最近遇到一家客戶的產(chǎn)品在做靜電測試時出現(xiàn)了電容損壞的現(xiàn)象，測試標(biāo)準(zhǔn)為IEC61000-4-2，接觸式，8KV(實(shí)際測試時考慮設(shè)計(jì)余量，電壓為10KV)。所用的電容為普通的0.1uF的MLCC陶瓷電容，0402封裝，50V額定電壓。
在本文討論之前，看看大家是如何理解如下幾個問題。
1、電容為什么能夠防靜電？
2、電容規(guī)格書上都會標(biāo)注額定電壓值，如果電壓超過了額定電壓，多大的電壓會導(dǎo)致電容損壞？
3、普通的陶瓷電容，器件自身能抗多大的靜電沖擊？
4、是否有防靜電能力更強(qiáng)的電容，這些電容和普通的電容有什么區(qū)別？
1、電容為什么能夠防靜電？
如下圖，我們對芯片的管腳施加靜電，通常來說，如果芯片的HBM模型給出的是耐受4KV靜電的指標(biāo)，那么用靜電槍測試的話，實(shí)際可耐受的電壓很可能不會超過2KV。
如果測試等級4，則施加的電壓為：8KV；那IO肯定會損壞。
如果我們在IO上并一個電容后，情況會怎樣？
根據(jù)上圖，簡化的電氣模型如下：
芯片IO的阻抗特性未知，為簡化分析，先按高阻分析，則可以斷開芯片端連接，如下圖：
基本工作原理為，充電開關(guān)閉合，高電壓通過Rc給Cd充電到預(yù)設(shè)電壓；然后充電開關(guān)斷開，放電開關(guān)閉合，高壓電壓Vd從Cd端通過Rd對CL放電。
Rd只影響VCL最終達(dá)到穩(wěn)定電壓的時間，并不影響最終的VCL穩(wěn)定電壓值。
CL上的電壓VCL可以通過下面公式計(jì)算：
比如：一個0.1uF的電容，10KV的靜電電壓，在電容CL上產(chǎn)生的電壓大小理論值為：
（150*10000）/（150+100000）=15V
下表為不同電容，靜電電壓為10KV條件下，在CL電容上產(chǎn)生的電壓理論計(jì)算值：
從上面的數(shù)據(jù)可以看出，電容越大，對靜電的抑制效果越好。
但是客戶所用的電容只有100nF，理論計(jì)算在電容上的電壓也只有15V，小于電容的額定電壓值（50V）,并不能解釋為什么會導(dǎo)致電容損壞。我們先把問題放一下，回到上面的第二個問題。
2、電容規(guī)格書上都會標(biāo)注額定電壓值，如果電壓超過了額定電壓，多大的電壓會導(dǎo)致電容損壞？
一般的，電容的耐壓設(shè)計(jì)有如下3個值，說明如下：
1)額定電壓(Voltage DC；VDC)
這個電壓值，所有的電容規(guī)格書都會給出。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，要求工作電壓不能超過此電壓。鉭電容和鋁電解電容設(shè)計(jì)時還需要降額使用；而MLCC陶瓷電容具有更高的耐壓特性，可以不降額使用。
2)耐電壓DWV（?D?esign ?W?ithstand ?V?oltage）
電容的耐電壓性能指其陶瓷介質(zhì)在工作狀態(tài)中能夠承受的最大電壓，也是MLCC的極限電壓。對于結(jié)構(gòu)、介質(zhì)、容量相同的MLCC，耐壓越高，體積越大。
這個電壓并不是所有廠家規(guī)格書都會給出，參考下表為國巨一款額定電壓為50V的電容，其DWV電壓為125V，大約為2.5倍的關(guān)系。
3)擊穿電壓VBR或Vbd （breakdown voltage）
擊穿電壓是指給電容施加直流電壓，直接導(dǎo)致電容擊穿，永久性失效。參考下圖為TDK公司的一份文檔提供的參考數(shù)據(jù)，額定電壓為25V的陶瓷電容，Vbd為300V。大約為10倍的關(guān)系。
如下圖，為KEMET的一篇技術(shù)文檔給出的參考數(shù)據(jù)，額定電壓為50V的陶瓷電容，Vbd最小值為540V。大約為10倍的關(guān)系。
基于以上參考數(shù)據(jù)，考慮到理論還需聯(lián)系實(shí)際，決定找一個電容驗(yàn)證一下。
50V額定電壓的電容肯定不適合了，實(shí)驗(yàn)室的直流電源提供不了500V以上的高壓。需要一顆額定電壓低的電容進(jìn)行驗(yàn)證。
選取了一顆1uF, 額定電壓4V，0402超薄封裝（T=0.35mm MAX）的電容，測試擊穿電壓。
通過上面數(shù)據(jù)可以看出，4V額定電壓的電容，70V電壓時燒毀，擊穿電壓比起額定電壓也在10倍以上，和上面引用的其它電容數(shù)據(jù)大差不差。
備注加提醒：這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)需要謹(jǐn)慎的操作，被測試電容和人之前需要有阻擋，電容燒毀的一瞬間會有爆炸反應(yīng)（測試時務(wù)必帶好護(hù)目鏡），本人不確定是否會有更嚴(yán)重的后果，比如起火。
測試電容的擊穿電壓看起來就很危險，其實(shí)一點(diǎn)都不安全。
再次提醒，沒有專業(yè)的測試環(huán)境不要輕易嘗試。
很遺憾，在一些電容廠家官網(wǎng)，并沒有查到相關(guān)資料。
其中一家公司針對普通陶瓷MLCC電容的ESD特性說明如下：
普通的MLCC電容，設(shè)計(jì)時并未考慮ESD指標(biāo)，因此，也就沒有耐受ESD電壓數(shù)據(jù)可提供。
沒有數(shù)據(jù)，那就安排測試。
預(yù)期的電容的抗靜電能力和如下因素相關(guān)：
1) 電容值越大，分壓越小，抗靜電能力越強(qiáng)。
2) 額定電壓越高，擊穿電壓越大，抗靜電能力越強(qiáng)。
本實(shí)驗(yàn)首先選取了一批100nF的電容，同時也選取一些電容值更高的做對比測試。由低到高做靜電測試，完成后記錄電容容值（電容失效后表現(xiàn)為電阻特性，則直接記錄電阻值）。
備注：下表標(biāo)紅的都是被測試電容出現(xiàn)了電阻特性，被標(biāo)記為電容失效。實(shí)際上，電容值的較大偏離，D值的偏離都可視為電容受到損傷。
從上面的數(shù)據(jù)可以看出，總體上，電容容值在2.2uF以上的，30KV測試都通過了。額定電壓100V的3款電容，也都通過了30KV的測試。（當(dāng)然，由于只測試了一顆電容，這個結(jié)論也是粗略的，全部13款通過30KV的電容型號，增加了測試數(shù)量到5顆，有2款電容也測試出了失效現(xiàn)象）。
6KV條件下，一顆100nF，0402封裝電容損壞。
10KV條件下，一顆100nF, 0603封裝和另一顆1uF，0603封裝的電容損壞。
上面數(shù)據(jù)已經(jīng)可以解釋客戶產(chǎn)品采用0402封裝，100nF，是存在接觸電壓10KV測試不過的可能。
為了進(jìn)一步證明是否電容越小，抗靜電能力越差，我們選擇了0402封裝，電容值為270pF的電容進(jìn)行測試，一共5家廠商，各廠家都同時有一款C0G和X7R的電容進(jìn)行對比。測試結(jié)果如下:
從上表可以看出，小容值電容確實(shí)抗靜電能力更差，2KV就有4款電容損壞，和理論計(jì)算給出的結(jié)論一致。
另外，除了第3和4項(xiàng)數(shù)據(jù)，其它4組同廠家的型號測試對比數(shù)據(jù)都顯示，C0G的電容比X7R具有更好的抗靜電能力。
如果出現(xiàn)這種情況，推斷理論和實(shí)際存在差異，說明如下：
1、仿真理想電容100nF上的電壓。
理想電容上的電壓為14.977V，和理論計(jì)算一致。
2、仿真真實(shí)電容100nF上的電壓，同時把RC放電模型調(diào)整為和實(shí)際靜電槍更接近的參數(shù)模型，仿真原理圖和仿真結(jié)果如下：
從第二種仿真可以看出以下信息：
1）放電波形和IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)波形更接近。
2）電容上的電壓在起始時有一個峰值電壓，為 146.645V，遠(yuǎn)大于電容的額定電壓，此電壓如果過大，存在導(dǎo)致電容失效的可能。
3）電容相對穩(wěn)定后的電壓為21.81V，也比理論的14.977V大一些。
關(guān)于第1點(diǎn)，放電波形的相關(guān)知識，可以參考往期文章有詳細(xì)說明。
為什么MCU規(guī)格書上給出的靜電指標(biāo)可以過4KV，在產(chǎn)品上測試卻2KV都不過？
回到第2點(diǎn)，為什么上電初期有尖峰電壓？
因?yàn)閷?shí)際的電容并不單是一個電容，還存在電阻和電感特性。
理想電容的模型如下：
簡化的電容RLC模型如下：
廠家提供的電容Spice模型如下：（包括11個電容，6個電感和14個電阻）
由于實(shí)際的電容非理想，如下圖，電容的阻抗特性并不是隨著頻率增加一直減小，而是出現(xiàn)一個極低值后阻抗又增大；阻抗最低點(diǎn)的頻率即為此電容的SRF(自諧振頻率)。
（紅色為理想電容阻抗特性，藍(lán)色為真實(shí)的電容阻抗特性）。
由于電容的非理想，且存在一定的電感特性，會導(dǎo)致ESD測試的初始階段出現(xiàn)尖峰電壓。
推斷和電容的直流偏壓特性有關(guān)，比如下圖。當(dāng)電容上加直流電壓后，電容值會變小。
假定仿真的這顆電容的容值由于疊加了15V電壓，電容值從100nF降低30%，為70nF，則10KV的靜電電壓，在電容CL上產(chǎn)生的電壓大小值為：
（150*10000）/（150+100000*0.7）=21.38V
計(jì)算電壓和仿真電壓較為接近。
如果想避免DC電壓對電容的影響，可以選擇C0G的電容，這種類型的電容的容值除了不怎么隨溫度變化之外，施加DC電壓對容值也基本無影響。
從上述分析可以看出，采用X7R電容，由于電容隨DC電壓增加而下降，會導(dǎo)致靜電分壓更大。而在一些實(shí)際應(yīng)用中，電容的應(yīng)用場景會更加嚴(yán)酷。
比如下圖，R1和R2電阻分壓，CL上由于有DC電壓，電容值也會比實(shí)際偏小，計(jì)算防靜電能力就需要考慮這個因素。
以上雖然討論了電容抗靜電電壓的一些基本規(guī)律，但并不能保證計(jì)算和仿真電容上的電壓低于額定電壓就一定沒問題。
4、是否有防靜電能力更強(qiáng)的電容，這些電容和普通的電容有什么區(qū)別？
一些電容廠家針對性的設(shè)計(jì)了耐受靜電能力更強(qiáng)的電容。
比如，京瓷推出的KAE系列，有0603，0805，1206封裝可選，最低可耐受18KV靜電。
國巨推出了4種封裝的抗靜電電容，最低可耐受2KV靜電。
如果有必要，可以考慮使用ESD專用電容。
總結(jié)：
1、普通的陶瓷電容在產(chǎn)品應(yīng)用中，存在打靜電導(dǎo)致?lián)p壞的風(fēng)險。
2、通常來說，電容越大、額定電壓越高、封裝越大，抗靜電能力更好。
3、如果對抗靜電要求較高，需要盡量避免使用0402封裝的電容。
4、同等條件下，大部分的C0G電容比X7R具有更好的抗靜電能力。
5、應(yīng)當(dāng)盡量避免單顆小容值電容放置于外部接口處，靜電損壞風(fēng)險較高。
6、如果未充分評估普通電容的抗靜電能力，一種保守的設(shè)計(jì)方法就是選取廠家提供的明確標(biāo)注了抗靜電能力的專用電容。
