成功实现ESD保护的关键：GND图案设计和ESD保护元件的使用

ESD可视化设备是一种通过用非接触磁场探针自动扫描ESD（静电放电）电流来实现ESD电流可视化的设备。（见图1）

正面：电源和信号图案位于电路板中央，外周形成机壳地图案。
背面：信号地图案在电路板中央形成，并留出1mm的间隙，外周形成机壳地图案。（见图2）

ESD条件：在电路板背面的角落处施加ESD。除静电探针连接ESD施加部位和对角角落处。（见图3）
ESD可视化测量条件：测量探针与电路板表面保留1mm的间隙，沿X、Y方向每隔2mm的间距进行测量。（见图4）

实验目的

通过ESD可视化设备，验证在机壳地图案施加ESD时，ESD电流是否会扩散到与机壳地保持1mm间隙距离的信号地图案上。

预测情况

• 通常情况下，施加到设备上的ESD会从电路板的外周部分侵入。
• ESD引起的设备或IC故障很多是由于ESD侵入信号地，扰乱参考GND电平而发生的。
• 由于机壳地与信号地之间设置了1mm的间隙，因此施加到机壳地的ESD不会引到信号地上。（因为图案之间是绝缘的）
• 如果通过设置1mm的间隙能够抑制ESD从机壳地侵入到信号地，那么我们可以考虑将其应用于ESD防护电路板设计中。

・未观察到ESD侵入到信号地的现象。

・ESD电流侵入到信号地图案上。

实验1) 总结

• 虽然机壳地和信号地之间设置了1mm的间隙，但施加在机壳地上的ESD仍会侵入到信号地。
• ESD充电电压越高，静电放电电流就越多地从机壳地扩散到信号地。

实验目的

对照实验1），通过ESD可视化设备，验证当机壳地和信号地之间的间隙设置增加为5mm时，施加到机壳地的ESD电流是否会扩散到信号地图案上。

预测情况

• 实验1)的结果表明，当机壳地和信号地之间的间隙为1mm时，施加在机壳地上的ESD会侵入到信号地。
• 要想实现机壳地上的ESD与信号地之间绝缘，设置1mm的间隙是不足够的。
• 当图案之间的间隙扩大到5mm时，机壳地和信号地之间将实现绝缘，施加到机壳地的ESD不会侵入到信号地。

实验2) 总结

• 两种情况下，ESD从机壳地扩散到信号地图案的情况没有明显差异。
• 即使在机壳地和信号地之间设置5mm的间隙，施加在机壳地图案上的ESD仍会侵入到信号地图案中。
• 通过在图案之间设置间隙的方式难以抑制ESD从机壳地向信号地扩散。

为什么ESD会侵入到信号地中？

我们认为，可能是在ESD强度或导线图案形状的影响下，当ESD电流流向机壳地时，会在导线图案周围形成磁场，通过感应作用影响相邻的导线图案，从而导致ESD电流侵入到信号地上。

实验3的方法

在实验1)和2)中，我们探讨了防止施加在机壳地的ESD侵入到信号地的方法。
然而，从实验1)和2)的结果来看，我们发现通过在图案之间设置间隙的方法，难以抑制ESD从机壳地侵入到信号地中。
那么我们是否有可能通过释放侵入信号地的ESD，来减少ESD对信号地的基准GND（参考地）电平的干扰呢？在下面的实验3)中，我们将验证ESD保护元件是否能有效地引导并释放侵入信号地的ESD。

实验目的

通过ESD可视化设备，验证在机壳地与信号地之间装载ESD保护元件（贴片压敏电阻），是否能够旁路ESD电流。

预测情况

• 根据实验1)和2)的结果，施加到机壳地的ESD会侵入到信号地图案上。
• 为了防止侵入信号地的ESD在图案内滞留，特意设置了ESD电流的通道，以释放静电。
• 如果能够将ESD从信号地引至机壳地，那么就可以考虑将其作为ESD防护的电路板设计的一部分加以利用。

• 为了在信号地和机壳地图案之间装载贴片压敏电阻，使用了机壳地一侧有凹凸形状间隙的评估用电路板
• 仅在装载了贴片压敏电阻的位置，把信号地与机壳地图案之间的间隙缩小至1mm（除元件装载位置外，间隙为3mm）
• 在信号地与机壳地图案之间，每条边中央位置装载贴片压敏电阻（1.0x0.5mm、6.8V），共装载4个

ESD通过贴片压敏电阻被引至信号地。抑制了ESD向机壳地扩散。

实验3)总结

• 通过在机壳地和信号地之间装载贴片压敏电阻，ESD被引至信号地。
• 接着，被引至信号地的ESD也通过贴片压敏电阻被引至机壳地。
• 贴片压敏电阻可为侵入信号地的ESD提供一条通道，旁路ESD并释放至机壳地。

我们认为，通过GND图案设计和ESD保护元件的使用，可以有效地应对ESD问题。
我们希望本次实验的成果能够为设计抗ESD的电路提供有益的参考。

TDK能够进行符合IEC61000-4-2和ISO10605标准的ESD测试，以及ESD抑制电压波形的测量。
此外，我们还可以使用本文中提到的ESD可视化设备进行ESD电流测量。