最近遇到一家客户的产品在做静电测试时出现了电容损坏的现象，测试标准为IEC61000-4-2，接触式，8KV(实际测试时考虑设计余量，电压为10KV)。所用的电容为普通的0.1uF的MLCC陶瓷电容，0402封装，50V额定电压。
在本文讨论之前，看看大家是如何理解如下几个问题。
1、电容为什么能够防静电？
2、电容规格书上都会标注额定电压值，如果电压超过了额定电压，多大的电压会导致电容损坏？
3、普通的陶瓷电容，器件自身能抗多大的静电冲击？
4、是否有防静电能力更强的电容，这些电容和普通的电容有什么区别？
下面分别说明：
1、电容为什么能够防静电？
如下图，我们对芯片的管脚施加静电，通常来说，如果芯片的HBM模型给出的是耐受4KV静电的指标，那么用静电枪测试的话，实际可耐受的电压很可能不会超过2KV。
如果测试等级4，则施加的电压为：8KV；那IO肯定会损坏。
如果我们在IO上并一个电容后，情况会怎样？
根据上图，简化的电气模型如下：
芯片IO的阻抗特性未知，为简化分析，先按高阻分析，则可以断开芯片端连接，如下图：
基本工作原理为，充电开关闭合，高电压通过Rc给Cd充电到预设电压；然后充电开关断开，放电开关闭合，高压电压Vd从Cd端通过Rd对CL放电。
Rd只影响VCL最终达到稳定电压的时间，并不影响最终的VCL稳定电压值。
CL上的电压VCL可以通过下面公式计算：
比如：一个0.1uF的电容，10KV的静电电压，在电容CL上产生的电压大小理论值为：
（150*10000）/（150+100000）=15V
下表为不同电容，静电电压为10KV条件下，在CL电容上产生的电压理论计算值：
从上面的数据可以看出，电容越大，对静电的抑制效果越好。
但是客户所用的电容只有100nF，理论计算在电容上的电压也只有15V，小于电容的额定电压值（50V）,并不能解释为什么会导致电容损坏。我们先把问题放一下，回到上面的第二个问题。
一般的，电容的耐压设计有如下3个值，说明如下：
1)额定电压(Voltage DC；VDC)
这个电压值，所有的电容规格书都会给出。在产品设计中，要求工作电压不能超过此电压。钽电容和铝电解电容设计时还需要降额使用；而MLCC陶瓷电容具有更高的耐压特性，可以不降额使用。
2)耐电压DWV（Design Withstand Voltage）
电容的耐电压性能指其陶瓷介质在工作状态中能够承受的最大电压，也是MLCC的极限电压。对于结构、介质、容量相同的MLCC，耐压越高，体积越大。
这个电压并不是所有厂家规格书都会给出，参考下表为国巨一款额定电压为50V的电容，其DWV电压为125V，大约为2.5倍的关系。
3)击穿电压VBR或Vbd （breakdown voltage）
击穿电压是指给电容施加直流电压，直接导致电容击穿，永久性失效。参考下图为TDK公司的一份文档提供的参考数据，额定电压为25V的陶瓷电容，Vbd为300V。大约为10倍的关系。
如下图，为KEMET的一篇技术文档给出的参考数据，额定电压为50V的陶瓷电容，Vbd最小值为540V。大约为10倍的关系。
基于以上参考数据，考虑到理论还需联系实际，决定找一个电容验证一下。
50V额定电压的电容肯定不适合了，实验室的直流电源提供不了500V以上的高压。需要一颗额定电压低的电容进行验证。
选取了一颗1uF, 额定电压4V，0402超薄封装（T=0.35mm MAX）的电容，测试击穿电压。
通过上面数据可以看出，4V额定电压的电容，70V电压时烧毁，击穿电压比起额定电压也在10倍以上，和上面引用的其它电容数据大差不差。
备注加提醒：这项实验需要谨慎的操作，被测试电容和人之前需要有阻挡，电容烧毁的一瞬间会有爆炸反应（测试时务必带好护目镜），本人不确定是否会有更严重的后果，比如起火。
测试电容的击穿电压看起来就很危险，其实一点都不安全。
再次提醒，没有专业的测试环境不要轻易尝试。
3、普通的陶瓷电容，器件自身能抗多大的静电冲击？
很遗憾，在一些电容厂家官网，并没有查到相关资料。
其中一家公司针对普通陶瓷MLCC电容的ESD特性说明如下：
普通的MLCC电容，设计时并未考虑ESD指标，因此，也就没有耐受ESD电压数据可提供。
没有数据，那就安排测试。
预期的电容的抗静电能力和如下因素相关：
1、电容值越大，分压越小，抗静电能力越强。
2、额定电压越高，击穿电压越大，抗静电能力越强。
本实验首先选取了一批100nF的电容，同时也选取一些电容值更高的做对比测试。由低到高做静电测试，完成后记录电容容值（电容失效后表现为电阻特性，则直接记录电阻值）。
备注：下表标红的都是被测试电容出现了电阻特性，被标记为电容失效。实际上，电容值的较大偏离，D值的偏离都可视为电容受到损伤。
从上面的数据可以看出，总体上，电容容值在2.2uF以上的，30KV测试都通过了。额定电压100V的3款电容，也都通过了30KV的测试。（当然，由于只测试了一颗电容，这个结论也是粗略的，全部13款通过30KV的电容型号，增加了测试数量到5颗，有2款电容也测试出了失效现象）。
10KV（含）以下的电压有3款电容损坏：
6KV条件下，一颗100nF，0402封装电容损坏。
10KV条件下，一颗100nF, 0603封装和另一颗1uF，0603封装的电容损坏。
上面数据已经可以解释客户产品采用0402封装，100nF，是存在接触电压10KV测试不过的可能。
为了进一步证明是否电容越小，抗静电能力越差，我们选择了0402封装，电容值为270pF的电容进行测试，一共5家厂商，各厂家都同时有一款C0G和X7R的电容进行对比。测试结果如下:
从上表可以看出，小容值电容确实抗静电能力更差，和理论计算给出的结论一致。另外，除了第3和4项数据，其它4组同厂家的型号测试对比数据都显示，C0G的电容比X7R具有更好的抗静电能力。
虽然上面的测试感觉和理论推理比较符合，但是，上面表格的50V额定电压的100nF电容和1uF电容都出现了损坏的情况，而按照理论计算值，10KV静电测试时，电容上的电压只有15V和1.5V，远低于50V的额定电压。为什么还会导致损坏呢。
如果出现这种情况，推断理论和实际存在差异，说明如下：
1、仿真理想电容100nF上的电压。
理想电容上的电压为14.977V，和理论计算一致。
2、仿真真实电容100nF上的电压，同时把RC放电模型调整为和实际静电枪更接近的参数模型，仿真原理图和仿真结果如下：
从第二种仿真可以看出以下信息：
1）放电波形和IEC61000-4-2标准波形更接近。
2）电容上的电压在起始时有一个峰值电压，为 146.645V，远大于电容的额定电压，此电压如果过大，存在导致电容失效的可能。
3）电容相对稳定后的电压为21.81V，也比理论的14.977V大一些。
关于第1点，放电波形的相关知识，可以参考往期文章有详细说明。
为什么MCU规格书上给出的静电指标可以过4KV，在产品上测试却2KV都不过？
回到第2点，为什么上电初期有尖峰电压？
因为实际的电容并不单是一个电容，还存在电阻和电感特性。
理想电容的模型如下：
简化的电容RLC模型如下：
厂家提供的电容Spice模型如下：（包括11个电容，6个电感和14个电阻）
由于实际的电容非理想，如下图，电容的阻抗特性并不是随着频率增加一直减小，而是出现一个极低值后阻抗又增大；阻抗最低点的频率即为此电容的SRF(自谐振频率)。
（红色为理想电容阻抗特性，蓝色为真实的电容阻抗特性）。
由于电容的非理想，且存在一定的电感特性，会导致ESD测试的初始阶段出现尖峰电压。
推断和电容的直流偏压特性有关，比如下图。当电容上加直流电压后，电容值会变小。
假定仿真的这颗电容的容值由于叠加了15V电压，电容值从100nF降低30%，为70nF，则10KV的静电电压，在电容CL上产生的电压大小值为：
（150*10000）/（150+100000*0.7）=21.38V
计算电压和仿真电压较为接近。
如果想避免DC电压对电容的影响，可以选择C0G的电容，这种类型的电容的容值除了不怎么随温度变化之外，施加DC电压对容值也基本无影响。
从上述分析可以看出，采用X7R电容，由于电容随DC电压增加而下降，会导致静电分压更大。而在一些实际应用中，电容的应用场景会更加严酷。
比如下图，R1和R2电阻分压，CL上由于有DC电压，电容值也会比实际偏小，计算防静电能力就需要考虑这个因素。
以上虽然讨论了电容抗静电电压的一些基本规律，但并不能保证计算和仿真电容上的电压低于额定电压就一定没问题。
4、是否有防静电能力更强的电容，这些电容和普通的电容有什么区别？
一些电容厂家针对性的设计了耐受静电能力更强的电容。
比如，京瓷推出的KAE系列，有0603，0805，1206封装可选，最低可耐受18KV静电。
国巨推出了4种封装的抗静电电容，最低可耐受2KV静电。
如果有必要，可以考虑使用ESD专用电容。
总结：
1、普通的陶瓷电容在产品应用中，存在打静电导致损坏的风险。
2、通常来说，电容越大、额定电压越高、封装越大，抗静电能力更好。
3、如果对抗静电要求较高，需要尽量避免使用0402封装的电容。
4、同等条件下，大部分的C0G电容比X7R具有更好的抗静电能力。
5、应当尽量避免单颗小容值电容放置于外部接口处，静电损坏风险较高。
6、如果未充分评估普通电容的抗静电能力，一种保守的设计方法就是选取厂家提供的明确标注了抗静电能力的专用电容。
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