pcb设计的esd抑止准则

时间：2014-08-03 20:50:53

关键字： ESD PCB设计接地 TIMES

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[导读]PCB 设计的ESD抑止准则PCB布线是ESD防护的一个关键要素，合理的PCB 设计可以减少故障检查及返工所带来的不必要成本。在PCB 设计中，由於采用了瞬态电压抑止器(TVS)二极体来

PCB 设计的ESD抑止准则

PCB布线是ESD防护的一个关键要素，合理的PCB 设计可以减少故障检查及返工所

带来的不必要成本。在PCB 设计中，由於采用了瞬态电压抑止器(TVS)二极体来抑止

因ESD 放电产生的直接电荷注入，因此PCB 设计中更重要的是克服放电电流产生的

电磁干扰(EMI)电磁场效应。本文将提供可以优化ESD 防护的PCB 设计准则。

电路环路

电流通过感应进入到电路环路，这些环路是封闭的，并具有变化的磁通量。电流的幅度与环的面积成正比。较大的环路包含有较多的磁通量，因而在电路中感应出较强的电流。因此，必须减少环路面积。

最常见的环路如图1 所示，由电源和地线所形成。在可能的条件下，可以采用具有电源及接地层的多层PCB 设计。多层电路板不仅将电源和接地间的回路面积减到最小，而且也减小了ESD 脉冲产生的高频EMI 电磁场。

如果不能采用多层电路板，那麽用於电源线和接地的线必须连接成如图2 所示的网格状。网格连接可以起到电源和接地层的作用，用过孔连接各层的印制线，在每个方向上过孔连接间隔应该在6 厘米内。另外，在布线时，将电源和接地印制线尽可能靠近也可以降低环路面积，如图3 所示。

减少环路面积及感应电流的另一个方法是减小互连器件间的平行通路，见图4。

当必须采用长於30 厘米的信号连接线时，可以采用保护线，如图5 所示。一个更好的办法是在信号线附近放置地层。信号线应该距保护线或接地线层13 毫米以内。

如图6 所示，将每个敏感元件的长信号线(>30 厘米)或电源线与其接地线进行交叉布置。交叉的连线必须从上到下或从左到右的规则间隔布置。

电路连线长度

长的信号线也可成为接收ESD 脉冲能量的天线，尽量使用较短信号线可以降低信号线作为接收ESD 电磁场天线的效率。

尽量将互连的器件放在相邻位置，以减少互连的印制线长度。

地电荷注入

ESD 对地线层的直接放电可能损坏敏感电路。在使用TVS 二极体的同时还要使用一个或多个高频旁路电容器，这些电容器放置在易损元件的电源和地之间。旁路电容减少了电荷注入，保持了电源与接地埠的电压差。

TVS 使感应电流分流，保持TVS 钳位元电压的电位差。TVS及电容器应放在距被保护的IC 尽可能近的位置(见图7)，要确保TVS 到地通路以及电容器管脚长度为最短，以减少寄生电感效应。

连接器必须安装到PCB 上的铜铂层。理想情况下，铜铂层必须与PCB 的接地层隔离，通过短线与焊盘连接。

PCB 设计的其他准则

1. 避免在PCB 边缘安排重要的信号线，如时钟和重定信号等;

2. 将PCB 上未使用的部分设置为接地面;

3. 机壳地线与信号线间隔至少为4 毫米;

4. 保持机壳地线的长宽比小於5:1，以减少电感效应;

5. 用TVS 二极体来保护所有的外部连接;

保护电路中的寄生电感

TVS 二极体通路中的寄生电感在发生ESD 事件时会产生严重的电压过冲。尽管使用了TVS 二极体，由於在电感负载两端的感应电压VL=L×di/dt，过高的过冲电压仍然可能超过被保护IC 的损坏电压阈值。

保护电路承受的总电压是TVS 二极体钳位元电压与寄生电感产生的电压之和，VT=VC+VL。一个ESD 瞬态感应电流在小於1ns 的时间内就能达到峰值(依据IEC 61000-4-2 标准)，假定引线电感为每英寸20nH，线长为四分之一英寸，过冲电压将是50V/10A 的脉冲。经验设计准则是将分流通路设计得尽可能短，以此减少寄生电感效应。

所有的电感性通路必须考虑采用接地回路，TVS 与被保护信号线之间的通路，以及连接器到TVS 器件的通路。被保护的信号线应该直接连接到接地面，若无接地面，则接地回路的连线应尽可能短。TVS 二极体的接地和被保护电路的接地点之间的距离应尽可能短，以减少接地平面的寄生电感。

最後，TVS 器件应该尽可能靠近连接器以减少进入附近线路的瞬态耦合。虽然没有到达连接器的直接通路，但这种二次辐射效应也会导致电路板其他部分的工作紊乱。

防静电超净面料--导电纤维

导电纤维是防静电超净面料中的关键原料，它的性能好坏，一方面决定了面料的防静电性能;另一方面也与面料的发尘量有关。导电纤维的发展迄今为止已经经历了三个阶段：第一阶段是金属纤维阶段。金属纤维导电性能好，耐热、耐化学腐蚀。但对於纺织品而言，金属纤维抱合力小，纺纱性能差，成品着色性差，手感差，因此只适用於织成T/C面料，在油田、化工厂等易燃、易爆行业做工作服用。第二阶段是表面渗碳型有机导电纤维，其代表产品为 BASF公司Resistat。通过表面渗碳的方式将导电的碳粉加入到已成型的尼龙表面，其特点是表面电阻比较低，但导电的碳粉易受摩擦和洗涤等影响而从尼龙表面脱落，从而使面料的导电性能逐渐降低。同时，脱落下来的导电的碳粉既是洁净室中的灰尘，又会对电子产品造成伤害。第三阶段是复合纺丝型有机导电纤维(第二代有机导电纤维)，其代表产品为日本锺纺公司的Belltron，特别是锺纺公司最新开发的9R、BR系列。复合纺丝型有机导电纤维是将导电的碳粉与熔融状的基体材料充分混合後，经特殊的喷丝孔与基体材料复合成纤，形成了双组份的导电纤维。其产品特性表现为不会因为摩擦、洗涤而致使碳粒子脱落，具有良好的耐洗、抗弯曲、耐磨损等性能。目前国内生产防静电超净面料大部分选用的是BASF公司的Resistat，但在Class 10000以上的洁净环境中，渗碳型纤维是不适用的，只能选用复合纺丝型导电纤维。如同样是复合纺丝型导电纤维，比较其组织结构，碳与基体材料熔融混合後完整地包覆在纤维外层的(如Kanebo Belltron 9R1、BR1)导电纤维，因为具有最大的导电表面积，其导电性能最佳，也应成为防静电超净面料的首选。另外，导电纤维的孔数(D数)以及导电纤维的并丝加工状况也对导电纤维的性能有很大影响。同种结构的导电纤维，孔数越多，导电表面积越大，导电性能也就越强。同一种导电纤维，在不同的设备上进行复合(并丝)其效果是不一样的。在高倍放大镜下我们可以看到有些防静电超净面料中导电丝浮在布面上，这是因为导电丝复合时张力控制不均匀造成的。浮在面上的导电丝很容易被勾断，继而会从面料中脱落，既影响导电性能，又破坏洁净度。因此，应尽可能选择原厂并丝的导电纤维。[!--empirenews.page--]

各种具有防静电功能面料的特点

防静电,洁净面料

也叫"导电绸"，采用涤纶为主体，专用涤纶长丝与高性能永久性导电纤维经特殊工艺织造而成，经向嵌织或经、纬向嵌织导电纤维。用此种面料经特殊缝纫工艺制成的服装具有优良的防静电防尘性能，具有高效、永久的防静电、防尘性能和柔软、薄滑、织纹清晰的特点，主要用於制作防尘服装、防静电服装，达到电晕放电或泄漏放电效果，不同规格的面料适应於不同防静电或洁净环境中，例如100D×100D条导电绸适用于1万级-30万级洁净要求环境75D×100D小方格，75D×75D小方格;75D×75D条适用於1000级无尘环境要求。

适用范围：应用医疗、制药、食品、精密仪器、航空航太等对静电比较敏

感和对洁净度要求较高的行业。

执行标准：GB12059-89

带电荷量：<0.6μC/件

导电丝规格：10MM条纹5MM条纹10MM网格5MM网格2.5MM网格

防静电超净面料

采用专用涤纶长丝，经向纬向嵌织导电纤维，经特殊工艺加工制成，不仅有优良的防静电功能，还可有效防止织物纤维脱落，以及微细粉尘颗粒从织物缝隙中的渗出，并具有不受环境影响(耐高温)、化学性能稳定(耐洗涤)等特性。产品规格为68D×75D格，适用於10级到100级的洁净室广泛应用微电子、光电，精密仪器、航空航太等对静电比较敏感和对洁净度要求较高的行业。

执行标准：GB12059-89

带电荷量：<0.6μC/件

防静电针织面料

利用系列导电纤维与专用涤纶长丝经针织加工而成。防静电针织面料不仅能消除静电而且不发尘，还兼有普通针织面料透气、保暖、手感舒适的特性，是新一代符合人体健康要求的防静电面料。

适用范围：常用於加工防静电手套、防静电内衣。

防静电防尘面料

在涤绵短纤细支纱面料中等间距织入导电纤维(间距1.2cm)，经特殊工艺整理而成，其织物密度大於普通织物，具有防静电、防燃爆的功能。此种面料结实耐磨、柔软舒适、吸湿透气，可加工成各种

高档防静电棉工作服，适用于储运、化工、煤气、石油、煤矿、海运、宇航、军工等易燃易爆的作业环境。

执行标准:GB12056-2000

除尘效率:≥95%

沾尘量:≤150

带电荷量:<0.6μC/件