手机ESD控制技术、纠错方法及补救措施

手机在整个生命周期内都处在一个充满静电的环境之中，如果抗静电释放(ESD)设计不好，则可能导致手机在使用过程中发生锁死、复位、数据丢失和不可靠等现象。本文将结合实际的设计阐述手机ESD控制的基本原则和保护设计方法，以及产品生产时的补救措施。

ESD破坏大多数明显的影响是器件失效，从手指或其它导体上突然的静电释放能够破坏静电敏感器件或者微电路。处于静电释放危险中的电子器件可能完全不受影响，或产生了损伤但并不能立即被察觉，但是由于中间阶层品质降低，其预期寿命可能降低，这就是一个潜在的设备操作故障。ESD事件导致器件品质降低，在持续使用时引起失效。ESD的破坏可以是累积性的，导致受损器件功能时好时坏，而且这类故障具有一定的隐蔽性。ESD另一个重要的影响是对于操作设备的干扰。由ESD事件传递和发射的能量能够被操作系统误认为有效数据，导致在数据传输过程中引起暂时错误，在更严重情况下，设备可能产生严重的故障，如电话断线或完全被切断，需要手动重新开启。

ESD控制技术

防止ESD损坏的一个办法是在器件、电路包装和系统里设计抗ESD的专门保护结构，另一个方法是防止静电电荷积累，从而避免ESD的发生。

1. ESD控制的基本原则：
a 认识到所有的电子组件和装配件都对于ESD破坏敏感；
b 在没有适当接地情况下避免触摸敏感组件和装配件；
c 除非在一个静电安全环境中，应该避免运输、储藏和搬运静电敏感组件和装配件。

2. 设计保护
保护微电子电路组件的主要有效手段是在器件制造时建立保护回路。设计保护回路要在三个要素之间综合考虑─器件的主要功能、器件制造制约(例如屏蔽水平和材料特性)和器件的位置(ESD控制)。保护电路对于ESD瞬间的反应必须比被保护的器件迅速。虽然典型的器件保护可以通过设计回路获得，然而没有器件制造商能够完全消除ESD破坏问题，因此，还需要附加的保护措施。

电子技术的发展趋势是电子设备速度将越来越高，在一些情况下速度和其它的功能标准可能制约保护措施的使用。使用这些受限制的保护措施，需要器件制造商和使用者之间尽早协调，以便在电路封装和系统上建立保护，同时预先安排特别的处理技术。由于标准的控制程序不够充分以及不允许一些自动安装技术，这样的要求对于静电敏感器件极为关键。电路封装保护技术包括采用适当的遮蔽保护膜、特殊连接设计、保护环和组件放置。完整的系统使设计也必须考虑ESD引起的临时性干扰，解决措施可以采用屏蔽，并且电路板的设计布置需要考虑到典型的噪声抑制技术。

3. PCB抗静电设计原则(参见图1~7)：
a 减少回路面积(面积越大，所包含的场流量越大，其感应电流越大)。

b 走线越短越好。

c PCB接地面积越大越好。
d 电源与地之间接电容。
e 器件与静电源隔离。
f PCB的接地线需要低阻抗且要有良好的隔离。
g 所有的组件越近越好。
h 同一特性器件越近越好。
i 电源与地越接近越好。
j 电源、地布局在板中间比在四周好。
k 存在多组电源和地时，以格子方式连接。
l 信号线越靠近地线越好。
m 太长的信号线或电源线必须与地线交错布置。
n 在电源和地之间放置高频旁路电容。

4. PCB上外露金属的设计(见图8)：
a 外露金属容易被ESD击中，因此金属本体及延伸至PC板内部线路周围必须隔离2mm以上间隙。
b 加上尖端放电，吸收静电(GND铜箔越宽越好，并直接回主地)。
c 多层板的内层同样需要隔离。
d 整面的防护：加上金属接地面。

5. PCB板边缘和螺丝孔的设计(见图9)：
a A处为机构设计加长静电路径，防止静电进入。
b B处在板边缘设计一条铜箔，直接连回主地，不可连接其它回路，并适度露铜或取消阻焊，以吸收静电。
c C处螺孔设计原理同B。
d D机构加上防护片，防止静电进入。

6. 减少场耦合的方法
a 在源端使用滤波器衰减信号
b 在接收端使用滤波器衰减信号
c 增加距离以减少耦合
d 降低源端和接收端的天线效应
e 90度极性差异
f 在传输与接收端之间使用隔离方式
g 增加传输与接收天线的阻抗以降低磁场耦合
h 使用均匀、低阻抗参考板使信号一直保持在共模状态

7. 外壳设计准则
a 外壳的金属部份需接机壳地
b 至少需要与电子器件或电路走线距离2.2mm以上
c 若无法接机壳地时须距离2cm以上
d 尽量使同属性电子器件在一起
e 要有足够空间，以避免阻碍PCB设计
f 所有相连接之金属材料其EMF差要小于0.75V
g 所有设计须有另加隔离片的空间
h 所有孔洞或缝隙不能大于2cm
i 使用多个小孔取代一个大孔
j 不可在接机壳地或静电敏感组件附近挖孔
k 使用金属带(foil tape)时，必须与机壳实现电接触
h 连接带需短而宽

ESD纠错方法及补救措施

由于ESD控制的复杂性，即使经验非常丰富的工程师也难做到万无一失，对进入生产环节才发现ESD问题的产品能够准确及时补救十分重要。

1、 纠错的原则及步骤

样机ESD通不过是个让工程师头疼的问题，可以根据下面的步骤来发现并分析产生的问题及原因。
a. 仔细观察实验现象。注意电弧的放电强度及放电方向，让ESD放电枪(GUN)从不同方向靠近放电点，观察现象有何不同，分析静电是如何进入机身。
b. 逐渐增加或减少放电电压，观察手机是在哪个电压区间发生失效。例如，在做空气放电测试时，如果8KV不能通过，向下打6KV、4KV；如果8KV通过，则向上打10KV、12KV、15KV观察实验现象。
c. 画图及列表，详细记录实验现象。画出手机正面，反面及侧面示意图，准确标注放电点，必要处以彩色笔标出电弧方向。列表详细记录每一放电点的实验现象。如某点在某一正负电压值放电次数、失效次数及每次失效现象，是关机、复位还是LCD显示不正常，都详细记录以便参考。
d. 一台样机的现象总是带有随机性，需要对几台样机进行同样的测试，找出失效的共性现象，以便准确判断失效原因。
e. 根据实验现象进行分析，判断失效原因。由于ESD 的失效原因是多种多样的，所以由一个现象可能分析出几种不同的原因，其中的某一个或几个引起手机ESD失效。这需要工程师进行更深一步的分析，针对每一种可能进行具体实验，最终找出失效的真正原因。

2、 补救措施

如果不是万不得已，尽量找到较好的补救措施，使产品不至于从新设计。分析失效原因之后，必须认真寻找最恰当的补救措施。
a. 必须做大量的试验来寻找解决方案，这是一个反复而枯燥的过程，针对不同的原因采用不同的方法，如露铜吸收静电、加导电材料释放静电、添加防护垫及防静电器件等方法，将静电合理阻挡、疏通或吸收。
b. 找到解决方案后，必须对此方案进行进一步的分析，尽量做到经济并适于量产，避免采用昂贵的元器件及在制造过程中采用手工操作。

本文作者：
徐涛
何颖
ESD工程师
上海DBTEL实业有限公司