2022年电子设备中电路板布局、布线和安装的抗ESD设计规则 .pdf

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1、电子设备中电路板布局布线和安装的抗ESD 设计规则电子设备中电路板布局布线和安装的抗ESD 设计规则设计专栏, 电路板设计上网时间2002 年 03 月 04日在电子产品设计中必须遵循抗静电释放的设计规则本文介绍静电释放(ESD) 产生的原理以及机箱屏蔽层接地布线设计等诸多设计规则它们有助于预防并解决静电释放产生的危害值得中国电子设备设计工程师认真研究和学习许多产品设计工程师通常在产品进入到生产环节时才着手考虑抗静电释放(ESD)的问题如果电子设备不能通过抗静电释放测试他们就会加班加点找寻不破坏原有设计的解决方案然而最终的方案通常都要采用昂贵的元器件还要在制造过程中采用手工装配甚至需要重新设计

2、因此产品的进度势必受到影响即使对经验丰富的工程师和设计工程师也可能并不知道设计中的哪些部分有利于抗ESD 大多数电子设备在生命期内99% 的时间都处于一个充满ESD的环境之中ESD可能来自人体家具甚至设备自身内部电子设备完全遭受ESD损毁比较少见然而 ESD干扰却很常见它会导致设备锁死复位数据丢失和不可 *其结果可能是在寒冷干燥的冬季电子设备经常出现故障现象但是维修时又显示正常这样势必影响用户对电子设备及其制造商的信心 ESD产生的机理要防止 ESD 首先必须知道ESD是什么以及ESD进入电子设备的过程一个充电的导体接近另一个导体时就有可能发生ESD 首先两个导体之间会建立一个很强的电场产生由

3、电场引起的击穿两个导体之间的电压超过它们之间空气和绝缘介质的击穿电压时就会产生电弧在 0.7ns 到 10ns 的时间里电弧电流会达到几十安培有时甚至会超过100 安培电弧将一直维持直到两个导体接触短路或者电流低到不能维持电弧为止 ESD的产生取决于物体的起始电压电阻电感和寄生电容可能产生电弧的实例有人体带电器件和机器可能产生尖峰电弧的实例有手或金属物体可能产生同极性或者极性变化的多个电弧的实例有家具 ESD可以通过五种耦合途径进入电子设备初始的电场能容性耦合到表面积较大的网络上并在离 ESD电弧 100mm 处产生高达4000V/m 的高压电弧注入的电荷/ 电流可以产生以下的损坏和故障 a.

4、 穿透元器件内部薄的绝缘层损毁 MOSFET 和 CMOS元器件的栅极 ( 常见 ) b. CMOS 器件中的触发器锁死( 常见 ) c. 短路反偏的PN结(常见 ) d. 短路正向偏置的 PN结(少见 ) e. 熔化有源器件内部的焊接线或铝线( 少见 )电流会导致导体上产生电压脉冲(V=LdI/dt)这些导体可能是电源地或信号线这些电压脉冲将进入与这些网络相连的每一个元器件( 常见 )电弧会产生一个频率范围在1MHz到 500MHz的强磁场并感性耦合到临近的每一个布线环路在离 ESD 电弧 100mm 远的地方产生高达15A/m的电流名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -

5、- - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - 电弧辐射的电磁场会耦合到长的信号线上这些信号线起到接收天线的作用( 少见 ) ESD会通过各种各样的耦合途径找到设备的薄弱点ESD频率范围宽不仅仅是一些离散的频点它甚至可以进入窄带电路中为了防止 ESD干扰和损毁必须隔离这些路径或者加强设备的抗ESD能力表 1 描述了对可能出现的 ESD的防范措施以及发挥作用的场合此主题相关图片如下防患于未然塑料机箱空气空间和绝缘体可以屏蔽射向电子设备的ESD电弧除利用距离保护以外还要建立一个击穿电压为

6、20kV 的抗 ESD环境 A1. 确保电子设备与下列各项之间的路径长度超过20mm包括接缝通风口和安装孔在内任何用户能够接触到的点在电压一定的情况下电弧通过介质的表面比通过空气传播得更远任何用户可以接触到的未接地金属如紧固件开关操纵杆和指示器 A2. 将电子设备装在机箱凹槽或槽口处来增加接缝处的路径长度 A3.在机箱内用聚脂薄膜带来覆盖接缝以及安装孔这样延伸了接缝 / 过孔的边缘增加了路径长度 A4.用金属帽或者屏蔽塑料防尘盖罩住未使用或者很少使用的连接器 A5.使用带塑料轴的开关和操纵杆或将塑料手柄 /套子放在上面来增加路径长度避免使用带金属固定螺丝的手柄 A6.将 LED和其它指示器装在

7、设备内孔里并用带子或者盖子将它们盖起来从而延伸孔的边沿或者使用导管来增加路径长度名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - A7.延伸薄膜键盘边界使之超出金属线12mm 或者用塑料企口来增加路径长度 A8. 将散热器 * 近机箱接缝通风口或者安装孔的金属部件上的边和拐角要做成圆弧形状 A9. 塑料机箱中* 近电子设备或者不接地的金属紧固件不能突出在机箱中 A10. 如果产品不能通过桌面/地面或者水平耦合面的间接ESD测试可

8、以安装一个高支撑脚使之远离桌面或地面 A11.在触摸橡胶键盘上确保布线紧凑并且延伸橡胶片以增加路径长度 A12.在薄膜键盘电路层周围涂上粘合剂或密封剂 A13.在机箱箱体接合处要使用耐高压硅树脂或者垫圈实现密闭防 ESD 防水和防尘此主题相关图片如下机箱和屏蔽利用金属机箱和屏蔽罩可以阻止ESD电弧以及相应的电磁场并且保护设备免受间接ESD的影响目的是将全部ESD阻隔在机箱以外对于静电敏感的电子设备来说不接地机箱至少应该具有20kV 的击穿电名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - -

9、第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - 压( 规则 A1到 A9)而对接地机箱电子设备至少要具备1,500V 击穿电压以防止二级电弧并且要求路径长度大于等于2.2mm以下措施能使ESD的屏蔽更有效 B1. 如果需要应设计由以下屏蔽材料制成的机箱金属板聚酯薄膜 /铜或者聚酯薄膜/ 铝压板具有焊接结点的热成型金属网热成型金属化的纤维垫子( 非编织 )或者织物 ( 编织 )银铜或者镍涂层锌电弧喷涂真空金属处理无电电镀塑料中加入导体填充材料对结合点和边缘的处理很关键 B2. 选择一种具有高传导率(低电阻系数 ) 的材料见表 2 B3. 选择屏蔽材料紧固件材料和垫圈材料来尽可能地减

10、轻腐蚀参考表 21. 相互接触的部件彼此之间的电势 (EMF)应该小于 0.75V如果在一个盐性潮湿环境中那么彼此之间的电势必须小于0.25V2. 阳极 ( 正极 )部件的尺寸应该大于阴极( 负极 ) 部件 B4. 用缝隙宽度5 倍以上的屏蔽材料叠合在接缝处 B5. 在屏蔽层与箱体之间每隔20mm(0.8 英寸 ) 的距离通过焊接紧固件等方式实现电连接 B6. 用垫圈实现缝隙的桥接消除开槽并且在缝隙之间提供导电通路 B7. 杜绝缺口裂缝和屏蔽太薄的情况 B8. 避免屏蔽材料中出现直拐角以及过大的弯角 B9. 确保孔径小于等于20mm 以及槽的长度小于等于20mm 相同开口面积条件下采用孔比槽好

11、 B10. 如果要求大的开口以及有敏感器件应该在操纵杆指示器之间设置第二层屏蔽 B11. 如果可能使用几个小的开口来代替一个大的开口 B12. 如果可能这些开口之间的间距尽量大 B13. 对接地设备在连接器进入的地方将屏蔽层和机箱地连接在一起 B14. 对未接地 (双重隔离 ) 设备将屏蔽材料同开关附近的电路公共地连接起来 B15. 在*近电子设备处并行放置一个地平面或二级屏蔽(金属或者铜 / 聚酯薄膜分层 )并且弯曲该地平面以便在电缆进入位置可以连接到机箱地或者电路的公共地 B16. 尽量让电缆进入点*近面板中心而不是 * 近边缘或者拐角的位置 B17. 在屏蔽装置中排列的各个开槽要与ESD

12、电流流过的方向平行 B18. 当考虑间接ESD问题时应该在水平的电路板和背板下面安装一个局部的屏蔽装置名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - 在电源连接器和连接器引向外部的地方要连接到机箱地或者电路的公共地在安装孔的位置使用带金属支架的金属片来充当附加的接地点或者用塑料支架来实现绝缘和隔离电路板 / 背板下面要放置聚酯薄膜 / 铜或者聚酯薄膜/铝压板并在机箱和连接器金属体之间安放一个紧固薄片既便宜又容易实现在底盘中要使

13、用导电涂层或者导电的填充物( 见 B1) B19. 在塑料机箱上的控制面板和键盘位置处安装局部屏蔽装置来阻止ESD电源连接器和引向外部的连接器的位置要连接到机箱地或者电路公共地使用金属片以便小的高频电容可以焊接在屏蔽装置与开关/ 操纵杆 / 指示器的连接处之间在塑料中使用聚酯薄膜/ 铜或者聚酯薄膜 / 铝压板或者使用导电涂层或导电填充物 B20. 在铝板上使用薄的导电铬化镀层或者铬酸盐涂层但不能采用阳极电镀 B21. 要达到大于20到 40dB 的屏蔽效果 B22. 除去阳极电镀以及接缝接合处和连接器处的涂层 B23. 在不锈钢的焊接接合处实现良好的导电连续性 B24. 在塑料中要使用导电填充

14、材料由于铸型部件的表面通常具有树脂材料这样很难实现低电阻的连接 B25. 在钢材料上使用薄的导电铬酸盐涂层 B26. 让清洁整齐的金属表面直接接触而不要依*螺钉来实现金属部件的连接 B27. 紧*双面板的位置处增加一个地平面在最短间距处将该地平面连接到电路上的接地点 B28. 沿整个外围用屏蔽涂层( 铟锡氧化物铟氧化物和锡氧化物等) 将显示器与机箱屏蔽装置连接在一起 B29. 在操作员经常接触的位置处要提供一个到地的抗静电( 弱导电 ) 路径比如键盘上的空格键 B30. 要让操作员很难产生到金属板边缘或角的电弧放电电弧放电到这些点会比电弧放电到金属板中心导致更多间接ESD的影响 B31. 在薄

15、膜键盘电路和与其相对的邻近电路之间放置一个接地的导电层接地和邦定 ESD电弧电流放电时首先对被击中金属物体的寄生电容充电然后流经每一个可能的导电路径电弧电流更容易在片状或短而宽的带状导体而不是窄线上流过金属部件之间通过邦定(binding)建立低阻抗名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - 的路径从而使相互之间的电压差降至最低而接地则提供最终泄放掉累积电荷的路径为了使接地和邦定能够有效地防止ESD 应该确保 ESD电流密

16、度和电流路径阻抗尽可能低 C1.在 ESD电流预计会流过的位置采用多点接地 C2.在预计 ESD电流不会流过的位置采用单点接地 C3.将机箱的金属部分同底盘地连接在一起 C4.确保每个电缆进入点离机箱地的距离在40mm(1.6英寸 )以内 C5.将连接器外壳和金属开关外壳都连接到机箱地上 C6.在薄膜键盘周围放置宽的导电保护环将环的外围连接到金属机箱上或至少在四个拐角处连接到金属机箱上不要将该保护环与PCB地连接在一起 C7.在*近连接器的地方要将连接器上的信号用一个L-C 或者磁珠 - 电容滤波器接到连接器的机箱地上 C8.确保未隔离的机箱地与电子设备的距离大于等于2.2mm C9.在机箱地

17、和电路公共地之间加入一个磁珠 C10.确保邦定接头短而粗如果可能长宽比尽量做到小于等于5:1 C11.如果可能使用多个邦定接头从而避免 ESD电流过分集中 C12.确保邦定接头和邦定线远离易受影响的电子设备或者这些电子设备的电缆 C13. 选择邦定接头和邦定线的材料以及紧固件/ 紧固方式时要尽可能减小侵蚀见表 2 1. 相互 *近的部件之间的EMF必须小于 0.75V如果在潮湿的环境中EMF值必须小于0.25V 2. 阳极 ( 正极 ) 部件的尺寸应大于阴极(负极 ) 部件 C14.将控制金属柄接地到具有接地* 指或导电衬套的屏蔽装置上 C15.确保邦定带和邦定线远离易受ESD影响的 PCB

18、C16.在铰链中要补充邦定带或邦定线 C17. 通过焊接铜焊铅焊或型铁弯曲等方式来焊接不能分开的金属片 C18.从操作 / 维修考虑必须分离的金属片要通过下面的方式邦定起来1. 要让金属表面保持清洁并直接接触2. 让具有薄导电涂层的金属表面直接紧密接触 C19.固体邦定带优于编织邦定带名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - C20.确保邦定处不潮湿 C21.使用多个导体将机箱内所有电路板的地平面或地网格连接在一起 C2

19、2.确保邦定点和垫圈的宽度大于5mm保护电源电子设备内部的电源分配系统是遭受ESD电弧感性耦合的主要对象下面的步骤将有助于电源分配系统防范 ESD D1.将电源线和相应的回路线紧密绞合在一起 D2.在每一根电源线进入电子设备的地方放一个磁珠 D3.在每一个电源管脚和紧*电子设备机箱地之间放一个瞬流抑制器金属氧化压敏电阻(MOV)或者 1kV高频电容 D4. 最好在 PCB上布置专门的电源和地平面或者紧密的电源和地栅格并采用大量旁路和去耦电容抗 ESD的布局布线设计通过 PCB的分层设计恰当的布局布线和安装以及上述ESD防范方法可以实现PCB的抗 ESD设计要达到期望的抗ESD能力通常要通过几个

20、测试- 解决问题 - 重新测试这样的周期每一个周期都可能至少影响到一块 PCB的设计在 PCB设计过程中通过预测可以将绝大多数设计修改仅限于增减元器件要调整 PCB 布局布线使之具有最强的ESD防范性能 E1.尽可能使用多层PCB相对于双面 PCB而言地平面和电源平面以及排列紧密的信号线- 地线间距能够减小共模阻抗(common impedance) 和感性耦合使之达到双面PCB的 1/10 到 1/100尽量地将每一个信号层都紧*一个电源层或地线层对于顶层和底层表面都有元器件具有很短连接线以及许多填充地的高密度PCB 可以考虑使用内层线大多数的信号线以及电源和地平面都在内层上因而类似于具备屏

21、蔽功能的法拉第盒 E2. 对于双面PCB来说要采用紧密交织的电源和地栅格电源线紧 *地线在垂直和水平线或填充区之间要尽可能多地连接一面的栅格尺寸小于等于60mm如果可能栅格尺寸应小于13mm(0.5 英寸 ) E3.确保每一个电路尽可能紧凑 E4.尽可能将所有连接器都放在一边 E5.如果可能将电源线从卡的中央引入并远离容易直接遭受ESD影响的区域名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - E6.在引向机箱外的连接器( 容易

22、直接被 ESD击中 ) 下方的所有PCB 层上要放置宽的机箱地或者多边形填充地并每隔大约13mm 的距离用过孔将它们连接在一起 E7.在卡的边缘上放置安装孔安装孔周围用无阻焊剂的顶层和底层焊盘连接到机箱地上 E8. PCB装配时不要在顶层或者底层的焊盘上涂覆任何焊料使用具有内嵌垫圈的螺钉来实现PCB与金属机箱 / 屏蔽层或接地面上支架的紧密接触 E9.在每一层的机箱地和电路地之间要设置相同的隔离区如果可能保持间隔距离为0.64mm(0.025 英寸 ) E10.在卡的顶层和底层*近安装孔的位置每隔 100mm(4.0英寸 ) 沿机箱地线将机箱地和电路地用1.27mm 宽 (0.050 英寸 )

23、 的线连接在一起与这些连接点的相邻处在机箱地和电路地之间放置用于安装的焊盘或安装孔这些地线连接可以用刀片划开以保持开路或用磁珠 / 高频电容的跳接以改变 ESD测试时的接地机制 E11.如果电路板不会放入金属机箱或者屏蔽装置中在电路板的顶层和底层机箱地线上不能涂阻焊剂这样它们可以作为ESD电弧的放电棒 E12.要以下列方式在电路周围设置一个环形地除边缘连接器以及机箱地以外在整个外围四周放上环形地通路确保所有层的环形地宽度大于2.5mm (0.1 英寸 )每隔 13mm(0.5 英寸 )用过孔将环形地连接起来将环形地与多层电路的公共地连接到一起对安装在金属机箱或者屏蔽装置里的双面板来说应该将环形

24、地与电路公共地连接起来不屏蔽的双面电路则应该将环形地连接到机箱地环形地上不能涂阻焊剂以便该环形地可以充当ESD 的放电棒在环形地 (所有层 ) 上的某个位置处至少放置一个0.5mm宽(0.020英寸) 的间隙这样可以避免形成一个大的环路信号布线离环形地的距离不能小于0.5mm E13.在能被 ESD直接击中的区域每一个信号线附近都要布一条地线 E14.I/O电路要尽可能 *近对应的连接器 E15.对易受 ESD影响的电路应该放在 *近电路中心的区域这样其它的电路可以为它们提供一定的屏蔽作用 E16.通常在接收端放置串联的电阻和磁珠而对那些易被ESD击中的电缆驱动器也可以考虑在驱动端放置串联的电

25、阻或磁珠名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - E17.通常在接收端放置瞬态保护器1. 用短而粗的线 (长度小于5 倍宽度最好小于 3 倍宽度 ) 连接到机箱地2. 从连接器出来的信号线和地线要直接接到瞬态保护器然后才能接电路的其它部分 E18.在连接器处或者离接收电路25mm(1.0英寸 ) 的范围内要放置滤波电容1. 用短而粗的线连接到机箱地或者接收电路地( 长度小于 5 倍宽度最好小于 3 倍宽度 )2. 信号线

26、和地线先连接到电容再连接到接收电路 E19.要确保信号线尽可能短 E20.信号线的长度大于300mm(12英寸 ) 时一定要平行布一条地线 E21.确保信号线和相应回路之间的环路面积尽可能小对于长信号线每隔几厘米或几英寸调换信号线和地线的位置来减小环路面积 E22.从网络的中心位置驱动信号进入多个接收电路 E23.确保电源和地之间的环路面积尽可能小在*近集成电路芯片每一个电源管脚的地方放置一个高频电容 E24.在距离每一个连接器80mm(3英寸 ) 范围以内放置一个高频旁路电容 E25.在可能的情况下要用地填充未使用的区域每隔 60mm 距离将所有层的填充地连接起来 E26.确保在任意大的地填

27、充区( 大约大于 256mm(1 0.25 英寸 ) 的两个相反端点位置处要与地连接 E27.电源或地平面上开口长度超过8mm(0.3 英寸 ) 时要用窄的线将开口的两侧连接起来 E28.复位线中断信号线或者边沿触发信号线不能布置在*近 PCB 边沿的地方 E29.将安装孔同电路公地连接在一起或者将它们隔离开来1. 金属支架必须和金属屏蔽装置或者机箱一起使用时要采用一个零欧姆电阻实现连接2. 确定安装孔大小来实现金属或者塑料支架的可*安装在安装孔顶层和底层上要采用大焊盘底层焊盘上不能采用阻焊剂并确保低层焊盘不采用波峰焊工艺焊接 E30.不能将受保护的信号线和不受保护的信号线并行排列 E31.要

28、特别注意复位中断和控制信号线的布线1. 要采用高频滤波2. 远离输入和输出电路3. 远离电路板边缘 E32.PCB要插入机箱内不要安装在开口位置或者内部接缝处 E33.要注意磁珠下焊盘之间可能接触到磁珠的信号线的布线有些磁珠导电性能相当好可能会产生意外的导电路径 E34.如果一个机箱或者主板要内装几个电路卡应该将对静电最敏感的电路卡放在最中间名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - 作者John R. Barnes 顾问工程师 Lexmark 国际公司名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - -