PCB 設(shè)計的ESD抑止準(zhǔn)則
PCB布線是ESD防護(hù)的一個關(guān)鍵要素,合理的PCB 設(shè)計可以減少故障檢查及返工所
帶來的不必要成本。在PCB 設(shè)計中,由於采用了瞬態(tài)電壓抑止器(TVS)二極體來抑止
因ESD 放電產(chǎn)生的直接電荷注入,因此PCB 設(shè)計中更重要的是克服放電電流產(chǎn)生的
電磁干擾(EMI)電磁場效應(yīng)。本文將提供可以優(yōu)化ESD 防護(hù)的PCB 設(shè)計準(zhǔn)則。
電路環(huán)路
電流通過感應(yīng)進(jìn)入到電路環(huán)路,這些環(huán)路是封閉的,并具有變化的磁通量。電流的幅度與環(huán)的面積成正比。較大的環(huán)路包含有較多的磁通量,因而在電路中感應(yīng)出較強(qiáng)的電流。因此,必須減少環(huán)路面積。
最常見的環(huán)路如圖1 所示,由電源和地線所形成。在可能的條件下,可以采用具有電源及接地層的多層PCB 設(shè)計。多層電路板不僅將電源和接地間的回路面積減到最小,而且也減小了ESD 脈沖產(chǎn)生的高頻EMI 電磁場。
如果不能采用多層電路板,那麼用於電源線和接地的線必須連接成如圖2 所示的網(wǎng)格狀。網(wǎng)格連接可以起到電源和接地層的作用,用過孔連接各層的印制線,在每個方向上過孔連接間隔應(yīng)該在6 厘米內(nèi)。另外,在布線時,將電源和接地印制線盡可能靠近也可以降低環(huán)路面積,如圖3 所示。
減少環(huán)路面積及感應(yīng)電流的另一個方法是減小互連器件間的平行通路,見圖4。
當(dāng)必須采用長於30 厘米的信號連接線時,可以采用保護(hù)線,如圖5 所示。一個更好的辦法是在信號線附近放置地層。信號線應(yīng)該距保護(hù)線或接地線層13 毫米以內(nèi)。
如圖6 所示,將每個敏感元件的長信號線(>30 厘米)或電源線與其接地線進(jìn)行交叉布置。交叉的連線必須從上到下或從左到右的規(guī)則間隔布置。
電路連線長度
長的信號線也可成為接收ESD 脈沖能量的天線,盡量使用較短信號線可以降低信號線作為接收ESD 電磁場天線的效率。
盡量將互連的器件放在相鄰位置,以減少互連的印制線長度。
地電荷注入
ESD 對地線層的直接放電可能損壞敏感電路。在使用TVS 二極體的同時還要使用一個或多個高頻旁路電容器,這些電容器放置在易損元件的電源和地之間。旁路電容減少了電荷注入,保持了電源與接地埠的電壓差。
TVS 使感應(yīng)電流分流,保持TVS 鉗位元電壓的電位差。TVS及電容器應(yīng)放在距被保護(hù)的IC 盡可能近的位置(見圖7),要確保TVS 到地通路以及電容器管腳長度為最短,以減少寄生電感效應(yīng)。
連接器必須安裝到PCB 上的銅鉑層。理想情況下,銅鉑層必須與PCB 的接地層隔離,通過短線與焊盤連接。
PCB 設(shè)計的其他準(zhǔn)則
1. 避免在PCB 邊緣安排重要的信號線,如時鐘和重定信號等;
2. 將PCB 上未使用的部分設(shè)置為接地面;
3. 機(jī)殼地線與信號線間隔至少為4 毫米;
4. 保持機(jī)殼地線的長寬比小於5:1,以減少電感效應(yīng);
5. 用TVS 二極體來保護(hù)所有的外部連接;
保護(hù)電路中的寄生電感
TVS 二極體通路中的寄生電感在發(fā)生ESD 事件時會產(chǎn)生嚴(yán)重的電壓過沖。盡管使用了TVS 二極體,由於在電感負(fù)載兩端的感應(yīng)電壓VL=L×di/dt,過高的過沖電壓仍然可能超過被保護(hù)IC 的損壞電壓閾值。
保護(hù)電路承受的總電壓是TVS 二極體鉗位元電壓與寄生電感產(chǎn)生的電壓之和,VT=VC+VL。一個ESD 瞬態(tài)感應(yīng)電流在小於1ns 的時間內(nèi)就能達(dá)到峰值(依據(jù)IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)),假定引線電感為每英寸20nH,線長為四分之一英寸,過沖電壓將是50V/10A 的脈沖。經(jīng)驗設(shè)計準(zhǔn)則是將分流通路設(shè)計得盡可能短,以此減少寄生電感效應(yīng)。
所有的電感性通路必須考慮采用接地回路,TVS 與被保護(hù)信號線之間的通路,以及連接器到TVS 器件的通路。被保護(hù)的信號線應(yīng)該直接連接到接地面,若無接地面,則接地回路的連線應(yīng)盡可能短。TVS 二極體的接地和被保護(hù)電路的接地點之間的距離應(yīng)盡可能短,以減少接地平面的寄生電感。
最後,TVS 器件應(yīng)該盡可能靠近連接器以減少進(jìn)入附近線路的瞬態(tài)耦合。雖然沒有到達(dá)連接器的直接通路,但這種二次輻射效應(yīng)也會導(dǎo)致電路板其他部分的工作紊亂。
防靜電超凈面料--導(dǎo)電纖維
導(dǎo)電纖維是防靜電超凈面料中的關(guān)鍵原料,它的性能好壞,一方面決定了面料的防靜電性能;另一方面也與面料的發(fā)塵量有關(guān)。導(dǎo)電纖維的發(fā)展迄今為止已經(jīng)經(jīng)歷了三個階段:第一階段是金屬纖維階段。金屬纖維導(dǎo)電性能好,耐熱、耐化學(xué)腐蝕。但對於紡織品而言,金屬纖維抱合力小,紡紗性能差,成品著色性差,手感差,因此只適用於織成T/C面料,在油田、化工廠等易燃、易爆行業(yè)做工作服用。第二階段是表面滲碳型有機(jī)導(dǎo)電纖維,其代表產(chǎn)品為 BASF公司Resistat。通過表面滲碳的方式將導(dǎo)電的碳粉加入到已成型的尼龍表面,其特點是表面電阻比較低,但導(dǎo)電的碳粉易受摩擦和洗滌等影響而從尼龍表面脫落,從而使面料的導(dǎo)電性能逐漸降低。同時,脫落下來的導(dǎo)電的碳粉既是潔凈室中的灰塵,又會對電子產(chǎn)品造成傷害。第三階段是復(fù)合紡絲型有機(jī)導(dǎo)電纖維(第二代有機(jī)導(dǎo)電纖維),其代表產(chǎn)品為日本鍾紡公司的Belltron,特別是鍾紡公司最新開發(fā)的9R、BR系列。復(fù)合紡絲型有機(jī)導(dǎo)電纖維是將導(dǎo)電的碳粉與熔融狀的基體材料充分混合後,經(jīng)特殊的噴絲孔與基體材料復(fù)合成纖,形成了雙組份的導(dǎo)電纖維。其產(chǎn)品特性表現(xiàn)為不會因為摩擦、洗滌而致使碳粒子脫落,具有良好的耐洗、抗彎曲、耐磨損等性能。目前國內(nèi)生產(chǎn)防靜電超凈面料大部分選用的是BASF公司的Resistat,但在Class 10000以上的潔凈環(huán)境中,滲碳型纖維是不適用的,只能選用復(fù)合紡絲型導(dǎo)電纖維。如同樣是復(fù)合紡絲型導(dǎo)電纖維,比較其組織結(jié)構(gòu),碳與基體材料熔融混合後完整地包覆在纖維外層的(如Kanebo Belltron 9R1、BR1)導(dǎo)電纖維,因為具有最大的導(dǎo)電表面積,其導(dǎo)電性能最佳,也應(yīng)成為防靜電超凈面料的首選。另外,導(dǎo)電纖維的孔數(shù)(D數(shù))以及導(dǎo)電纖維的并絲加工狀況也對導(dǎo)電纖維的性能有很大影響。同種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電纖維,孔數(shù)越多,導(dǎo)電表面積越大,導(dǎo)電性能也就越強(qiáng)。同一種導(dǎo)電纖維,在不同的設(shè)備上進(jìn)行復(fù)合(并絲)其效果是不一樣的。在高倍放大鏡下我們可以看到有些防靜電超凈面料中導(dǎo)電絲浮在布面上,這是因為導(dǎo)電絲復(fù)合時張力控制不均勻造成的。浮在面上的導(dǎo)電絲很容易被勾斷,繼而會從面料中脫落,既影響導(dǎo)電性能,又破壞潔凈度。因此,應(yīng)盡可能選擇原廠并絲的導(dǎo)電纖維。
各種具有防靜電功能面料的特點
防靜電,潔凈面料
也叫"導(dǎo)電綢",采用滌綸為主體,專用滌綸長絲與高性能永久性導(dǎo)電纖維經(jīng)特殊工藝織造而成,經(jīng)向嵌織或經(jīng)、緯向嵌織導(dǎo)電纖維。用此種面料經(jīng)特殊縫紉工藝制成的服裝具有優(yōu)良的防靜電防塵性能,具有高效、永久的防靜電、防塵性能和柔軟、薄滑、織紋清晰的特點,主要用於制作防塵服裝、防靜電服裝,達(dá)到電暈放電或泄漏放電效果,不同規(guī)格的面料適應(yīng)於不同防靜電或潔凈環(huán)境中,例如100D×100D條導(dǎo)電綢適用于1萬級-30萬級潔凈要求環(huán)境75D×100D小方格,75D×75D小方格;75D×75D條適用於1000級無塵環(huán)境要求。
適用范圍:應(yīng)用醫(yī)療、制藥、食品、精密儀器、航空航太等對靜電比較敏
感和對潔凈度要求較高的行業(yè)。
執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn):GB12059-89
帶電荷量:<0.6μC/件
導(dǎo)電絲規(guī)格:10MM條紋5MM條紋10MM網(wǎng)格5MM網(wǎng)格2.5MM網(wǎng)格
防靜電超凈面料
采用專用滌綸長絲,經(jīng)向緯向嵌織導(dǎo)電纖維,經(jīng)特殊工藝加工制成,不僅有優(yōu)良的防靜電功能,還可有效防止織物纖維脫落,以及微細(xì)粉塵顆粒從織物縫隙中的滲出,并具有不受環(huán)境影響(耐高溫)、化學(xué)性能穩(wěn)定(耐洗滌)等特性。產(chǎn)品規(guī)格為68D×75D格,適用於10級到100級的潔凈室廣泛應(yīng)用微電子、光電,精密儀器、航空航太等對靜電比較敏感和對潔凈度要求較高的行業(yè)。
執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn):GB12059-89
帶電荷量:<0.6μC/件
防靜電針織面料
利用系列導(dǎo)電纖維與專用滌綸長絲經(jīng)針織加工而成。防靜電針織面料不僅能消除靜電而且不發(fā)塵,還兼有普通針織面料透氣、保暖、手感舒適的特性,是新一代符合人體健康要求的防靜電面料。
適用范圍:常用於加工防靜電手套、防靜電內(nèi)衣。
防靜電防塵面料
在滌綿短纖細(xì)支紗面料中等間距織入導(dǎo)電纖維(間距1.2cm),經(jīng)特殊工藝整理而成,其織物密度大於普通織物,具有防靜電、防燃爆的功能。此種面料結(jié)實耐磨、柔軟舒適、吸濕透氣,可加工成各種
高檔防靜電棉工作服,適用于儲運、化工、煤氣、石油、煤礦、海運、宇航、軍工等易燃易爆的作業(yè)環(huán)境。
執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn):GB12056-2000
除塵效率:≥95%
沾塵量:≤150
帶電荷量:<0.6μC/件
防靜電滌棉常見規(guī)格
防靜電紗卡:20×16(密度) 128×60(紗支)
防靜電線卡:21/2×21/2(密度) 108×58(紗支)
防靜電細(xì)斜紋:32×32(密度) 130×70(紗支)
防靜電線絹:45/2×20(密度) 110×50(紗支)
其他防靜電面料
防靜電華達(dá)呢:在華達(dá)呢面料中間織入導(dǎo)電纖維(間距1.2CM)經(jīng)特列工藝整理而成,達(dá)到防靜電功能的面料。
防靜電全棉:在全棉面料中間織入導(dǎo)電纖維(間距1.2CM)經(jīng)特列工藝整理而成,達(dá)到防靜電功能的面料。
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