PCB layout設(shè)計(jì)如何防范ESD技巧盤點(diǎn)
PCB layout設(shè)計(jì)如何防范ESD技巧盤點(diǎn)
ESD，也就是我們常說的靜電釋放（Electro-Stac discharge）。從學(xué)習(xí)過的知識中可以知道，靜電是一種自然現(xiàn)象，通常通過接觸、摩擦、電器間感應(yīng)等方式產(chǎn)生，其特點(diǎn)是長時(shí)間積聚、高電壓（可以產(chǎn)生幾千伏甚至上萬伏的靜電）、低電量、小電流和作用時(shí)間短的特點(diǎn)。對于電子產(chǎn)品來說，PCB layout設(shè)計(jì)中如果ESD設(shè)計(jì)沒有設(shè)計(jì)好，常常造成電子電器產(chǎn)品運(yùn)行不穩(wěn)定。
ESD（靜電放電）對電子產(chǎn)品造成的破壞和損傷有突發(fā)性損傷和潛在性損傷兩種。所謂突發(fā)性損傷，指的是器件被嚴(yán)重?fù)p壞，功能喪失。這種損傷通常能夠在生產(chǎn)過程中的質(zhì)量檢測中能夠發(fā)現(xiàn)，因此給工廠帶來的主要是返工維修的成本。而潛在性損傷指的是器件部分被損，功能尚未喪失，且在電路板生產(chǎn)過程的檢測中不能發(fā)現(xiàn)，但在使用當(dāng)中會使產(chǎn)品變得不穩(wěn)定，時(shí)好時(shí)壞，因而對產(chǎn)品質(zhì)量構(gòu)成更大的危害。這兩種損傷中，潛在性失效占據(jù)了90%，突發(fā)性失效只占10%。也就是說90%的靜電損傷是沒辦法檢測到，只有到了用戶手里使用時(shí)才會發(fā)現(xiàn)。手機(jī)出現(xiàn)的經(jīng)常死機(jī)、自動關(guān)機(jī)、話音質(zhì)量差、雜音大、信號時(shí)好時(shí)差、按鍵出錯等問題有絕大多數(shù)與靜電損傷相關(guān)。也因?yàn)檫@一點(diǎn)，靜電放電被認(rèn)為是電子產(chǎn)品質(zhì)量最大的潛在殺手，靜電防護(hù)也成為電子產(chǎn)品質(zhì)量控制的一項(xiàng)重要內(nèi)容。而國內(nèi)外品牌手機(jī)使用時(shí)穩(wěn)定性的差異也基本上反映了他們在靜電防護(hù)及產(chǎn)品的防靜電設(shè)計(jì)上的差異。
PCB板這種電子產(chǎn)品，若研發(fā)技術(shù)上沒有問題，一旦出現(xiàn)故障，多半與ESD靜電有關(guān)。眾所周知，ESD靜電無處不在，對于一些微小的電子元件，只要被靜電擊穿，那么整個(gè)生產(chǎn)線也將面臨崩潰。到底靜電對電子元件有什么樣的影響呢？
靜電的基本物理特性為以下三種：吸引或排斥，與大地有電位差，會產(chǎn)生放電電流。這 三種特性對電子元件的影響：
靜電吸附灰塵，降低元器件絕緣電阻，從而縮短元件壽命。
靜電放電或電流產(chǎn)生的熱，使元器件受到潛在損傷。
靜電放電產(chǎn)生的電磁場幅度很大且頻譜極寬，對電子器件造成干擾甚至損壞。
靜電放電破壞，使元器件受損壞不能工作。
由此可見，ESD靜電危害無法估量，企業(yè)應(yīng)做好全面防護(hù)工作以預(yù)防ESD靜電危害帶來的損失。
1、 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(gè)信號層都緊靠一個(gè)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。
2、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。
3、確保每一個(gè)電路盡可能緊湊。
4、盡可能將所有連接器都放在一邊。
5、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。
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。
7、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。
8、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。
9、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。
10、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。
11、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。
12、要以下列方式在電路周圍設(shè)置一個(gè)環(huán)形地：
（1）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。
（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(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。信號布線離環(huán)形地的距離不能小于0.5mm。
13、在能被ESD直接擊中的區(qū)域，每一個(gè)信號線附近都要布一條地線。
14、I/O電路要盡可能靠近對應(yīng)的連接器。
15、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。
16、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。
17、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。
PCB layout設(shè)計(jì)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。
18、PCB layout設(shè)計(jì)時(shí)要確保信號線盡可能短。
19、信號線的長度大于300mm時(shí)，一定要平行布一條地線。
20、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。
21、從網(wǎng)絡(luò)的中心位置驅(qū)動信號進(jìn)入多個(gè)接收電路。
22、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。
23、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。
24、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。
25、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。
26、確保在任意大的地填充區(qū)（大約大于25mm&mes;6mm）的兩個(gè)相反端點(diǎn)位置處要與地連接。
27、電源或地平面上開口長度超過8mm時(shí)，要用窄的線將開口的兩側(cè)連接起來。
28、layout設(shè)計(jì)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(shí)，要采用一個(gè)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。
29、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。
30、layout設(shè)計(jì)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。
31、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。
32、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。
33、如果一個(gè)機(jī)箱或者主板要內(nèi)裝幾個(gè)電路板，應(yīng)該將對靜電最敏感的電路板放在最中間。
ESD，也就是我們常說的靜電釋放（Electro-Stac discharge）。從學(xué)習(xí)過的知識中可以知道，靜電是一種自然現(xiàn)象，通常通過接觸、摩擦、電器間感應(yīng)等方式產(chǎn)生，其特點(diǎn)是長時(shí)間積聚、高電壓（可以產(chǎn)生幾千伏甚至上萬伏的靜電）、低電量、小電流和作用時(shí)間短的特點(diǎn)。對于電子產(chǎn)品來說，PCB layout設(shè)計(jì)中如果ESD設(shè)計(jì)沒有設(shè)計(jì)好，常常造成電子電器產(chǎn)品運(yùn)行不穩(wěn)定。
ESD（靜電放電）對電子產(chǎn)品造成的破壞和損傷有突發(fā)性損傷和潛在性損傷兩種。所謂突發(fā)性損傷，指的是器件被嚴(yán)重?fù)p壞，功能喪失。這種損傷通常能夠在生產(chǎn)過程中的質(zhì)量檢測中能夠發(fā)現(xiàn)，因此給工廠帶來的主要是返工維修的成本。而潛在性損傷指的是器件部分被損，功能尚未喪失，且在電路板生產(chǎn)過程的檢測中不能發(fā)現(xiàn)，但在使用當(dāng)中會使產(chǎn)品變得不穩(wěn)定，時(shí)好時(shí)壞，因而對產(chǎn)品質(zhì)量構(gòu)成更大的危害。這兩種損傷中，潛在性失效占據(jù)了90%，突發(fā)性失效只占10%。也就是說90%的靜電損傷是沒辦法檢測到，只有到了用戶手里使用時(shí)才會發(fā)現(xiàn)。手機(jī)出現(xiàn)的經(jīng)常死機(jī)、自動關(guān)機(jī)、話音質(zhì)量差、雜音大、信號時(shí)好時(shí)差、按鍵出錯等問題有絕大多數(shù)與靜電損傷相關(guān)。也因?yàn)檫@一點(diǎn)，靜電放電被認(rèn)為是電子產(chǎn)品質(zhì)量最大的潛在殺手，靜電防護(hù)也成為電子產(chǎn)品質(zhì)量控制的一項(xiàng)重要內(nèi)容。而國內(nèi)外品牌手機(jī)使用時(shí)穩(wěn)定性的差異也基本上反映了他們在靜電防護(hù)及產(chǎn)品的防靜電設(shè)計(jì)上的差異。
PCB板這種電子產(chǎn)品，若研發(fā)技術(shù)上沒有問題，一旦出現(xiàn)故障，多半與ESD靜電有關(guān)。眾所周知，ESD靜電無處不在，對于一些微小的電子元件，只要被靜電擊穿，那么整個(gè)生產(chǎn)線也將面臨崩潰。到底靜電對電子元件有什么樣的影響呢？
靜電的基本物理特性為以下三種：吸引或排斥，與大地有電位差，會產(chǎn)生放電電流。這 三種特性對電子元件的影響：
靜電吸附灰塵，降低元器件絕緣電阻，從而縮短元件壽命。
靜電放電或電流產(chǎn)生的熱，使元器件受到潛在損傷。
靜電放電產(chǎn)生的電磁場幅度很大且頻譜極寬，對電子器件造成干擾甚至損壞。
靜電放電破壞，使元器件受損壞不能工作。
由此可見，ESD靜電危害無法估量，企業(yè)應(yīng)做好全面防護(hù)工作以預(yù)防ESD靜電危害帶來的損失。
1、 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(gè)信號層都緊靠一個(gè)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。
2、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。
3、確保每一個(gè)電路盡可能緊湊。
4、盡可能將所有連接器都放在一邊。
5、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。
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。
7、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。
8、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。
9、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。
10、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。
11、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。
12、要以下列方式在電路周圍設(shè)置一個(gè)環(huán)形地：
（1）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。
（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(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。信號布線離環(huán)形地的距離不能小于0.5mm。
13、在能被ESD直接擊中的區(qū)域，每一個(gè)信號線附近都要布一條地線。
14、I/O電路要盡可能靠近對應(yīng)的連接器。
15、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。
16、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。
17、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。
PCB layout設(shè)計(jì)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。
18、PCB layout設(shè)計(jì)時(shí)要確保信號線盡可能短。
19、信號線的長度大于300mm時(shí)，一定要平行布一條地線。
20、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。
21、從網(wǎng)絡(luò)的中心位置驅(qū)動信號進(jìn)入多個(gè)接收電路。
22、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。
23、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。
24、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。
25、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。
26、確保在任意大的地填充區(qū)（大約大于25mm&mes;6mm）的兩個(gè)相反端點(diǎn)位置處要與地連接。
27、電源或地平面上開口長度超過8mm時(shí)，要用窄的線將開口的兩側(cè)連接起來。
28、layout設(shè)計(jì)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(shí)，要采用一個(gè)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。
29、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。
30、layout設(shè)計(jì)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。
31、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。
32、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。
33、如果一個(gè)機(jī)箱或者主板要內(nèi)裝幾個(gè)電路板，應(yīng)該將對靜電最敏感的電路板放在最中間。
