村田代理帶您了解電路板布局、布線的的抗ESD設(shè)計(jì)規(guī)則
一、概述：
靜電釋放(ESD)是我們每一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師需要考慮的一個(gè)相當(dāng)重要的問(wèn)題。大多數(shù)電子設(shè)備都 處于一個(gè)充滿ESD的環(huán)境之中，ESD可能來(lái)自人體、家具甚至設(shè)備本身(內(nèi)部)。電子設(shè)備完全遭受ESD損毀比較少見，然而ESD干擾卻很常見，它會(huì)導(dǎo)致設(shè)備鎖死、復(fù)位、數(shù)據(jù)丟失和不可靠。其結(jié)果可能是：在寒冷干燥的冬季里，電子設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障現(xiàn)象，但是維修時(shí)又顯示正常。
村田的代理穎特新科技帶您了解如何防止ESD，首先必須知道ESD是什么及ESD進(jìn)入電子設(shè)備的過(guò)程。一個(gè)充電的導(dǎo)體接近另一個(gè)導(dǎo)體時(shí)，就可能發(fā)生ESD。首先，在2個(gè)導(dǎo)體之間會(huì)建立一個(gè)很強(qiáng)的電場(chǎng)，產(chǎn)生由電場(chǎng)引起的擊穿。當(dāng)2個(gè)導(dǎo)體之間的電壓超過(guò)它們之間空氣和絕緣介質(zhì)的擊穿電壓時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電弧。在0.7ns～10ns的時(shí)間里，電弧電流會(huì)達(dá)到幾十A，有時(shí)甚至?xí)^(guò)100A。電弧將一直維持，直到2個(gè)導(dǎo)體接觸短路或者電流低到不能維持電弧為止。
1.1 ESD的產(chǎn)生取決于物體的起始電壓、電阻、電感和寄生電容：
- 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)生同極性或極性變化的多個(gè)電弧的實(shí)例有家具等。
1.2 ESD可以通過(guò)5種耦合途徑進(jìn)入電子設(shè)備：
1) 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。
2) 電弧注入的電荷/電流可以產(chǎn)生以下的損壞和故障：
- 穿透元器件內(nèi)部的薄絕緣層，損毀MOSFET和CMOS元器件的柵極(常見)。
- CMOS器件中的觸發(fā)器鎖死(常見)。
- 短路反偏的PN結(jié)(常見)。
- 短路正向偏置的PN結(jié)(少見)。
- 熔化有源器件內(nèi)部的焊接線或鋁線(少見)。
3) 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)。
4) 電弧會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻率范圍在1MHz～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。
5) 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)。
ESD會(huì)通過(guò)各種各樣的耦合途徑找到設(shè)備的薄弱點(diǎn)。ESD頻率范圍寬，不僅僅是一些離散的頻點(diǎn)，它甚至可以進(jìn)入窄帶電路中。為了防止ESD干擾和損毀，必須隔離這些路徑或者加強(qiáng)設(shè)備的抗ESD能力。
二、抗ESD的布局布線設(shè)計(jì)
通過(guò)PCB印刷電路板的分層設(shè)計(jì)、恰當(dāng)?shù)牟季植季可以實(shí)現(xiàn)PCB的抗ESD設(shè)計(jì)。要達(dá)到期望的抗ESD能力，通常要通過(guò)測(cè)試、解決問(wèn)題、重新測(cè)試這樣的周期，每一個(gè)周期都可能至少影響到一塊PCB的設(shè)計(jì)。在PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)預(yù)測(cè)可以將絕大多數(shù)設(shè)計(jì)修改僅限于增減元器件。調(diào)整PCB布局布線，使之具有最強(qiáng)的ESD范圍性能。
2.1 盡可能使用多層PCB：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和感性耦合，使之達(dá)到雙面PCB的1/10～1/100。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。
2.2 對(duì)于雙面PCB來(lái)說(shuō)，要采用緊密交織的電源和地柵格。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。面的柵格尺寸60mm。如果可能，柵格尺寸應(yīng)＜13mm。
2.3 確保每一個(gè)電路盡可能緊湊，盡可能將所有連接器都放在一邊。I/O電路要盡可能靠近對(duì)應(yīng)的連接器。在引向機(jī)箱外的連接器(容易直接被ESD擊中)下方的所有PCB層上，要放置寬的機(jī)箱地或者多邊形填充地，并每隔大約13mm的距離用過(guò)孔將它們連接在一起。在連接器處或者離接收電路25mm的范圍內(nèi)，要放置濾波電容。
- 用短而粗的線連接到機(jī)箱地或者接收電路地(長(zhǎng)度小于5倍寬度，最好小于3倍寬度)
- 信號(hào)線和地線先連接到電容再連接到接收電路。
2.4 如果可能，將電源線從卡的中央引入，并遠(yuǎn)離容易直接遭受ESD影響的區(qū)域。
2.5 在卡的邊緣上放置安裝孔，安裝孔周圍用無(wú)阻焊劑的頂層和底層焊盤連接到機(jī)箱地上。在卡的頂層和底層靠近安裝孔的位置，每隔100mm沿機(jī)箱地線將機(jī)箱地和電路地用1.27mm寬的線連接在一起。與這些連接點(diǎn)的相鄰處，在機(jī)箱地和電路地之間放置用于安裝的焊盤或安裝孔。這些地線連接可以用刀片劃開，以保持開路；或用磁珠/高頻電容的跳接，以改變ESD測(cè)試時(shí)的接地機(jī)制。
2.6 PCB裝配時(shí)，不要在頂層或者底層的焊盤上涂覆任何焊料。使用具有內(nèi)嵌墊圈的螺釘來(lái)實(shí)現(xiàn)PCB與金屬機(jī)箱/屏蔽層或接地面上支架的緊密接觸。PCB要插入機(jī)箱內(nèi)，不要安裝在開口位置或者內(nèi)部接縫處。如果一個(gè)機(jī)箱或者主板要內(nèi)裝幾個(gè)電路卡，應(yīng)該將對(duì)靜電最敏感的電路卡放在最中間。
2.7 在每一層的機(jī)箱地和電路地之間，要設(shè)置相同的"隔離區(qū)"；如果可能，保持間隔距離為0.64mm。如果電路板不會(huì)放入金屬機(jī)箱或者屏蔽裝置中，在電路板的頂層和底層機(jī)箱地線上不能涂阻焊劑，這樣它們可以作為ESD電弧的放電棒。
2.8 要以下列方式在電路周圍設(shè)置一個(gè)環(huán)形地：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2.5mm。每隔13mm用過(guò)孔將環(huán)形地連接起來(lái)。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(lái)說(shuō)，應(yīng)該將環(huán)形地與電路公共地連接起來(lái)。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)0.5mm寬的間隙，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0.5mm。
2.9 在能被ESD直接擊中的區(qū)域，每一個(gè)信號(hào)線附近都要布一條地線。對(duì)易受ESD影響的電路，應(yīng)該放在靠近電路中心的區(qū)域，這樣其它的電路可以為它們提供一定的屏蔽作用。
2.10 通常在接收端放置串聯(lián)的電阻和磁珠，而對(duì)那些易被ESD擊中的電纜驅(qū)動(dòng)器，也可以考慮在驅(qū)動(dòng)端放置串聯(lián)的電阻或磁珠。通常在接收端放置瞬態(tài)保護(hù)器。
- 用短而粗的線(長(zhǎng)度小于5倍寬度，最好小于3倍寬度)連接到機(jī)箱地。
- 從連接器出來(lái)的信號(hào)線和地線要直接接到瞬態(tài)保護(hù)器，然后才能接電路的其它部分。要注意磁珠下、焊盤之間、可能接觸到磁珠的信號(hào)線的布線。有些磁珠導(dǎo)電性能相當(dāng)好，可能會(huì)產(chǎn)生意外的導(dǎo)電路徑。
2.11 要確保信號(hào)線盡可能短。信號(hào)線的長(zhǎng)度大于300mm時(shí)，一定要平行布一條地線。確保信號(hào)線和相應(yīng)回路之間的環(huán)路面積盡可能小。對(duì)于長(zhǎng)信號(hào)線每隔幾厘米調(diào)換信號(hào)線和地線的位置來(lái)減小環(huán)路面積。不能將受保護(hù)的信號(hào)線和不受保護(hù)的信號(hào)線
并行排列。
2.12 確保電源和地之間的環(huán)路面積盡可能小，在靠近集成電路芯片每一個(gè)電源管腳的地方放置一個(gè)高頻電容。在距離每一個(gè)連接器80mm范圍以內(nèi)放置一個(gè)高頻旁路電容。電源或地平面上開口長(zhǎng)度超過(guò)8mm時(shí)，要用窄的線將開口的兩側(cè)連接起來(lái)。
2.13 在可能的情況下，要用地填充未使用的區(qū)域，每隔60mm距離將所有層的填充地連接起來(lái)。確保在任意大的地填充區(qū)(大約25×6mm)的2個(gè)相反端點(diǎn)位置處要與地連接。
2.14 要特別注意復(fù)位、中斷和控制信號(hào)線的布線。復(fù)位線、中斷信號(hào)線或者邊沿觸發(fā)信號(hào)線不能布置在靠近PCB邊沿的地方。要采用高頻濾波，遠(yuǎn)離輸入和輸出電路和遠(yuǎn)離電路板邊緣。
2.15 將安裝孔同電路公地連接在一起，或者將它們隔離開來(lái)。
- 金屬支架必須和金屬屏蔽裝置或者機(jī)箱一起使用時(shí)，要采用一個(gè)0Ω電阻實(shí)現(xiàn)連接.
- 確定安裝孔大小來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬或者塑料支架的可靠安裝，在安裝孔頂層和底層上要采用大焊盤，底層焊盤上不能采用阻焊劑，并確保低層焊盤不采用波峰焊工藝焊接
編輯：amy 最后修改時(shí)間：2019-05-06
