在PCB板的設(shè)計(jì)當(dāng)中抗ESD的方法及技巧
來自人體、環(huán)境甚至電子設(shè)備內(nèi)部的靜電對于精密的半導(dǎo)體芯片會造成各種損傷,例如穿透元器件內(nèi)部薄的絕緣層;損毀MOSFET和CMOS元器件的柵極;CMOS器件中的觸發(fā)器鎖死;短路反偏的PN結(jié);短路正向偏置的PN結(jié);熔化有源器件內(nèi)部的焊接線或鋁線。為了消除靜電釋放(ESD)對電子設(shè)備的干擾和破壞,需要采取多種技術(shù)手段進(jìn)行防范。
在PCB板的設(shè)計(jì)當(dāng)中,可以通過分層、恰當(dāng)?shù)牟季植季€和安裝實(shí)現(xiàn)PCB的抗ESD設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中,通過預(yù)測可以將絕大多數(shù)設(shè)計(jì)修改僅限于增減元器件。通過調(diào)整PCB布局布線,能夠很好地防范ESD。以下是一些常見的防范措施。
*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(nèi)層線。
*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(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。
*確保每一個電路盡可能緊湊。
*盡可能將所有連接器都放在一邊。
*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。
*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的距離用過孔將它們連接在一起。
*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(jī)箱地上。
*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(nèi)嵌墊圈的螺釘來實(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。
*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。
*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。
*如果電路板不會放入金屬機(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電弧的放電極。
*要以下列方式在電路周圍設(shè)置一個環(huán)形地：
(1)除邊緣連接器以及機(jī)箱地以外,在整個外圍四周放上環(huán)形地通路。
(2)確保所有層的環(huán)形地寬度大于2.5mm。
(3)每隔13mm用過孔將環(huán)形地連接起來。
(4)將環(huán)形地與多層電路的公共地連接到一起。
(5)對安裝在金屬機(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)上的某個位置處至少放置一個0.5mm寬的間隙,這樣可以避免形成一個大的環(huán)路。信號布線離環(huán)形地的距離不能小于0.5mm。
*在能被ESD直接擊中的區(qū)域,每一個信號線附近都要布一條地線。
*I/O電路要盡可能靠近對應(yīng)的連接器。
*對易受ESD影響的電路,應(yīng)該放在靠近電路中心的區(qū)域,這樣其他電路可以為它們提供一定的屏蔽作用。
*通常在接收端放置串聯(lián)的電阻和磁珠,而對那些易被ESD擊中的電纜驅(qū)動器,也可以考慮在驅(qū)動端放置串聯(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。從連接器出來的信號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他部分。
*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。
(1)用短而粗的線連接到機(jī)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。
*要確保信號線盡可能短。
*信號線的長度大于300mm時,一定要平行布一條地線。
*確保信號線和相應(yīng)回路之間的環(huán)路面積盡可能小。對于長信號線每隔幾厘米便要調(diào)換信號線和地線的位置來減小環(huán)路面積。
*從網(wǎng)絡(luò)的中心位置驅(qū)動信號進(jìn)入多個接收電路。
*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電源管腳的地方放置一個高頻電容。
*在距離每一個連接器80mm范圍以內(nèi)放置一個高頻旁路電容。
*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。
*確保在任意大的地填充區(qū)(大約大于25mm×6mm)的兩個相反端點(diǎn)位置處要與地連接。
*電源或地平面上開口長度超過8mm時,要用窄的線將開口的兩側(cè)連接起來。
*復(fù)位線、中斷信號線或者邊沿觸發(fā)信號線不能布置在靠近PCB邊沿的地方。
*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(jī)箱一起使用時,要采用一個零歐姆電阻實(shí)現(xiàn)連接。
(2)確定安裝孔大小來實(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,并確保底層焊盤不采用波峰焊工藝進(jìn)行焊接。
*不能將受保護(hù)的信號線和不受保護(hù)的信號線并行排列。
*要特別注意復(fù)位、中斷和控制信號線的布線。
(1)要采用高頻濾波。
(2)遠(yuǎn)離輸入和輸出電路。
(3)遠(yuǎn)離電路板邊緣。
*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。
*要注意磁珠下、焊盤之間和可能接觸到磁珠的信號線的布線。有些磁珠導(dǎo)電性能相當(dāng)好,可能會產(chǎn)生意想不到的導(dǎo)電路徑。
*如果一個機(jī)箱或者主板要內(nèi)裝幾個電路板,應(yīng)該將對靜電最敏感的電路板放在最中間