客服客訴處理-ESD

2.4G RF Module ESD 分析

2.4G RF Module EMMI 分析

ESD 防護

IC ESD TEST REPORT

ESD 防制-機構組成

ESD 防制-機構組合

一個良好的電子產品,應該在設計的最初階段就會考慮到 ESD 瞬態保護的要求。ESD 通常發生在產品自身暴露在外的導電物體或是在鄰近的導電物體上,對於產品設備而言,比較容易產生靜電放電的部位是電纜、鍵盤及暴露在外的金屬框架…等。
塑膠機構、空氣、絕緣體是對於 ESD 電弧最好的屏蔽,除了可以利用距離來做保護以外,通常在 ESD 的幾種防制方式來說,使用機構組合上的設計來做防制,是對付 ESD 的最有效的方式。只要充份阻絕了 ESD 放電路徑,讓它根本沒有機會深入產品內部而破壞電子元件及電路,自然可以達到 ESD 的防制,甚至可以建立一個抗 ESD ±20KV 以上的防護。
對付 ESD 的破壞,機構上的設計防制方法有很多,也會因產品結構性不同,會有不同的防制重點,但其原理準則卻是一致的。底下就列舉出一般電話機產品幾個防制重點範例,以做參考:
a. 面板 Key board PCB 必須要避免鍍金孔來當作鏍絲孔使用。
b. Key board可以使用接地金屬板隔絕於塑膠機構和按鍵部份並接地,或是使用絕緣 Mylar 片隔絕於按鍵部份和話機機構空隙處。
c. Switch、VR 要加上絕緣片或機構構成,並且開關外殼必須於 PCB Layout 時下地。
d. Line Jack、Handset Jack 部份必須以機構做一定的掩蔽,必要時於 Jack 前方, PCB 邊緣處加上下地的短路跳線。
e. MIC 元件部份必須儘量要以機構構成掩蔽避免外露,也可以在 MIC 正負兩端並聯上穩壓二極體。
f. DTR、Speaker、Buzzer 與機構外殼間必須有不織布 and 墊圈做隔絕,除了可以阻絕灰塵、水滴、避免音頻共振以外,尚可以對 ESD 試驗做一定的防護。
g. 機構外殼本體周邊要有密合設計,可以使用凹槽或槽口處來增加接縫處的路徑長度。
h. LCD Display 要有透明壓克力罩機構組成設計, LED 或其它灯泡指示器要裝在機構外殼孔內,並用透光的機構或 Mylar 片蓋起來,以延伸機構破孔的間隙邊沿長度或者使用導線及絕緣套管來增加路徑長度。

PCB Layout 對 ESD 的防制

PCB的設計在提高系統對 ESD 防制能力有著很重要的作用,在 PCB 上的走線通常是產生 EMI 的發射天線,為了把這些天線的耦合降低, PCB track 走線長度要求盡可能的短,且繞線包圍的面積要越小越好。PCB 的佈置應該要盡量避免將敏感的 IC 或電子元件器件直接連到容易發生靜電放電的連接器端子上,或是應在連接器端子引線上增加串聯電阻、分流或電壓箝位電路…等保護措施,使電路對靜電放電敏感度降低,並進行隔離而得到保護。
PCB 佈線需要注意抗瞬間狀態衝擊的設計,因為 ESD 在產生的瞬間狀態下可能在 1ns 內就會達到峰值,在 1cm 長的引線上就能產生 80V 的電壓和 10A 以上電流的脈衝。因此 PCB 設計時必須減小信號線以及信號回路 GND 間的寄生電感量,並可以儘量縮短走線長度並加大信號線銅薄寬度,以避免 ESD 的破壞影響。以下的舉例就是幾個 PCB Layout 佈局走線重點,請參考:
a. PCB 板邊(包括通孔 Via 邊緣),與其它佈線之間的距離應大於 0.3mm。
b. PCB 的板邊最好能全部用 GND 走線包圍。
c. GND 與其它佈線之間的距離保持在 0.2mm〜0.3mm。
d. 電池電壓 VBAT 與其它佈線之間的距離保持在 0.2mm〜0.3mm。
e. 重要的走線如 Reset、Clock 等與其它佈線之間的距離應大於 0.3mm。
f. 大功率的走線如 PA 等與其它佈線之間的距離要保持在 0.2mm〜0.3mm。
g. 不同層的 GND 之間應有盡可能多的 GND Via 通孔相連。
h. 在最後的 GND 鋪地時應盡量避免尖角,有尖角則應盡量使其平滑。

ESD 廠規測試-手機

a. 測試要求: ±4KV(Contact)、±8KV(Air)。

b. 測試方式:

　　將樣機設置為開機狀態,檢查樣機記憶體和功能(包括記憶體 10 條簡訊和 10 個電話號碼、使用功能正常)。

　　再將樣機放於靜電測試台的絕緣墊上(樣機與絕緣墊邊緣距離至少2英寸,兩個樣機之間的距離也是至少2英寸。),並且用充電器加電使手機處於充電狀態。選擇 ±4KV(Contact)、±8KV(Air) 對手機指定部位連續放電 10 次,並對地放電。每做完一個部位的測試,必需檢查手機功能、信號和靈敏度,並觀察手機在測試過程中有無死機、通信鏈路中斷、LCD顯示異常、自動關機及其他異常現象。

     上述充電狀態下測試完後,待測樣機需再與測試儀建立起呼叫連接的狀態下,並再進行各個放電方式、級別和極性的測試。

c. 試驗標準:

　　在 +/-4KV(Contact) 和 +/-8KV(Air) 測試後出現任何問題都要被記為故障。

電子電話機 ESD 廠規測試

a. 測試要求: ±12KV(Contact、Air)。
b. 測試方式:
先將樣機進行測試,包括正常的功能操作(提機、掛機、撥號、響鈴、通話),並記入記憶撥號。再將測試樣機置於測試桌絕緣墊上,絕緣墊厚度 10cm,加上局線電壓 48V 後,在待測樣機 On Hook(掛機)及 Off Hook(提機) 的狀態下進行 ±12KV Contact或 Air ESD 放電測試。
ESD 測試放電點為電話機按鍵面板部份、LCD 顯示屏、局線 Line cord、Handset cord、電話機本體周邊 Switch 部份、話機本體機構接縫處、Handset MIC、Handset DTR 部份。無論是點放或連續放電,每個測試點至少做 10 次放電測試,並且在 ESD 測試後樣機不可以有異常狀態。
c. 試驗標準:
(1). 在 ±12KV Contact 或 Air 測試時,除了在放電的時間除外,所有的功能都應該保持正常的操作。測試後該設備功能有劣化或不能恢復正常時,即判定 ESD 測試失敗。
(2). ESD 放電測試後,電話機不能被破壞且記憶撥號的保存要完整。

ESD TEST 產品的失效判定:

ESD 測試結果必須依照待測設備的功能喪失或劣化程度來判定,可以分成 A、B、C、D 四類標準。而此分類建議標準是參考製造商或測試者要求,來訂定出性能的位準,或是由製造商和產品的採購者的彼此間的協商來分類。依照 EN61000-4-2 的判定,標準 A 和 B 是屬於合格範圍,標準 C 和 D 則屬於不合格的判定。
a. 標準 A: 在製造商、測試要求者或採購者所定的規格要求內,設備產品性能一切正常。
b. 標準 B: 設備產品功能有暫時喪失或劣化,但在干擾停止後也停止,而且不需要操作者處理即可自行恢復正常功能。
c. 標準 C: 設備產品功能暫時喪失或性能劣化,但是需要操作人員處理或系統重新設定方能恢復
d. 標準 D: 設備產品功能喪失或性能已劣化,受測物因硬體或軟體的損壞或資料的流失,以致無法恢復正常功能者。

IC HBM TEST RECORD

HBM (Unit : Volt)	PASS ESDV
	PIN	#1	#2	#3
Test Mode ND	IP	≧4KV	≧4KV	≧4KV
	OP	≧4KV	≧4KV	≧4KV
	IO	3.5KV	≧4KV	≧4KV
Test Mode NS	IP	≧4KV	≧4KV	≧4KV
	OP	≧4KV	≧4KV	≧4KV
	IO	≧4KV	≧4KV	≧4KV
Test Mode PD	IP	≧4KV	≧4KV	≧4KV
	OP	≧4KV	≧4KV	≧4KV
	IO	≧4KV	≧4KV	≧4KV
Test Mode PS	IP	3.5KV	≧4KV	≧4KV
	OP	≧4KV	≧4KV	≧4KV
	IO	≧4KV	≧4KV	≧4KV
Test Mode VDD-VSS(+)	VDD	≧4KV	≧4KV	≧4KV
Test Mode VDD-VSS(-)	VDD	≧4KV	≧4KV	≧4KV

ESD 測試配置

ESD 測試可區分為桌上型設備、落地型設備不同的型式,測試時要依照產品的性質而定。

桌上型設備測試配置,必須有 0.8m 高的木桌,置於接地參考平面上。1.6m x 0.8m 的水平耦合平面置於桌上,待測設備和電纜以 0.5mm 厚的絕緣墊與耦合平面隔離。如果待測設備太大,使得其四個邊離水平耦合平面小於 0.1m 時,在最短的一邊距離 0.3m 處必須使用外加的水平耦合平面,桌子也必須加大或用兩張桌子。水平耦合平面除了經由電阻性電纜連到接地參考平面外,注意不可搭接在一起,而與待測設備相關的任何裝設腳架也都必須維持其原位。

落地型設備測試配置,待測設備和電纜要以 0.1m 厚的絕緣支架與接地參考平面隔離,與待測設備相關的任何裝設腳架也都必須維持其原位。

ESD 測試環境的設置

ESD 測試實驗室的地板必須有銅或鋁製的金屬接地參考平面 GRP(Ground Reference Plane),其厚度至少為 0.25mm 或是也可以使用其它的金屬材質,但其 GRP 厚度至少則必須為 0.65mm。金屬參考平面的大小至少為 1㎡,其適當的尺寸是要依照待測試設備大小而定,參考平面的每一邊都應超出待測設備或耦合面至少 0.5m 以上,並且要能連接到接地保護系統,必須符合一般的安全規定。

ESD 測試時,待測設備必須依照其功能要求來安排和連接,在待測設備和實驗室的牆面,及任何其它金屬結構之間的距離至少要 1m 以上,且 ESD 待測設備必須依照其裝設規定連接到接地系統不應該再有其他的接地,電源和電纜線的位置也必須要能代表實際設備裝設的位置來配置。

另外, ESD 產生器的放電回路電纜必須連接到接地參考平面,電纜總長度一般為 2m。如果長度超過所選擇的放電點的長度,則超過的部分要儘可能放在接地平面的非導電物體上,但與其它測試配置的導電物體至少要有 0.2m 的距離。接地電纜到接地參考平面的連接和所接合之處,皆必須是低阻抗,例如在高頻時可應用鉗夾裝置。而若使用耦合平面做為間接操作放電時,其使用材質和厚度必須和接地參考平面相同,並且要有一接有 470K ohm 分洩電阻之電纜線連接到接地參考平面,這些電阻必須能承受放電電壓,且具有絕緣性,以避免當電纜放在接地參考平面時,與接地參考平面造成短路。

EN61000-4-2 HBM

EN61000-4-2 靜電放電是以模擬人體放電模式(HBM)為主的測試,雖然在零件 IC 測試的 ESD MIL-STD-883E Method 3015.7 規範中也有相同模擬 HBM 的測試,但是其測試方式以及強度,兩者之間卻是不同的。而他們兩者的主要差別在於儲能的電容值和放電電阻值不同,因此所產生的放電能量及靜電峰值電流會有很大差異。在相同的 ESD 電壓下, EN61000-4-2 的放電電阻值是 MIL-STD-883E 的 1/5,而峰值放電電流則是 MIL-STD-883E 的 5 倍,所以換言之 EN61000-4-2 是在更嚴苛的要求條件下,對產品進行 ESD 測試,也因此現在的電子產品設備廠都會採用 EN61000-4-2 來做為 ESD 的測試標準。

靜電放電發生的原因

靜電放電發生的原因大概可以歸納分為三大類型,其分別為人體放電、機械裝置放電和家俱摩擦放電。

人體放電,主要成因為人體的動作摩擦所產生的靜電,例如當我們行走於地毯上,鞋子與地毯摩擦而產生電荷感應於人體,此時我們若有去碰觸到電子產品或元件時,電荷就會經由我們的身體感應對所接觸的電子產品產生放電,導致電子產品因此受損。

機械裝置放電,一般都會發在自動化控制流程當中,像機械設備金屬與絕緣物品的摩擦、液體或高壓氣體流過產生的摩擦靜電..等,當電荷能量累積到某一程度後而對鄰近形成放電的情形。

家俱摩擦放電,則通常會發生在家俱與絕緣物品的摩擦,譬如與地板、地毯的摩擦或是人體衣物與座椅間的摩擦放電..等。

這三種靜電放電產生型式,尤其是人體放電對電子產品的危害最為嚴重,國際間對於此人體放電的測試也更加嚴謹。因此為了確保電子產品的對於靜電破壞的防制,一般電子產品廠商都會要求其產品必須符合標準規範美規 IEC61000-4-2 或歐規 EN61000-4-2 的測試才會接受。然而想要讓電子產品具有靜電防制能力並通過測試,除了要注重半導體元件的 ESD 的防護力以外,更必需從產品系統設計的一些防制技術著手,才能真正做到對靜電放電破壞有效的防護。

ESD 靜電放電的破壞

靜電放電的破壞,對電子產品來說是一種很難避免的問題。一旦電子產品受到 ESD 的作用後,往往會產生不可預期的不穩定動作現象,例如讓電子產品功能突然失常,必需重開電源開關才能回復正常,或是讓電子產品內部的電子元件不堪受到靜電的電壓或電流破壞,而造成電器內部的電子元件損壞等。靜電放電的形成是具有不同靜電電位的物體,經由直接接觸或靜電感應引起物體間的靜電電荷轉移。這種在靜電場的能量達到一定的程度後,會擊穿其介質而進行放電現象,其發生的放電電壓的高低會因摩擦物件材質和外在的環境的溫濕度不同,會產生不同程度的放電現象。例如靜電荷在人造纖維產品且乾燥的空氣兩個條件同時存在下特別容易產生,但在其充電的過程中仍存在有許多可能的變化,依據人造纖維的型式和環境相對濕度的不同,放電電壓可能會有高達到數 KV 以上的電壓。

Microwave Oven AC Noise and ESD TEST

A. AC Line NOISE ( common mode ) : + Loads / Microwave oven operationally.
一. Impulse noise simulator test condition :
1. Noise output voltage : +-1200Vmin. ~ +- 2000Vmax.
2. Pulse width : 50ns/100ns/200ns/250ns/400ns/1us max.
3. Line phase : 90∘/ 270∘.
4. Variable : slow ~ fast.
二. Loads :
把1000g +-5g的水倒入到空試驗用容器中,測得實際倒入的水質量,把試驗用容器立即放到微波爐內腔的擱架上,擱架處於微波爐內腔中最低正常位置,接通電源.
B. AC Line NOISE ( Normal mode ) : + Loads / Microwave oven operationally.
一. Impulse noise simulator test condition :
1. Noise output voltage : +-1200Vmin. ~ +- 2000Vmax.
2. Pulse width : 50ns/100ns/200ns/250ns/400ns/1us max.
3. Line phase : 90∘/ 270∘.
4. Variable : slow ~ fast.
二. Loads :
把1000g +-5g的水倒入到空試驗用容器中,測得實際倒入的水質量,把試驗用容器立即放到微波爐內腔的擱架上,擱架處於微波爐內腔中最低正常位置,接通電源.
C. ESD TEST : No Loads / Microwave oven no operation.
一. ESD simulator test condition : ESD output voltage : +-15000V.
二. Discharge mode : Contact discharge.

ESD 防制

   塑膠機構、空氣、絕緣體是對於 ESD 電弧最好的屏蔽,除了可以利用距離來做保護以外,通常在 ESD 的幾種防制方式來說,使用機構組合上的設計來做防制,是對付 ESD 的最有效的方式。只要充份阻絕了 ESD 放電路徑,讓它根本沒有機會深入產品內部而破壞電子元件及電路,自然可以達到 ESD 的防制,甚至可以建立一個抗 ESD ±20KV 以上的防護。

EMS test conditions for Inverter Air Conditioner-ESD

靜電放電ESD ( Electrostatic Discharge Susceptibility : ICE 61000-4-2 )

環境現象	測試規格	測試配置
靜電放電	8KV 空間放電(air discharge) 4KV 接觸放電(contact discharge)	IEC 61000-4-2

備考 : 4KV 接觸放電要加到裝置上之導電且可碰觸的部位,至於金屬接點,如電池盒或內部插槽則不適用此要求.

a.      機体每一個會被碰觸的金屬部份採用施加20 次的放接觸放電測試( 10 次正極性和10 次負極性 ).

b.     非導電的機体則要對著水平和垂直耦合金屬板放電測試.

c.      無法實施接觸放電時則採用空間放電.

空氣放電測試

Air discharge method:
空氣放電測試是在模擬人的手指在接觸電子產品時發生靜電放電的情況。空氣放電測試時環境條件要求為環境溫度 15 ~ 35℃、相對濕度為 30 ~ 60% RH、大氣壓力為 86 ~ 106kPa,測試時靜電槍頭要使用 8mm 的放電頭,並對於電子產品經常容易接觸的"非金屬"部位做測試,必需要測試到 ±8KV,但法規中仍保留容許高於 ±15KV 的測試條件。對於空氣放電的情況,放電電極的圓形放電端,必須儘快接近以接觸到待測設備。在每次放電後, ESD 產生器的放電電極必須自待測設備上移開,然後產生器再觸發一個新的單擊放電,此程序必須重覆直到放電測試完成。在空氣放電測試中,做為接觸放電使用時的放電開關在接近待測設備之前必須關閉。