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在電子產品設計中必須遵循抗arcH/ART/%BE%B2%B5%" target="_blank">靜電釋放的設計規則,本文介紹靜電釋放(ESD)產生的原理,以及機箱、屏蔽層、接地、布線設計等諸多設計規則,它們有助于預防并解決靜電釋放產生的危害,值得中國電子設備設計工程師認真研究和學習。
ESD產生的機理
- 可能產生電弧的實例有人體、帶電器件和機器。
- 可能產生尖峰電弧的實例有手或金屬物體。
- 可能產生同極性或者極性變化的多個電弧的實例有家具。
- 初始的電場能容性耦合到表面積較大的網絡上,并在離ESD電弧100mm處產生高達4000V/m的高壓。
- 電弧注入的電荷/電流可以產生以下的損壞和故障:
a. 穿透元器件內部薄的絕緣層,損毀MOSFET和CMOS元器件的柵極(常見)。b. CMOS器件中的觸發器鎖死(常見)。c. 短路反偏的PN結(常見)。d. 短路正向偏置的PN結(少見)。e. 熔化有源器件內部的焊接線或鋁線(少見)。
- 電流會導致導體上產生電壓脈沖(V=L×dI/dt),這些導體可能是電源、地或信號線,這些電壓脈沖將進入與這些網絡相連的每一個元器件(常見)。
- 電弧會產生一個頻率范圍在1MHz到500MHz的強磁場,并感性耦合到臨近的每一個布線環路,在離ESD電弧100mm遠的地方產生高達15A/m的電流。
- 電弧輻射的電磁場會耦合到長的信號線上,這些信號線起到接收天線的作用(少見)。
防患于未然
包括接縫、通風口和安裝孔在內任何用戶能夠接觸到的點。在電壓一定的情況下,電弧通過介質的表面比通過空氣傳播得更遠。- 任何用戶可以接觸到的未接地金屬,如緊固件、開關、操縱桿和指示器。
操縱桿,或將塑料手柄/套子放在上面來增加路徑長度。避免使用帶金屬固定螺絲的手柄。
機箱和屏蔽
金屬板；- 聚酯薄膜/銅或者聚酯薄膜/鋁壓板；
- 具有焊接結點的熱成型金屬網。
- 熱成型金屬化的纖維墊子(非編織)或者織物(編織)；
- 銀、銅或者鎳涂層；
- 鋅電弧噴涂；
- 真空金屬處理；
- 無電電鍍；
- 塑料中加入導體填充材料；
- 對結合點和邊緣的處理很關鍵。
操縱桿、指示器之間設置第二層屏蔽。
在電源連接器和連接器引向外部的地方,要連接到機箱地或者電路的公共地。- 在安裝孔的位置使用帶金屬支架的金屬片來充當附加的接地點,或者用塑料支架來實現絕緣和隔離。
- 電路板/背板下面,要放置聚酯薄膜/銅或者聚酯薄膜/鋁壓板,并在機箱和連接器金屬體之間安放一個緊固薄片,既便宜又容易實現。
- 在底盤中,要使用導電涂層或者導電的填充物(見B1)。
電源連接器和引向外部的連接器的位置,要連接到機箱地或者電路公共地。- 使用金屬片以便小的高頻電容可以焊接在屏蔽裝置與開關/操縱桿/指示器的連接處之間。
- 在塑料中使用聚酯薄膜/銅或者聚酯薄膜/鋁壓板,或者使用導電涂層或導電填充物。
接地和邦定
保護電源
抗ESD的布局布線設計
相對于雙面PCB而言,地平面和電源平面以及排列緊密的信號線-地線間距能夠減小共模阻抗(common impedance)和感性耦合,使之達到雙面PCB的1/10到1/100。- 盡量地將每一個信號層都緊靠一個電源層或地線層。
- 對于頂層和底層表面都有元器件、具有很短連接線以及許多填充地的高密度PCB,可以考慮使用內層線。大多數的信號線以及電源和地平面都在內層上,因而類似于具備屏蔽功能的法拉第盒。
電源線緊靠地線。- 在垂直和水平線或填充區之間,要盡可能多地連接。
- 一面的柵格尺寸小于等于60mm。
- 如果可能,柵格尺寸應小于13mm(0.5英寸)。
除邊緣連接器以及機箱地以外,在整個外圍四周放上環形地通路。- 確保所有層的環形地寬度大于 (0.1英寸)。
- 每隔13mm(0.5英寸)用過孔將環形地連接起來。
- 將環形地與多層電路的公共地連接到一起。
- 對安裝在金屬機箱或者屏蔽裝置里的雙面板來說,應該將環形地與電路公共地連接起來。
- 不屏蔽的雙面電路則應該將環形地連接到機箱地,環形地上不能涂阻焊劑,以便該環形地可以充當ESD的放電棒,在環形地(所有層)上的某個位置處至少放置一個寬(英寸)的間隙,這樣可以避免形成一個大的環路。
- 信號布線離環形地的距離不能小于。
作者:John R. Barnes
顧問工程師
Lexmark國際公司
