静電(diàn)放電(diàn)(ESD)对PCB的影响

2022-09-22

静電(diàn)放電(diàn)(ESD)对PCB的影响

静電(diàn)放電(diàn)(ESD)会损坏PCB（印刷電(diàn)路板）上的電(diàn)子元件，甚至会损坏電(diàn)路板本身。当绝缘體(tǐ)或未连接的导體(tǐ)积累正電(diàn)荷或负電(diàn)荷时，電(diàn)荷量取决于绝缘體(tǐ)或导體(tǐ)的存储電(diàn)容，因為(wèi)它与附近带相反電(diàn)荷的物(wù)體(tǐ)有(yǒu)关，所形成的静電(diàn)不能(néng)通过電(diàn)动势转移，使其无法转移。平衡自己。

如果電(diàn)路板组件之间的電(diàn)容值没有(yǒu)减小(xiǎo)，就会发生这种情况。实际上，这种静電(diàn)没有(yǒu)释放路径。如果存在导電(diàn)路径，则電(diàn)荷要么快速放電(diàn)，要么缓慢流失，具體(tǐ)取决于其中提供了多(duō)少電(diàn)阻。但是，当放電(diàn)迅速发生时，会产生称為(wèi)ESD的现象，会对PCB和電(diàn)子设备造成重大损坏。

静電(diàn)的来源

虽然静電(diàn)可(kě)以来自所有(yǒu)材料，但有(yǒu)些材料更容易受到负電(diàn)荷的影响，而另一些则更容易受到正電(diàn)荷的影响。例如，聚苯乙烯泡沫塑料和塑料等材料会产生负電(diàn)荷，而人體(tǐ)皮肤和动物(wù)皮毛会产生正電(diàn)荷。产生多(duō)少電(diàn)荷取决于材料可(kě)以存储多(duō)少静電(diàn)。例如，人體(tǐ)的容量约為(wèi)250皮法拉，大致相当于25 kV電(diàn)动势的静态存储電(diàn)荷。

電(diàn)子電(diàn)路和ESD

想象一下你在雷暴中看到的闪電(diàn)，规模要小(xiǎo)得多(duō)。这种微小(xiǎo)的闪電(diàn)量称為(wèi)静電(diàn)放電(diàn) (ESD)。物(wù)理(lǐ)定律规定，電(diàn)阻最小(xiǎo)的路径将导致大量電(diàn)动势以電(diàn)流形式流过它。通常，被释放的電(diàn)流通过金属框架或底盘到达地面。

例如，当操作员在组装PCB时，他(tā)或她身體(tǐ)所储存的電(diàn)荷可(kě)以通过金属底盘或接地支架通过板上的電(diàn)路放電(diàn)。電(diàn)流将尝试通过几条可(kě)用(yòng)路径到达地面。如果其中一条路径恰好通过集成電(diàn)路的PN结，電(diàn)流将通过它，并在其尾迹中留下可(kě)见的孔。这是I2R损耗的结果，其中R是電(diàn)阻，電(diàn)流由I表示。如果電(diàn)阻低，则允许電(diàn)动势的高電(diàn)流流动。由于该材料无法散发大量产生的热量，结果就是烧伤。

发生多(duō)少损坏取决于電(diàn)动势通过電(diàn)流携带的热量。因此，并非每次充電(diàn)都会对设备造成不可(kě)挽回的损坏。然而，当器件在典型操作期间受到压力时，该放電(diàn)造成的看似最小(xiǎo)的损坏可(kě)能(néng)会完全破坏器件的操作。相同的推理(lǐ)适用(yòng)于较小(xiǎo)的冗余電(diàn)荷在没有(yǒu)耗散的情况下流动的情况。随着时间的推移，它们会降低设备性能(néng)的内部结构和完整性。

静電(diàn)放電(diàn)的性质

ESD可(kě)以通过多(duō)种方式表现出来。最常见的方法是通过对人體(tǐ)触摸敏感的设备。人體(tǐ)以及特定的服装材料每个工作日可(kě)以存储500到2,500伏特的静電(diàn)。这对于人类感知来说太低了，但足以损坏電(diàn)子元件。

但人的触摸并不是電(diàn)流损坏印刷電(diàn)路板组件的唯一方法。使用(yòng)不接地的電(diàn)气设备（如示波器）对電(diàn)路进行故障排除、靠近塑料或聚苯乙烯泡沫塑料，甚至在電(diàn)气组件附近产生快速空气运动，都可(kě)能(néng)产生导致電(diàn)气损坏的電(diàn)流。后者可(kě)能(néng)发生在例如電(diàn)子设备靠近空气处理(lǐ)系统、用(yòng)风扇对電(diàn)子设备吹气、甚至使用(yòng)压缩空气清洁 PCB时。

在人类收集静電(diàn)荷的情况下，它的载體(tǐ)是不知道的，它可(kě)以在PCB和带電(diàn)物(wù)體(tǐ)之间没有(yǒu)物(wù)理(lǐ)接触的情况下发生。

ESD引起的PCB损坏

当任何带電(diàn)荷的物(wù)體(tǐ)靠近PCB时，总是存在ESD的可(kě)能(néng)性。ESD发生的最大机会是物(wù)體(tǐ)接触时，但充電(diàn)点之间的距离以及两侧之间的電(diàn)动势也是影响 ESD 发生机会的因素。

即使使用(yòng)制造商(shāng)内置的IC内的保护机制，ESD也可(kě)能(néng)无法避免。它造成的损害可(kě)以是两种类型之一：严重的或潜在的。设备因ESD而遭受的潜在损坏不太可(kě)能(néng)停止其运行，但会部分(fēn)降低其性能(néng)。随着时间的推移，特别是在反复的潜在ESD损坏之后，设备的功能(néng)会越来越差，从而缩短其使用(yòng)寿命。

裸露的PCB也可(kě)能(néng)遭受潜在的损坏，例如在从一条轨道到其接地的相邻轨道的情况下。放電(diàn)会使PCB上绝缘层的顶层炭化，从而将路径的导電(diàn)性降低到仅部分(fēn)形成。这可(kě)能(néng)会导致電(diàn)路在组装后阶段的性能(néng)下降。

严重或灾难性的ESD引起的损坏会使设备永久损坏。这通常可(kě)以通过性能(néng)测试来检测。这种情况的唯一好处是，如此严重的损坏可(kě)以在PCB组装过程的制造阶段及早发现，因此它比在一段时间内通过潜在损坏造成的损坏成本更低，因為(wèi)具有(yǒu)这种情况的产品可(kě)以通过检验和测试但未通过现场操作。

减轻ESD的设计

设计人员可(kě)以遵循一些标准实践和方法来帮助减少ESD的可(kě)能(néng)性，保护PCB免受其灾难性影响。

与其将组件放置在金属连接器上，不如将它们放置在由受ESD影响较小(xiǎo)的材料制成的焊盘上。

由于電(diàn)缆与系统的连接和断开可(kě)能(néng)会导致ESD，因此在電(diàn)路的输入和输出端口使用(yòng)瞬态電(diàn)压抑制器或浪涌保护二极管可(kě)以减少ESD损坏。

使用(yòng)接地层有(yǒu)助于将ESD旁路到地，避免它穿过PCB的有(yǒu)源组件的可(kě)能(néng)性。

寄生電(diàn)感会阻碍保护電(diàn)路足够快地工作以防止ESD引起的损坏。减少影响的一种方法是减少行長(cháng)。

承载不同電(diàn)压的走線(xiàn)应有(yǒu)足够的间距，尤其是在電(diàn)压较高的情况下。由于PCB绝缘材料可(kě)能(néng)没有(yǒu)足够的绝缘電(diàn)阻，设计人员可(kě)能(néng)需要在PCB上包括气隙或槽。

避免在PCB末端附近通向IC引脚的走線(xiàn)。由于操作员几乎完全通过边缘处理(lǐ)PCB，因此这些區(qū)域更容易受到ESD的影响。如果可(kě)能(néng)，電(diàn)路板接地線(xiàn)应围绕PCB外围。

预防ESD的过程

通过过程预防ESD需要所有(yǒu)与之交互的人的意识以及对所有(yǒu)处理(lǐ)PCB及其包含的组件和存储它们的人员的培训。為(wèi)防止静電(diàn)积聚，设备和人员的正确接地至关重要。这要求人员穿戴防静電(diàn)服装（鞋、工作服、帽子等）。在处理(lǐ)PCB组件之前，应始终佩戴连接到地面的腕带。

安装金属工作台时需要格外小(xiǎo)心。它们应接地到電(diàn)气接地系统，并在顶部有(yǒu)防静電(diàn)垫。防静電(diàn)接地材料串联高阻值電(diàn)阻，可(kě)将静電(diàn)荷带走，保护人员免受意外触電(diàn)。这方面的更多(duō)信息和最佳实践可(kě)以在NFPA-77中找到。

為(wèi)确保接地系统正常工作，应进行定期检查。腕带和地線(xiàn)的使用(yòng)寿命有(yǒu)限，因此需要根据需要进行检查和更换。随着时间的推移，防静電(diàn)垫的表面往往会磨损，影响其電(diàn)阻率，这意味着它们应该定期更换。对于地板和地毯，还可(kě)以使用(yòng)有(yǒu)助于消除静電(diàn)荷积聚的处理(lǐ)化合物(wù)。

尤其是在生产过程中限制合成材料的使用(yòng)尤為(wèi)重要，尤其是在材料检验、存储设施及其容器、PCB组装和测试區(qū)域以及包装和运输过程中。另一个重要的考虑因素是湿度水平。干燥的空气更容易产生离子，允许更多(duō)的静電(diàn)荷积累，而潮湿的空气有(yǒu)助于它们更容易消散。因此，那些有(yǒu)空调的區(qū)域也必须使用(yòng)加湿器，以防止空气过于干燥。

印刷電(diàn)路板ESD总结

有(yǒu)时，PCB组装車(chē)间的整个楼层都无法满足上述条件和需求。在这些情况下，拥有(yǒu)一个可(kě)清晰识别和划分(fēn)的ESD保护區(qū)至关重要。当表面都与地面相连时，物(wù)體(tǐ)、人员和任何设备都对具有(yǒu)相似電(diàn)位的ESD敏感。该區(qū)域应分(fēn)开，只有(yǒu)经过培训的工作人员以及负责进行上述有(yǒu)效性检查的人员才能(néng)进入。