靜電放電(ESD)對PCB的影響

2022-09-22

靜電放電(ESD)對PCB的影響

靜電放電(ESD)會(huì )損壞PCB（印刷電路板）上的電子元件，甚至會(huì )損壞電路板本身。當絕緣體或未連接的導體積累正電荷或負電荷時(shí)，電荷量取決于絕緣體或導體的存儲電容，因為它與附近帶相反電荷的物體有關(guān)，所形成的靜電不能通過(guò)電動(dòng)勢轉移，使其無(wú)法轉移。平衡自己。

如果電路板組件之間的電容值沒(méi)有減小，就會(huì )發(fā)生這種情況。實(shí)際上，這種靜電沒(méi)有釋放路徑。如果存在導電路徑，則電荷要么快速放電，要么緩慢流失，具體取決于其中提供了多少電阻。但是，當放電迅速發(fā)生時(shí)，會(huì )產(chǎn)生稱(chēng)為ESD的現象，會(huì )對PCB和電子設備造成重大損壞。

靜電的來(lái)源

雖然靜電可以來(lái)自所有材料，但有些材料更容易受到負電荷的影響，而另一些則更容易受到正電荷的影響。例如，聚苯乙烯泡沫塑料和塑料等材料會(huì )產(chǎn)生負電荷，而人體皮膚和動(dòng)物皮毛會(huì )產(chǎn)生正電荷。產(chǎn)生多少電荷取決于材料可以存儲多少靜電。例如，人體的容量約為250皮法拉，大致相當于25 kV電動(dòng)勢的靜態(tài)存儲電荷。

電子電路和ESD

想象一下你在雷暴中看到的閃電，規模要小得多。這種微小的閃電量稱(chēng)為靜電放電 (ESD)。物理定律規定，電阻最小的路徑將導致大量電動(dòng)勢以電流形式流過(guò)它。通常，被釋放的電流通過(guò)金屬框架或底盤(pán)到達地面。

例如，當操作員在組裝PCB時(shí)，他或她身體所儲存的電荷可以通過(guò)金屬底盤(pán)或接地支架通過(guò)板上的電路放電。電流將嘗試通過(guò)幾條可用路徑到達地面。如果其中一條路徑恰好通過(guò)集成電路的PN結，電流將通過(guò)它，并在其尾跡中留下可見(jiàn)的孔。這是I2R損耗的結果，其中R是電阻，電流由I表示。如果電阻低，則允許電動(dòng)勢的高電流流動(dòng)。由于該材料無(wú)法散發(fā)大量產(chǎn)生的熱量，結果就是燒傷。

發(fā)生多少損壞取決于電動(dòng)勢通過(guò)電流攜帶的熱量。因此，并非每次充電都會(huì )對設備造成不可挽回的損壞。然而，當器件在典型操作期間受到壓力時(shí)，該放電造成的看似最小的損壞可能會(huì )完全破壞器件的操作。相同的推理適用于較小的冗余電荷在沒(méi)有耗散的情況下流動(dòng)的情況。隨著(zhù)時(shí)間的推移，它們會(huì )降低設備性能的內部結構和完整性。

靜電放電的性質(zhì)

ESD可以通過(guò)多種方式表現出來(lái)。最常見(jiàn)的方法是通過(guò)對人體觸摸敏感的設備。人體以及特定的服裝材料每個(gè)工作日可以存儲500到2,500伏特的靜電。這對于人類(lèi)感知來(lái)說(shuō)太低了，但足以損壞電子元件。

但人的觸摸并不是電流損壞印刷電路板組件的唯一方法。使用不接地的電氣設備（如示波器）對電路進(jìn)行故障排除、靠近塑料或聚苯乙烯泡沫塑料，甚至在電氣組件附近產(chǎn)生快速空氣運動(dòng)，都可能產(chǎn)生導致電氣損壞的電流。后者可能發(fā)生在例如電子設備靠近空氣處理系統、用風(fēng)扇對電子設備吹氣、甚至使用壓縮空氣清潔 PCB時(shí)。

在人類(lèi)收集靜電荷的情況下，它的載體是不知道的，它可以在PCB和帶電物體之間沒(méi)有物理接觸的情況下發(fā)生。

ESD引起的PCB損壞

當任何帶電荷的物體靠近PCB時(shí)，總是存在ESD的可能性。ESD發(fā)生的最大機會(huì )是物體接觸時(shí)，但充電點(diǎn)之間的距離以及兩側之間的電動(dòng)勢也是影響 ESD 發(fā)生機會(huì )的因素。

即使使用制造商內置的IC內的保護機制，ESD也可能無(wú)法避免。它造成的損害可以是兩種類(lèi)型之一：嚴重的或潛在的。設備因ESD而遭受的潛在損壞不太可能停止其運行，但會(huì )部分降低其性能。隨著(zhù)時(shí)間的推移，特別是在反復的潛在ESD損壞之后，設備的功能會(huì )越來(lái)越差，從而縮短其使用壽命。

裸露的PCB也可能遭受潛在的損壞，例如在從一條軌道到其接地的相鄰軌道的情況下。放電會(huì )使PCB上絕緣層的頂層炭化，從而將路徑的導電性降低到僅部分形成。這可能會(huì )導致電路在組裝后階段的性能下降。

嚴重或災難性的ESD引起的損壞會(huì )使設備永久損壞。這通?？梢酝ㄟ^(guò)性能測試來(lái)檢測。這種情況的唯一好處是，如此嚴重的損壞可以在PCB組裝過(guò)程的制造階段及早發(fā)現，因此它比在一段時(shí)間內通過(guò)潛在損壞造成的損壞成本更低，因為具有這種情況的產(chǎn)品可以通過(guò)檢驗和測試但未通過(guò)現場(chǎng)操作。

減輕ESD的設計

設計人員可以遵循一些標準實(shí)踐和方法來(lái)幫助減少ESD的可能性，保護PCB免受其災難性影響。

與其將組件放置在金屬連接器上，不如將它們放置在由受ESD影響較小的材料制成的焊盤(pán)上。

由于電纜與系統的連接和斷開(kāi)可能會(huì )導致ESD，因此在電路的輸入和輸出端口使用瞬態(tài)電壓抑制器或浪涌保護二極管可以減少ESD損壞。

使用接地層有助于將ESD旁路到地，避免它穿過(guò)PCB的有源組件的可能性。

寄生電感會(huì )阻礙保護電路足夠快地工作以防止ESD引起的損壞。減少影響的一種方法是減少行長(cháng)。

承載不同電壓的走線(xiàn)應有足夠的間距，尤其是在電壓較高的情況下。由于PCB絕緣材料可能沒(méi)有足夠的絕緣電阻，設計人員可能需要在PCB上包括氣隙或槽。

避免在PCB末端附近通向IC引腳的走線(xiàn)。由于操作員幾乎完全通過(guò)邊緣處理PCB，因此這些區域更容易受到ESD的影響。如果可能，電路板接地線(xiàn)應圍繞PCB外圍。

預防ESD的過(guò)程

通過(guò)過(guò)程預防ESD需要所有與之交互的人的意識以及對所有處理PCB及其包含的組件和存儲它們的人員的培訓。為防止靜電積聚，設備和人員的正確接地至關(guān)重要。這要求人員穿戴防靜電服裝（鞋、工作服、帽子等）。在處理PCB組件之前，應始終佩戴連接到地面的腕帶。

安裝金屬工作臺時(shí)需要格外小心。它們應接地到電氣接地系統，并在頂部有防靜電墊。防靜電接地材料串聯(lián)高阻值電阻，可將靜電荷帶走，保護人員免受意外觸電。這方面的更多信息和最佳實(shí)踐可以在NFPA-77中找到。

為確保接地系統正常工作，應進(jìn)行定期檢查。腕帶和地線(xiàn)的使用壽命有限，因此需要根據需要進(jìn)行檢查和更換。隨著(zhù)時(shí)間的推移，防靜電墊的表面往往會(huì )磨損，影響其電阻率，這意味著(zhù)它們應該定期更換。對于地板和地毯，還可以使用有助于消除靜電荷積聚的處理化合物。

尤其是在生產(chǎn)過(guò)程中限制合成材料的使用尤為重要，尤其是在材料檢驗、存儲設施及其容器、PCB組裝和測試區域以及包裝和運輸過(guò)程中。另一個(gè)重要的考慮因素是濕度水平。干燥的空氣更容易產(chǎn)生離子，允許更多的靜電荷積累，而潮濕的空氣有助于它們更容易消散。因此，那些有空調的區域也必須使用加濕器，以防止空氣過(guò)于干燥。

印刷電路板ESD總結

有時(shí)，PCB組裝車(chē)間的整個(gè)樓層都無(wú)法滿(mǎn)足上述條件和需求。在這些情況下，擁有一個(gè)可清晰識別和劃分的ESD保護區至關(guān)重要。當表面都與地面相連時(shí)，物體、人員和任何設備都對具有相似電位的ESD敏感。該區域應分開(kāi)，只有經(jīng)過(guò)培訓的工作人員以及負責進(jìn)行上述有效性檢查的人員才能進(jìn)入。