EMI滤波。
完全集成的75欧电阻。
6.3IP4274CZ16重要特性
8kV接触ESD保护。
超低5pF的线路电容。
线路终端。
EMI滤波。
完全集成的75欧电阻。
6.4IP4272CZ16重要特性
8kV接触ESD保护。
超低5pF的线路电容。
线路终端。
EMI滤波。
RGB输入输出独立。
完全集成的75欧电阻。
/HDMI接口
7.1应用领域：液晶电视，监视器，DVD
DVI和HDMI接口已常用于数字视频与音频和显示平板的连接。由于高频信号（最高
达1.6GHz）的处理要求这些数据线配置极低的线路电容。Philips提供了独特的1pF的线路电容保
护器件。性能继续维持8kV的可接触的IEC61000－4－2标准。
7.2PRTR5V0U8S和PRTR5V0U4D重要特性
8kV接触ESD保护。
4、6、8轨到轨通道。
超低的1pF的电容。
1284接口
8.1应用领域：并行打印端口
对于传统的并行端口（IEEE1284），Philips提供了多种ESD保护二极管组，他们集成在一个很
小的SMD封装里，从4线到18线不等的ESD保护。与离散的二极管相比，这种ESD的箝位性能更
加优良。
8.2IEEE1284接口ESD芯片重要特性
15kV接触ESD保护。
超低的泄漏电流5nA。
很低的电容16pF。
9.独立的音频/视频接口
9.1应用领域：笔记本，PC主板，声音和图像卡
外部接口开放的音频信号线需要ESD保护去驱动音频芯片。Philips提供了一款小巧的
4通道ESD保护器件，以较低的综合成本给消费者最大的利益。
9.2PRTR5V0U4D重要特性
8kV接触ESD保护。
超低的1pF的电容。
9.3PRTR5V0L4UW重要特性
15kV接触ESD保护。
很小的电容16pF。
超小的SOT665SMD封装。
10.S-视频/音频接口
10.1应用领域：笔记本，PC主板，声音和图像卡
外部接口开放的音频信号线需要ESD保护去驱动音频芯片。Philips提供了一款小巧的
4通道ESD保护器件，以较低的综合成本给用户最大的利益。
10.2PRTR5V0U4D重要特性
8kV接触ESD保护。
超低的1pF的电容。
10.3PESD5V0L5UW重要特性
15kV接触ESD保护。
很小的电容16pF。
超小的SOT666SMD封装。
接口
11.1应用领域：录像机，机顶盒，DVD刻录机
SCART接口在电视机到录像机，机顶盒，DVD录像机和人造卫星接收器的连接中得到了广泛的应
用。由于这些应用中使用了敏感的IC器件，ESD保护显得非常重要。尤其是视频和音频信号线。
11.2PRTR5V0U8S和PRTR5V0U4D重要特性
8kV接触ESD保护。
4、6、8轨到轨通道。
超低的1pF的电容。
11.3PESD5V0L7BAS和PESD5V0L5UW重要特性
15kV接触ESD保护。
5和8叠ESD保护二极管组。
很小的电容16pF。
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12.1应用领域：笔记本，数字便携式摄像机
IP4224CZ6是保护TPA和TPB数据通道的静电放电的最佳方法。而且每一个器件内集
成55W的终端电阻，从而达到极好的性能匹配。一个典型的应用如下所示：
12.2IP4224CZ6重要特性
电阻匹配在TPA与TPB之间。
不需添加过压保护。
13.1应用领域：液晶面板，打印机，网络集线器
LVDS数据线连接广泛应用于高速数据信号传输，例如，在商用打印机或者LCD面板
与转接板的连接。这些应用需要ESD保护是由于使用了敏感的IC器件。对于这些高速数据线，轨
到轨保护器件完全适用。
13.2PRTR5V0U4D重要特性
8kV接触ESD保护。
超低的电容1pF。
14.高速接口
14.1应用领域：局域网，G比特以太网
新的Philips轨到轨家族被用来同时解决两个高速接口的问题，超低的线路电容和高要
求的ESD保护。
14.2高速接口ESD器件重要特性
8kV接触ESD保护。
2、4、6、8轨到轨通道。
超低的线路电容1.0pF。
五.ESD与一般电压保护的压敏电阻的区别
现在仍然有很多电子工程师对静电的产生及防护了解不够，往往把静电阻抗器（ESD）和用于一般电
压保护的压敏电阻（EMD）混为一谈。下面就简单介绍一下压敏电阻。
压敏电阻是一种无极性过电压保护元件，无论是交流电路或直流电路，只需将压敏电阻器与被保护电
器设备或元器件并联即可达到保护设备的目的。压敏电阻的缺点是易老化和电容较高，老化是指压敏电阻
内的二极管元件被击穿。由于大多数情况下Ｐ－Ｎ结过载时会造成短路，依其负载的频繁程度，压敏电阻
开始吸引泄漏电流，泄漏电流会在敏感的测试电路中引起测量数据误差，同时，特别是在额定电压高的电
路中，会造成强烈发热。
压敏电阻的电容高（最低都在100μf以上），使它在很多情况下不能在信号传输线路中使用。电容和
导线电感形成一个低通电路，会使信号极大地衰减。但频率大约在３０ｋＨｚ以下的衰减可以忽略不计。
但是对于要求通过USB端口与计算机连接的大多数码产品来说，一旦连接端口的电容值大于5pf时，往
往会引起数据传输出错或失败。
电子消费类、数码产品中专门的静电阻抗器ESD（静电保护元件）：电压范围为〈24V，极间电容有
〈2.5pf的，响应速度小于1ns，极低的漏电流，封装主要为0603和0402。工作原理是：在电器正常工
作过程中，ESD只是表现为容值极低的(一般〈5pf)容抗特性，不会对正常的电器特性产生影响,且不会影
响到电子产品的信号及数据传输；当器件两端的过电压达到预定的崩溃电压时，迅速（纳秒级）做出反应，
以几何级数的量放大极间漏电流通过，从而达到吸收、减弱静电对电路特性的干扰和影响。同时，由于E
SD静电阻抗器的构成材质的特殊性，ESD往往都是通过对静电进行吸收和耗散，亦即表现为一个充放电
的过程，来达到对设备进行静电防护，所以设备中的ESD静电阻抗器都不易老化损坏。
由于国外进口电子产品时均要求通过静电测试，这就要求我们设计产品时应充分考虑ESD问题，在
硬件的设计上应该注意的有以下几个方面的问题：首先，静电会通过两种渠道在传播，一种是感应的空气
放电，另外一种是传导；感应的空气放电主要防护措施是屏蔽，主要考虑结构等方面的问题；传导的防护
主要是吸收，我们只要在需要保护的端口前增加ESD即可；其次，在我们增加保护器件ESD时，尽量远
离受保护的端口而尽量靠近静电到入口；在次，在设计PCB时经过ESD期间的线路，尽量产生锐角；最
后，应该重点考虑受保护器件的地线走向问题，是否也是全部纳入受保护的范畴，否则在做静电反向脉冲
测试时，无法达到正向脉冲的等级。