Kuinka estää ESD-virran virtaaminen piirilevyyn piirilevysuunnittelussa

Viime aikoina olemme tehneet elektroniikkatuotteiden ESD-testejä. Eri tuotteiden testituloksista olemme havainneet, että tämä ESD-testi on erittäin tärkeä: jos piirilevyn suunnittelu ei ole hyvä, staattinen sähkö voi aiheuttaa tuotteen kaatumisen tai jopa komponenttien vaurioitumisen. Aiemmin huomasin vain, että ESD vahingoittaa komponentteja, mutta en odottanut, että kiinnittäisimme tarpeeksi huomiota myös elektroniikkatuotteisiin.

ESD, joka tunnetaan myös nimellä sähköstaattinen purkaus. Opitun tiedon mukaan staattinen sähkö on luonnollinen ilmiö, joka syntyy yleensä sähkölaitteiden välisen kosketuksen, kitkan, induktion ja muiden menetelmien seurauksena. Sen ominaisuuksia ovat pitkäaikainen kertyminen, korkea jännite (voi tuottaa tuhansia tai jopa kymmeniä tuhansia voltteja staattista sähköä), pieni sähkömäärä, pieni virta ja lyhyt vaikutusaika. Elektroniikkatuotteiden osalta, jos ESD-suunnittelu ei ole hyvin tehty, elektroniikka- ja sähkötuotteet ovat usein epävakaita tai jopa vaurioituvat. ESD-purkaustestejä varten on yleensä kaksi menetelmää: kosketuspurkaus ja ilmapurkaus. Kosketuspurkaus on suora purkaus testattavaan laitteeseen; ilmapurkaus, joka tunnetaan myös epäsuorana purkauksena, johtuu voimakkaasta magneettikentän kytkeytymisestä viereiseen virtasilmukkaan. Näiden kahden testin testijännite on yleensä 2KV-8KV, ja eri alueilla on erilaiset vaatimukset. Siksi ennen suunnittelua on ymmärrettävä tuotteen kohdemarkkinat. Yllä mainitut kaksi tilannetta ovat elektroniikkatuotteiden perustestejä, joissa ihmiskeho koskettaa elektronisia tuotteita eikä voi toimia ihmiskehon sähköistymisen tai muiden syiden vuoksi. 

Maailman eri osissa kosteustilanne on erilainen, mutta samaan aikaan, jos ilmankosteus alueella on erilainen, myös syntyvä staattinen sähkö on erilainen. Seuraava taulukko näyttää kerätyt tiedot, joista voimme nähdä, että staattinen sähkö lisääntyy ilmankosteuden laskiessa. Tämä selittää myös epäsuorasti, miksi Pohjois-Kiinassa talvella karvoja poistettaessa syntyy suuria staattisen sähkön kipinöitä. Koska staattinen sähkö on niin haitallista, miten meidän tulisi suojata sitä? Sähköstaattisen suojauksen suunnittelussa on yleensä kolme vaihetta: estämme ulkoisen varauksen virtaamisen piirilevyyn ja sen aiheuttamien vaurioiden; estämme ulkoisen magneettikentän vahingoittamasta piirilevyä; estämme sähköstaattisen kentän aiheuttamat vaarat.

Todellisessa piirilevysuunnittelussa käytämme yhtä tai useampaa seuraavista menetelmistä staattisen sähkön suojaamiseksi: 

 1. Lumivyörydiodi staattisen sähkön suojaamiseksi :  Tämä on myös yleinen suunnittelussa käytetty menetelmä. Tyypillinen menetelmä on kytkeä lumivyörydiodi rinnan maahan tärkeimmissä signaalilinjoissa. Tässä menetelmässä hyödynnetään lumivyörydiodin nopeaa vasteaikaa ja vakaata kiinnityskykyä, jotka voivat kuluttaa kertyneen korkeajännitteen lyhyessä ajassa piirilevyn suojaamiseksi. 

 2. Piirin suojaus korkeajännitekondensaattorilla :  Tässä lähestymistavassa I/O-liittimiin tai avainsignaalipaikkoihin sijoitetaan yleensä keraamisia kondensaattoreita, joiden kestojännite on vähintään 1,5 kV, ja johdot pidetään mahdollisimman lyhyinä johtimien induktanssin vähentämiseksi. Jos käytetään matalajännitteisiä kondensaattoreita, ne vahingoittavat kondensaattoreita ja menettävät suojaustehonsa. 

 3. Käytä ferriittihelmiä piirin suojaukseen :  Ferriittihelmet voivat vaimentaa ESD-virtaa ja säteilyä. Kahden ongelman edessä ferriittihelmet ovat hyvä valinta. 

 4. Kipinävälimenetelmä :  Tämä menetelmä voidaan nähdä yhtenäisessä materiaalissa. Tarkempi menetelmä on, että kuparilevystä koostuva mikroliuskakerros koostuu kolmionmuotoisesta kuparilevystä, jonka kärjet ovat linjassa keskenään. Kolmionmuotoisen kuparilevyn toinen pää on kytketty signaalilinjaan ja toinen pää maahan. Staattisen sähkön esiintyessä kärkien purkaukset kuluttavat sähköenergiaa. 

 5. Käytä LC-suodatinta piirin suojaamiseen :  LC-suodatin voi tehokkaasti vähentää korkeataajuista staattista sähköä piiriin pääsemässä. Induktanssin reaktanssi voi hyvin estää korkeataajuisen ESD:n pääsyn piiriin, kun taas kondensaattori ohjaa ESD:n korkeataajuisen energian maahan. Samalla tämäntyyppinen suodatin voi tasoittaa signaalin reunaa, vähentää radiotaajuuksien vaikutusta ja parantaa signaalin eheyttä entisestään. 

 6. Monikerroksisen piirilevyn ESD-suojaus :  Monikerroksisen levyn valitseminen on myös tehokas tapa estää ESD, kun varat sen sallivat. Monikerroksisissa piirilevyissä johdotuksen lähellä on täydelliset maatasot, jotka mahdollistavat ESD:n nopeamman kytkennän matalaimpedanssisiin tasoihin, mikä suojaa keskeisiä signaaleja. 

 7. Suojateipin kiinnitystapa piirilevyn piirilevyn ympärille :  Tätä menetelmää käytetään yleensä johdotuksen vetämiseen ilman kokoonpanoa ja juottamista piirilevyn ympärille. Jos olosuhteet sallivat, kytke johdotus kuoreen. Samalla on varmistettava, ettei muodostu suljettua silmukkaa, jotta rengasantenni ei aiheuta lisää ongelmia. 

 8. Piirin suojaus CMOS- tai TTL-laitteilla, joissa on lukkiutumisdiodit :  Tässä menetelmässä käytetään eristysperiaatetta piirilevyn suojaamiseen. Koska näissä laitteissa on lukkiutumisdiodisuojaus, se vähentää suunnittelun monimutkaisuutta varsinaisessa piirisuunnittelussa. 

 9. Käytä usein irrotuskondensaattoreita :  Näiden irrotuskondensaattoreiden ESL- ja ESR-arvojen tulisi olla alhaiset. Matalataajuisten ESD-irrotuskondensaattoreiden tapauksessa pienennä silmukan pinta-alaa.