ESD (Electrostatic Discharge) 範例及對策

** 機構設計爸版權所有 ©️ **

很多機構設計從業人員，包括設計工程師、主管，甚至高階主管，對於EMC測試工程師的測試報告中所反應的問題，大部份研發設計人員都有一種倚賴的心態，「反正EMC部門的工程師必須提出對策」這個想法對3C機構設計爸來說，是一個不正確的態度，也會失去一個學習的機會。最重要的是往往EMC工程師的建議對策會讓機構設計改的天翻地覆，會讓機構設計者非常頭痛。

首先，各位要先了解什麼是ESD？3C機構設計爸在一家半導體設備公司服務期間，該公司的辦公室隔板上有鋁條，辦公室的大門、後門都是金屬材質。當辦公室人員碰觸到這些金屬時，就經常發出「洽」的聲音，雖然還沒有到產生火花的程度，也還不至於達到嚴重傷害人體的程度，但已經造成了人員心理上的負擔，那種接觸所產生的聲音或火花，這就是靜電。要知道靜電是無所不在，那麼，在任何的電器產品(包括3C產品)，在設計上要如何來避免靜電損害到我們的產品呢？了解ESD的對策之前，我們必須了解ESD的測試要求。以測試的方式來說，分為接觸式和非接觸式兩種，所使用的靜電槍型式也不同。

1.接觸式(contact discharge): CD。例如， Contact Discharge 的規格是8KV。

2.非接觸式 (air discharge) — AD。例如， Air Discharge 的規格是15KV。

同時，機構設計人員必須有能力去判斷ESD測試對於產品系統的破壞路徑，在此，3C機構設計爸歸納成以下3個路徑

路徑A. 產品系統外殼設計不良造成的ESD直接破壞。所謂的ESD直接的破壞，是指產品外殼的設計不當所造成的破壞。例如，孔洞或外觀件之間的間隙設計的太大，讓靜電直接衝擊產品機器內部。或者是電子零件太靠近系統機器的外殼，讓靜電直接透過外殼的金屬或塑膠材質而轉稼到電子零件上，進而造成功能上的不良。

路徑B. ESD火花打到產品的電子零件、電路板、或是線材，造成電器上的fail。

路徑C. 在ESD的測試上,耦合的情況也會造成ESD測試fail的原因之一。當然，耦合現象發生的可能結果，也會造成功能上的不良。

在3C機構設計爸以前的EMC分享中，我們了解到ESD的對策，最主要的目的是對於系統產品的保護措施，不讓外部的靜電攻擊系統產品。其實，先了解了ESD的路徑，就不難利用相同的概念來找到對策。那我們針對ESD測試的問題，在機構設計上，我們要朝哪些面向來找對策呢？在對策方面，3C機構設計爸把對策分成3大類。在以下的對策說明中，請務必參考附圖的編號，這樣可以更加了解對策的說明。

對策方式1.阻擋式的對策:  

如同字義上的意思，把靜電到電子零件的路徑做一個阻擋，這個阻擋的材質是絕緣材料、比如說一片麥拉、一片thermal pad(散熱片)、或是rubber pad(橡膠片)、或是任何絕緣材料。

A). 以圖中2-1項，雖然設計上，縫隙已經有轉折，增加ESD進入產品系統內部的難度，但是如果碰到了ESD的問題，除了可以把縫隙遠離CPU位置之外，也可以在小蓋子壓住機殼間加一片橡膠墊片來讓小蓋子壓住，行程無間隙狀態來阻擋靜電。或是在機殼內側加一片麥拉片(或塑膠片)來阻擋靜電。

B). 以圖中2-2項為例，靜電打到螺柱，因為CPU或PCH等重要零件在螺柱旁邊，靜電會耦合到CPU，造成產品功能上受損，那這個問題的對策可以在螺絲上多塞一個rubber cap，或是在螺柱外徑纏繞醋酸膠布，這個ESD的問題就可以解掉了。

對策方式2.引導式的對策： 

這個對策又可分為2種，一是疏導，二是擴散。最普遍的對策是追加一條接地線，這是屬於疏導的解決方法。第二種方式是讓靜電弱化，如圖中的2-1項，在機殼內部也可以貼或扣住一張鋁箔片，這張鋁箔就形成了一個大地，讓靜電擴散到這張鋁箔，那麼靜電的破壞力自然就大幅減弱了。

對策方式3.包容式的對策(EE負責)

在這個對策上，就得要仰賴電子設計工程師(EE)的協同合作了，不外乎就是在電路的主要路徑上增加一些電容，讓靜電能夠被暫容而不直接衝擊的主要元件(不好意思、我用機構語言來表達)。例如在電路板(PCB)、或者是FPC的設計上，多放一些電容之類的，甚至在PCB或FPC上把「地」層加大….等等，都是機構設計可以提供的想法。

最後，針對圖中的其他幾項，3C機構設計爸也在此做個說明。

C). 以圖中1，3項來說，ESD測試是打在測試桌上的金屬板，目的是要驗證如果靜電是來自底部，產品系統會不會因此fail。當然，fail的原因幾乎都是因為耦合。對策也如上說明。

D). 以圖中第2項來說，是對產品系統的靜電測試，contact discharge & air discharge。

E). 以圖中第4項來說，是對PCB直接打靜電的測試。在一般3C產品而言，是不會讓PCB外露的，這是比較特殊的產品才有可能遇到的狀況，相對的也比較嚴苛。

再次提醒各位，解決ESD問題的對策概念和碰到其他測試的問題一樣，要基於以上所描述的對策精神，再加上「天馬行空」的發想，多想出一些利於機構設計的對策scenario，也就是說想的對策可以讓機構設計改的最少、對策導入很方便、快速，這就是本文章分享最主要的目的。

報名線上一對一線上課程在臉書主頁，也可以私訊報名

報名線上一對一線上課程

https://calendly.com/tomdaddydesign/course-link

IG：https://instagram.com/tomdaddydesign/

Facebook：https://www.facebook.com/tomdaddydesign

方格子：https://vocus.cc/user/@tomdaddydesign