電子設備中電路板布局、布線和安裝的抗ESD

在電子產品設計中必須遵循抗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。
　　許多產品設計工程師通常在產品進入到生產環節時才著手考慮抗靜電釋放(ESD)的問題。如果電子設備不能通過抗靜電釋放測試，他們就會加班加點找尋不破壞原有設計的解決方案。然而，最終的方案通常都要采用昂貴的元器件，還要在制造過程中采用手工裝配，甚至需要重新設計，因此，產品的進度勢必受到影響。
　　即使對經驗豐富的工程師和設計工程師，也可能并不知道設計中的哪些部分有利于抗ESD。大多數電子設備在生命期內99%的時間都處于一個充滿ESD的環境之中，ESD可能來自人體、家具、甚至設備自身內部。電子設備完全遭受ESD損毀比較少見，然而ESD干擾卻很常見，它會導致設備死鎖、復位、數據丟失和不可靠。其結果可能是：在寒冷干燥的冬季電子設備經常出現故障現象，但是維修時又顯示正常，這樣勢必影響用戶對電子設備及其制造商的信心。
　　ESD產生的機理
　　要防止ESD，首先必須知道ESD是什么以及ESD進入電子設備的過程。一個充電的導體接近另一個導體時，就有可能發生ESD。首先，兩個導體之間會建立一個很強的電場，產生由電場引起的擊穿。兩個導體之間的電壓超過它們之間空氣和絕緣介質的擊穿電壓時，就會產生電弧。在0.7ns到10ns的時間里，電弧電流會達到幾十安培，有時甚至會超過100安培。電弧將一直維持直到兩個導體接觸短路或者電流低到不能維持電弧為止。
　　ESD的產生取決于物體的起始電壓、電阻、電感和寄生電容：
　　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。　　ESD可以通過五種耦合途徑進入電子設備：
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器件中的觸發器死鎖(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在線，這些信號線起到接收天線的作用(少見)。ESD會通過各種各樣的耦合途徑找到設備的薄弱點。ESD頻率范圍寬，不僅僅是一些離散的頻點，它甚至可以進入窄帶電路中。為了防止ESD干擾和損毀，必須隔離這些路徑或者加強設備的抗ESD能力。表1描述了對可能出現的ESD的防范措施以及發揮作用的場合。

防患于未然
　　塑料機箱、空氣空間和絕緣體可以屏蔽射向電子設備的ESD電弧。除利用距離保護以外，還要建立一個擊穿電壓為20kV的抗ESD環境。
　　A1. 確保電子設備與下列各項之間的路徑長度超過20mm。
　　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。　　A2. 將電子設備裝在機箱凹槽或槽口處來增加接縫處的路徑長度。
　　A3.在機箱內用聚脂薄膜帶來覆蓋接縫以及安裝孔，這樣延伸了接縫/過孔的邊緣，增加了路徑長度。
　　A4.用金屬帽或者屏蔽塑料防塵蓋罩住未使用或者很少使用的連接器。
　　A5.使用帶塑料軸的開關和操縱桿，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。
　　A6.將LED和其它指示器裝在設備內孔里，并用帶子或者蓋子將它們蓋起來，從而延伸孔的邊沿或者使用導管來增加路徑長度。
　　A7.延伸薄膜鍵盤邊界使之超出金屬線12mm，或者用塑料企口來增加路徑長度。
　　A8. 將散熱器靠近機箱接縫，通風口或者安裝孔的金屬部件上的邊和拐角要做成圓弧形狀。
　　A9. 塑料機箱中，靠近電子設備或者不接地的金屬緊固件不能突出在機箱中。
　　A10. 如果產品不能通過桌面/地面或者水平耦合面的間接ESD測試，可以安裝一個高支撐腳使之遠離桌面或地面。
　　A11.在觸摸橡膠鍵盤上，確保布線緊湊并且延伸橡膠片以增加路徑長度。
　　A12.在薄膜鍵盤電路層周圍涂上粘合劑或密封劑。
　A13.在機箱箱體接合處，要使用耐高壓硅樹脂或者墊圈實現密閉、防ESD、防水和防塵。

機箱和屏蔽
　　利用金屬機箱和屏蔽罩可以阻止ESD電弧以及相應的電磁場，并且保護設備免受間接ESD的影響，目的是將全部ESD阻隔在機箱以外。對于靜電敏感的電子設備來說，不接地機箱至少應該具有20kV的擊穿電壓(規則A1到A9)；而對接地機箱，電子設備至少要具備1,500V擊穿電壓以防止二級電弧，并且要求路徑長度大于等于2.2mm。
　　以下措施能使ESD的屏蔽更有效。
　　B1. 如果需要，應設計由以下屏蔽材料制成的機箱：
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。　　B2. 選擇一種具有高傳導率(低電阻系數)的材料，見表2。
　　B3. 選擇屏蔽材料、緊固件材料和墊圈材料來盡可能地減輕腐蝕。參考表2。1. 相互接觸的部件彼此之間的電勢(EMF)應該小于0.75V。如果在一個鹽性潮濕環境中，那么彼此之間的電勢必須小于0.25V。2. 陽極(正極)部件的尺寸應該大于陰極(負極)部件。
　　B4. 用縫隙寬度5倍以上的屏蔽材料迭合在接縫處。
　　B5. 在屏蔽層與箱體之間每隔20mm(0.8英寸)的距離通過焊接、緊固件等方式實現電連接。
　　B6. 用墊圈實現縫隙的橋接，消除開槽并且在縫隙之間提供導電通路。
　　B7. 杜絕缺口、裂縫和屏蔽太薄的情況。
　　B8. 避免屏蔽材料中出現直拐角以及過大的彎角。
　　B9. 確保孔徑小于等于20mm以及槽的長度小于等于20mm。相同開口面積條件下，采用孔比槽好。
　　B10. 如果要求大的開口以及有敏感器件，應該在操縱桿、指示器之間設置第二層屏蔽。
　　B11. 如果可能，使用幾個小的開口來代替一個大的開口。
　　B12. 如果可能，這些開口之間的間距盡量大。
　　B13. 對接地設備，在連接器進入的地方將屏蔽層和機箱地連接在一起。
　　B14. 對未接地(雙重隔離)設備，將屏蔽材料同開關附近的電路公共地連接起來。
　　B15. 在靠近電子設備處并行放置一個地平面或二級屏蔽(金屬或者銅/聚酯薄膜分層)，并且彎曲該地平面以便在電纜進入位置可以連接到機箱地或者電路的公共地。
　　B16. 盡量讓電纜進入點靠近面板中心，而不是靠近邊緣或者拐角的位置。
　　B17. 在屏蔽裝置中排列的各個開槽要與ESD電流流過的方向平行。
　　B18. 當考慮間接ESD問題時，應該在水平的電路板和背板下面安裝一個局部的屏蔽裝置。
　　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)。　　B19. 在塑料機箱上的控制面板和鍵盤位置處安裝局部屏蔽裝置來阻止ESD：
　　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。　　B20. 在鋁板上使用薄的導電鉻化鍍層或者鉻酸鹽涂層，但不能采用陽極電鍍。
　　B21. 要達到大于20到40dB的屏蔽效果。
　　B22. 除去陽極電鍍以及接縫、接合處和連接器處的涂層。
　　B23. 在不銹鋼的焊接接合處實現良好的導電連續性。
　　B24. 在塑料中要使用導電填充材料。由于鑄型部件的表面通常具有樹脂材料，這樣很難實現低電阻的連接。
　　B25. 在鋼材料上使用薄的導電鉻酸鹽涂層。
　　B26. 讓清潔整齊的金屬表面直接接觸而不要依靠螺釘來實現金屬部件的連接。
　　B27. 緊靠雙面板的位置處增加一個地平面，在最短間距處將該地平面連接到電路上的接地點。
　　B28. 沿整個外圍用屏蔽涂層(銦錫氧化物、銦氧化物和錫氧化物等)將顯示器與機箱屏蔽裝置連接在一起。
　　B29. 在操作員經常接觸的位置處，要提供一個到地的抗靜電(弱導電)路徑，比如鍵盤上的空格鍵。
　　B30. 要讓操作員很難產生到金屬板邊緣或角的電弧放電。電弧放電到這些點會比電弧放電到金屬板中心導致更多間接ESD的影響。
　　B31. 在薄膜鍵盤電路和與其相對的鄰近電路之間放置一個接地的導電層。
接地和邦定

ESD電弧電流放電時首先對被擊中金屬物體的寄生電容充電，然后流經每一個可能的導電路徑。電弧電流更容易在片狀、或短而寬的帶狀導體而不是窄在線流過。金屬部件之間通過邦定(binding)建立低阻抗的路徑，從而使相互之間的電壓差降至最低，而接地則提供最終泄放掉累積電荷的路徑。為了使接地和邦定能夠有效地防止ESD，應該確保ESD電流密度和電流路徑阻抗盡可能低。　　C1.在ESD電流預計會流過的位置采用多點接地。
　　C2.在預計ESD電流不會流過的位置采用單點接地。
　　C3.將機箱的金屬部分同底盤地連接在一起。
　　C4.確保每個電纜進入點離機箱地的距離在40mm(1.6英寸)以內。
　　C5.將連接器外殼和金屬開關外殼都連接到機箱地上。
　　C6.在薄膜鍵盤周圍放置寬的導電保護環，將環的外圍連接到金屬機箱上，或至少在四個拐角處連接到金屬機箱上。不要將該保護環與PCB地連接在一起。
　　C7.在靠近連接器的地方，要將連接器上的信號用一個L-C或者磁珠-電容濾波器接到連接器的機箱地上。
　　C8.確保未隔離的機箱地與電子設備的距離大于等于2.2mm。
　　C9.在機箱地和電路公共地之間加入一個磁珠。
　　C10.確保邦定接頭短而粗。如果可能，長寬比盡量做到小于等于5:1。
　　C11.如果可能使用多個邦定接頭，從而避免ESD電流過分集中。
　　C12.確保邦定接頭和邦定線遠離易受影響的電子設備或者這些電子設備的電纜。
　　C13. 選擇邦定接頭和邦定線的材料以及緊固件/緊固方式時，要盡可能減小侵蝕，見表2。
　　1. 相互靠近的部件之間的EMF必須小于0.75V，如果在潮濕的環境中EMF值必須小于0.25V；
　　2. 陽極(正極)部件的尺寸應大于陰極(負極)部件。
　　C14.將控制金屬柄接地到具有接地叉指或導電襯套的屏蔽裝置上。
　　C15.確保邦定帶和邦定線遠離易受ESD影響的PCB。
　　C16.在鉸鏈中要補充邦定帶或邦定線。
　　C17. 通過焊接、銅焊、鉛焊或型鐵彎曲等方式來焊接不能分開的金屬片。
　　C18.從操作/維修考慮，必須分離的金屬片要通過下面的方式邦定起來：1.要讓金屬表面保持清潔并直接接觸。2.讓具有薄導電涂層的金屬表面直接緊密接觸。
　　C19.固體邦定帶優于編織邦定帶。
　　C20.確保邦定處不潮濕。
　　C21.使用多個導體將機箱內所有電路板的地平面或地網格連接在一起。
　　C22.確保邦定點和墊圈的寬度大于5mm。
保護電源
　　電子設備內部的電源分配系統是遭受ESD電弧感性耦合的主要對象。下面的步驟將有助于電源分配系統防范ESD。
　　D1.將電源線和相應的回路線緊密絞合在一起。
　　D2.在每一根電源線進入電子設備的地方放一個磁珠。
　　D3.在每一個電源管腳和緊靠電子設備機箱地之間放一個瞬流抑制器、金屬氧化壓敏電阻(MOV)或者1kV高頻電容。
　　D4. 最好在PCB上布置專門的電源和地平面，或者緊密的電源和地柵格，并采用大量旁路和去耦電容。
抗ESD的布局布線設計
　　通過PCB的分層設計、恰當的布局布線和安裝以及上述ESD防范方法可以實現PCB的抗ESD設計。要達到期望的抗ESD能力，通常要通過幾個測試-解決問題-重新測試這樣的周期，每一個周期都可能至少影響到一塊PCB的設計。在PCB設計過程中，通過預測可以將絕大多數設計修改僅限于增減元器件。

要調整PCB布局布線，使之具有最強的ESD防范性能。
　　E1.盡可能使用多層PCB：
　　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。E2.對于雙面PCB來說，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)。　　E3.確保每一個電路盡可能緊湊。
　　E4.盡可能將所有連接器都放在一邊。
　　E5.如果可能，將電源線從卡的中央引入，并遠離容易直接遭受ESD影響的區域。
　　E6.在引向機箱外的連接器(容易直接被ESD擊中)下方的所有PCB層上，要放置寬的機箱地或者多邊形填充地，并每隔大約13mm的距離用過孔將它們連接在一起。
　　E7.在卡的邊緣上放置安裝孔，安裝孔周圍用無阻焊劑的頂層和底層焊盤連接到機箱地上。
　　E8. PCB裝配時，不要在頂層或者底層的焊盤上涂覆任何焊料。使用具有內嵌墊圈的螺釘來實現PCB與金屬機箱/屏蔽層或接地面上支架的緊密接觸。
　　E9.在每一層的機箱地和電路地之間，要設置相同的“隔離區”；如果可能，保持間隔距離為0.64mm(0.025英寸)。
　　E10.在卡的頂層和底層靠近安裝孔的位置，每隔100mm(4.0英寸)沿機箱地線將機箱地和電路地用1.27mm寬(0.050英寸)的線連接在一起。與這些連接點的相鄰處，在機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測試時的接地機制。
　　E11.如果電路板不會放入金屬機箱或者屏蔽裝置中，在電路板的頂層和底層機箱地在線不能涂阻焊劑，這樣它們可以作為ESD電弧的放電棒。
　　E12.要以下列方式在電路周圍設置一個環形地：
　　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2.5mm (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0.5mm寬(0.020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0.5mm。　　E13.在能被ESD直接擊中的區域，每一個信號線附近都要布一條地線。
　　E14.I/O電路要盡可能靠近對應的連接器。
　　E15.對易受ESD影響的電路，應該放在靠近電路中心的區域，這樣其它的電路可以為它們提供一定的屏蔽作用。

　　E16.通常在接收端放置串聯的電阻和磁珠，而對那些易被ESD擊中的電纜驅動器，也可以考慮在驅動端放置串聯的電阻或磁珠。
　　E17.通常在接收端放置瞬態保護器。1.用短而粗的線(長度小于5倍寬度，最好小于3倍寬度)連接到機箱地。2.從連接器出來的信號線和地線要直接接到瞬態保護器，然后才能接電路的其它部分。
　　E18.在連接器處或者離接收電路25mm(1.0英寸)的范圍內，要放置濾波電容。1.用短而粗的線連接到機箱地或者接收電路地(長度小于5倍寬度，最好小于3倍寬度)。2.信號線和地線先連接到電容再連接到接收電路。
　　E19.要確保信號線盡可能短。
　　E20.信號線的長度大于300mm(12英寸)時，一定要平行布一條地線。
　　E21.確保信號線和相應回路之間的環路面積盡可能小。對于長信號線每隔幾厘米或幾英寸調換信號線和地線的位置來減小環路面積。
　　E22.從網絡的中心位置驅動信號進入多個接收電路。
　　E23.確保電源和地之間的環路面積盡可能小，在靠近集成電路芯片每一個電源管腳的地方放置一個高頻電容。
　　E24.在距離每一個連接器80mm(3英寸)范圍以內放置一個高頻旁路電容。
　　E25.在可能的情況下，要用地填充未使用的區域，每隔60mm距離將所有層的填充地連接起來。
　　E26.確保在任意大的地填充區(大約大于25×6mm(1×0.25英寸))的兩個相反端點位置處要與地連接。
　　E27.電源或地平面上開口長度超過8mm(0.3英寸)時，要用窄的線將開口的兩側連接起來。
　　E28.復位線、中斷信號線或者邊沿觸發信號線不能布置在靠近PCB邊沿的地方。
　　E29.將安裝孔同電路公地連接在一起，或者將它們隔離開來。1.金屬支架必須和金屬屏蔽裝置或者機箱一起使用時，要采用一個零奧姆電阻實現連接。2.確定安裝孔大小來實現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。
　　E30.不能將受保護的信號線和不受保護的信號線并行排列。
　　E31.要特別注意復位、中斷和控制信號線的布線。1.要采用高頻濾波。2.遠離輸入和輸出電路。3.遠離電路板邊緣。
　　E32.PCB要插入機箱內，不要安裝在開口位置或者內部接縫處。
　　E33.要注意磁珠下、焊盤之間、可能接觸到磁珠的信號線的布線。有些磁珠導電性能相當好，可能會產生意外的導電路徑。
　　E34.如果一個機箱或者主板要內裝幾個電路卡，應該將對靜電最敏感的電路卡放在最中間。