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手機在整個生命周期內(nèi)都處在一個充滿靜電的環(huán)境之中,如果抗靜電釋放(ESD)設(shè)計不好,則可能導(dǎo)致手機在使用過程中發(fā)生鎖死、復(fù)位、數(shù)據(jù)丟失和不可靠等現(xiàn)象。本文將結(jié)合實際的設(shè)計闡述手機ESD控制的基本原則和保護(hù)設(shè)計方法,以及產(chǎn)品生產(chǎn)時的補救措施。
ESD破壞大多數(shù)明顯的影響是器件失效,從手指或其它導(dǎo)體上突然的靜電釋放能夠破壞靜電敏感器件或者微電路。處于靜電釋放危險中的電子器件可能完全不受影響,或產(chǎn)生了損傷但并不能立即被察覺,但是由于中間階層品質(zhì)降低,其預(yù)期壽命可能降低,這就是一個潛在的設(shè)備操作故障。ESD事件導(dǎo)致器件品質(zhì)降低,在持續(xù)使用時引起失效。ESD的破壞可以是累積性的,導(dǎo)致受損器件功能時好時壞,而且這類故障具有一定的隱蔽性。ESD另一個重要的影響是對于操作設(shè)備的干擾。由ESD事件傳遞和發(fā)射的能量能夠被操作系統(tǒng)誤認(rèn)為有效數(shù)據(jù),導(dǎo)致在數(shù)據(jù)傳輸過程中引起暫時錯誤,在更嚴(yán)重情況下,設(shè)備可能產(chǎn)生嚴(yán)重的故障,如電話斷線或完全被切斷,需要手動重新開啟。
ESD控制技術(shù)
防止ESD損壞的一個辦法是在器件、電路包裝和系統(tǒng)里設(shè)計抗ESD的專門保護(hù)結(jié)構(gòu),另一個方法是防止靜電電荷積累,從而避免ESD的發(fā)生。
1. ESD控制的基本原則:
a 認(rèn)識到所有的電子組件和裝配件都對于ESD破壞敏感；
b 在沒有適當(dāng)接地情況下避免觸摸敏感組件和裝配件；
c 除非在一個靜電安全環(huán)境中,應(yīng)該避免運輸、儲藏和搬運靜電敏感組件和裝配件。
2. 設(shè)計保護(hù)
保護(hù)微電子電路組件的主要有效手段是在器件制造時建立保護(hù)回路。設(shè)計保護(hù)回路要在三個要素之間綜合考慮─器件的主要功能、器件制造制約(例如屏蔽水平和材料特性)和器件的位置(ESD控制)。保護(hù)電路對于ESD瞬間的反應(yīng)必須比被保護(hù)的器件迅速。雖然典型的器件保護(hù)可以通過設(shè)計回路獲得,然而沒有器件制造商能夠完全消除ESD破壞問題,因此,還需要附加的保護(hù)措施。
電子技術(shù)的發(fā)展趨勢是電子設(shè)備速度將越來越高,在一些情況下速度和其它的功能標(biāo)準(zhǔn)可能制約保護(hù)措施的使用。使用這些受限制的保護(hù)措施,需要器件制造商和使用者之間盡早協(xié)調(diào),以便在電路封裝和系統(tǒng)上建立保護(hù),同時預(yù)先安排特別的處理技術(shù)。由于標(biāo)準(zhǔn)的控制程序不夠充分以及不允許一些自動安裝技術(shù),這樣的要求對于靜電敏感器件極為關(guān)鍵。電路封裝保護(hù)技術(shù)包括采用適當(dāng)?shù)恼诒伪Ｗo(hù)膜、特殊連接設(shè)計、保護(hù)環(huán)和組件放置。完整的系統(tǒng)使設(shè)計也必須考慮ESD引起的臨時性干擾,解決措施可以采用屏蔽,并且電路板的設(shè)計布置需要考慮到典型的噪聲抑制技術(shù)。
3. PCB抗靜電設(shè)計原則(參見圖1~7):
a 減少回路面積(面積越大,所包含的場流量越大,其感應(yīng)電流越大)。
b 走線越短越好。
c PCB接地面積越大越好。
d 電源與地之間接電容。
e 器件與靜電源隔離。
f PCB的接地線需要低阻抗且要有良好的隔離。
g 所有的組件越近越好。
h 同一特性器件越近越好。
i 電源與地越接近越好。
j 電源、地布局在板中間比在四周好。
k 存在多組電源和地時,以格子方式連接。
l 信號線越靠近地線越好。
m 太長的信號線或電源線必須與地線交錯布置。
n 在電源和地之間放置高頻旁路電容。
4. PCB上外露金屬的設(shè)計(見圖8):
a 外露金屬容易被ESD擊中,因此金屬本體及延伸至PC板內(nèi)部線路周圍必須隔離2mm以上間隙。
b 加上尖端放電,吸收靜電(GND銅箔越寬越好,并直接回主地)。
c 多層板的內(nèi)層同樣需要隔離。
d 整面的防護(hù):加上金屬接地面。
5. PCB板邊緣和螺絲孔的設(shè)計(見圖9):
a A處為機構(gòu)設(shè)計加長靜電路徑,防止靜電進(jìn)入。
b B處在板邊緣設(shè)計一條銅箔,直接連回主地,不可連接其它回路,并適度露銅或取消阻焊,以吸收靜電。
c C處螺孔設(shè)計原理同B。
d D機構(gòu)加上防護(hù)片,防止靜電進(jìn)入。
6. 減少場耦合的方法
a 在源端使用濾波器衰減信號
b 在接收端使用濾波器衰減信號
c 增加距離以減少耦合
d 降低源端和接收端的天線效應(yīng)
e 90度極性差異
f 在傳輸與接收端之間使用隔離方式
g 增加傳輸與接收天線的阻抗以降低磁場耦合
h 使用均勻、低阻抗參考板使信號一直保持在共模狀態(tài)
7. 外殼設(shè)計準(zhǔn)則
a 外殼的金屬部份需接機殼地
b 至少需要與電子器件或電路走線距離以上
c 若無法接機殼地時須距離2cm以上
d 盡量使同屬性電子器件在一起
e 要有足夠空間,以避免阻礙PCB設(shè)計
f 所有相連接之金屬材料其EMF差要小于
g 所有設(shè)計須有另加隔離片的空間
h 所有孔洞或縫隙不能大于2cm
i 使用多個小孔取代一個大孔
j 不可在接機殼地或靜電敏感組件附近挖孔
k 使用金屬帶(foil tape)時,必須與機殼實現(xiàn)電接觸
h 連接帶需短而寬
ESD糾錯方法及補救措施
由于ESD控制的復(fù)雜性,即使經(jīng)驗非常豐富的工程師也難做到萬無一失,對進(jìn)入生產(chǎn)環(huán)節(jié)才發(fā)現(xiàn)ESD問題的產(chǎn)品能夠準(zhǔn)確及時補救十分重要。
1、 糾錯的原則及步驟
樣機ESD通不過是個讓工程師頭疼的問題,可以根據(jù)下面的步驟來發(fā)現(xiàn)并分析產(chǎn)生的問題及原因。
a. 仔細(xì)觀察實驗現(xiàn)象。注意電弧的放電強度及放電方向,讓ESD放電槍(GUN)從不同方向靠近放電點,觀察現(xiàn)象有何不同,分析靜電是如何進(jìn)入機身。
b. 逐漸增加或減少放電電壓,觀察手機是在哪個電壓區(qū)間發(fā)生失效。例如,在做空氣放電測試時,如果8KV不能通過,向下打6KV、4KV；如果8KV通過,則向上打10KV、12KV、15KV觀察實驗現(xiàn)象。
c. 畫圖及列表,詳細(xì)記錄實驗現(xiàn)象。畫出手機正面,反面及側(cè)面示意圖,準(zhǔn)確標(biāo)注放電點,必要處以彩色筆標(biāo)出電弧方向。列表詳細(xì)記錄每一放電點的實驗現(xiàn)象。如某點在某一正負(fù)電壓值放電次數(shù)、失效次數(shù)及每次失效現(xiàn)象,是關(guān)機、復(fù)位還是LCD顯示不正常,都詳細(xì)記錄以便參考。
d. 一臺樣機的現(xiàn)象總是帶有隨機性,需要對幾臺樣機進(jìn)行同樣的測試,找出失效的共性現(xiàn)象,以便準(zhǔn)確判斷失效原因。
e. 根據(jù)實驗現(xiàn)象進(jìn)行分析,判斷失效原因。由于ESD 的失效原因是多種多樣的,所以由一個現(xiàn)象可能分析出幾種不同的原因,其中的某一個或幾個引起手機ESD失效。這需要工程師進(jìn)行更深一步的分析,針對每一種可能進(jìn)行具體實驗,最終找出失效的真正原因。
2、 補救措施
如果不是萬不得已,盡量找到較好的補救措施,使產(chǎn)品不至于從新設(shè)計。分析失效原因之后,必須認(rèn)真尋找最恰當(dāng)?shù)难a救措施。
a. 必須做大量的試驗來尋找解決方案,這是一個反復(fù)而枯燥的過程,針對不同的原因采用不同的方法,如露銅吸收靜電、加導(dǎo)電材料釋放靜電、添加防護(hù)墊及防靜電器件等方法,將靜電合理阻擋、疏通或吸收。
b. 找到解決方案后,必須對此方案進(jìn)行進(jìn)一步的分析,盡量做到經(jīng)濟并適于量產(chǎn),避免采用昂貴的元器件及在制造過程中采用手工操作。
本文作者:
徐濤
何穎
ESD工程師
上海DBTEL實業(yè)有限公司
