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在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中必須遵循抗arcH/ART/%BE%B2%B5%" target="_blank">靜電釋放的設(shè)計(jì)規(guī)則,本文介紹靜電釋放(ESD)產(chǎn)生的原理,以及機(jī)箱、屏蔽層、接地、布線設(shè)計(jì)等諸多設(shè)計(jì)規(guī)則,它們有助于預(yù)防并解決靜電釋放產(chǎn)生的危害,值得中國電子設(shè)備設(shè)計(jì)工程師認(rèn)真研究和學(xué)習(xí)。
ESD產(chǎn)生的機(jī)理
- 可能產(chǎn)生電弧的實(shí)例有人體、帶電器件和機(jī)器。
- 可能產(chǎn)生尖峰電弧的實(shí)例有手或金屬物體。
- 可能產(chǎn)生同極性或者極性變化的多個(gè)電弧的實(shí)例有家具。
- 初始的電場(chǎng)能容性耦合到表面積較大的網(wǎng)絡(luò)上,并在離ESD電弧100mm處產(chǎn)生高達(dá)4000V/m的高壓。
- 電弧注入的電荷/電流可以產(chǎn)生以下的損壞和故障:
a. 穿透元器件內(nèi)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(fā)器鎖死(常見)。c. 短路反偏的PN結(jié)(常見)。d. 短路正向偏置的PN結(jié)(少見)。e. 熔化有源器件內(nèi)部的焊接線或鋁線(少見)。
- 電流會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體上產(chǎn)生電壓脈沖(V=L×dI/dt),這些導(dǎo)體可能是電源、地或信號(hào)線,這些電壓脈沖將進(jìn)入與這些網(wǎng)絡(luò)相連的每一個(gè)元器件(常見)。
- 電弧會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻率范圍在1MHz到500MHz的強(qiáng)磁場(chǎng),并感性耦合到臨近的每一個(gè)布線環(huán)路,在離ESD電弧100mm遠(yuǎn)的地方產(chǎn)生高達(dá)15A/m的電流。
- 電弧輻射的電磁場(chǎng)會(huì)耦合到長(zhǎng)的信號(hào)線上,這些信號(hào)線起到接收天線的作用(少見)。
防患于未然
包括接縫、通風(fēng)口和安裝孔在內(nèi)任何用戶能夠接觸到的點(diǎn)。在電壓一定的情況下,電弧通過介質(zhì)的表面比通過空氣傳播得更遠(yuǎn)。- 任何用戶可以接觸到的未接地金屬,如緊固件、開關(guān)、操縱桿和指示器。
操縱桿,或?qū)⑺芰鲜直?套子放在上面來增加路徑長(zhǎng)度。避免使用帶金屬固定螺絲的手柄。
機(jī)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(jié)點(diǎn)的熱成型金屬網(wǎng)。
- 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(dǎo)體填充材料；
- 對(duì)結(jié)合點(diǎn)和邊緣的處理很關(guān)鍵。
操縱桿、指示器之間設(shè)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(jī)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(dāng)附加的接地點(diǎn),或者用塑料支架來實(shí)現(xiàn)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(jī)箱和連接器金屬體之間安放一個(gè)緊固薄片,既便宜又容易實(shí)現(xiàn)。
- 在底盤中,要使用導(dǎo)電涂層或者導(dǎo)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(jī)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(guān)/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(dǎo)電涂層或?qū)щ娞畛湮铩?/li>
接地和邦定
保護(hù)電源
抗ESD的布局布線設(shè)計(jì)
相對(duì)于雙面PCB而言,地平面和電源平面以及排列緊密的信號(hào)線-地線間距能夠減小共模阻抗(common impedance)和感性耦合,使之達(dá)到雙面PCB的1/10到1/100。- 盡量地將每一個(gè)信號(hào)層都緊靠一個(gè)電源層或地線層。
- 對(duì)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(nèi)層線。大多數(shù)的信號(hào)線以及電源和地平面都在內(nèi)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(qū)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(yīng)小于13mm(0.5英寸)。
除邊緣連接器以及機(jī)箱地以外,在整個(gè)外圍四周放上環(huán)形地通路。- 確保所有層的環(huán)形地寬度大于 (0.1英寸)。
- 每隔13mm(0.5英寸)用過孔將環(huán)形地連接起來。
- 將環(huán)形地與多層電路的公共地連接到一起。
- 對(duì)安裝在金屬機(jī)箱或者屏蔽裝置里的雙面板來說,應(yīng)該將環(huán)形地與電路公共地連接起來。
- 不屏蔽的雙面電路則應(yīng)該將環(huán)形地連接到機(jī)箱地,環(huán)形地上不能涂阻焊劑,以便該環(huán)形地可以充當(dāng)ESD的放電棒,在環(huán)形地(所有層)上的某個(gè)位置處至少放置一個(gè)寬(英寸)的間隙,這樣可以避免形成一個(gè)大的環(huán)路。
- 信號(hào)布線離環(huán)形地的距離不能小于。
作者:John R. Barnes
顧問工程師
Lexmark國際公司
