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

1. 可能產生電弧的實例有人體、帶電器件和機器。

2. 可能產生尖峰電弧的實例有手或金屬物體。

3. 可能產生同極性或者極性變化的多個電弧的實例有家具。

1. 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。

2. 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)。

3. 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)。

4. 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。

5. 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。
1. 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；
1. 聚酯薄膜/銅或者聚酯薄膜/鋁壓板；
2. 具有焊接結點的熱成型金屬網。
3. 熱成型金屬化的纖維墊子(非編織)或者織物(編織)；
4. 銀、銅或者鎳涂層；
5. 鋅電弧噴涂；
6. 真空金屬處理；
7. 無電電鍍；
8. 塑料中加入導體填充材料；
9. 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。
1. 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。

2. 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。

3. 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。
1. 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。

2. 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。
1. 盡量地將每一個信號層都緊靠一個電源層或地線層。

2. 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。
1. 在垂直和水平線或填充區之間,要盡可能多地連接。
2. 一面的柵格尺寸小于等于60mm。
3. 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。
1. 確保所有層的環形地寬度大于 (0.1英寸)。

2. 每隔13mm(0.5英寸)用過孔將環形地連接起來。

3. 將環形地與多層電路的公共地連接到一起。

4. 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。

5. 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。

6. 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