电路板设计抗ESD规则（一）

TaylorA

ESD靜電問題終極解決方案

靜電是人們非常熟悉的一種自然現象。靜電的許多功能已經應用到軍工或民用産品中，如靜電除塵、靜電噴塗、靜電分離、靜電複印等。然而，靜電放電ESD（Electro-Static Discharge）卻又成爲電子産品和設備的一種危害，造成電子産品和設備的功能紊亂甚至部件損壞。現代半導體器件的規模越來越大，工作電壓越來越低，導致了半導體器件對外界電磁騷擾敏感程度也大大提高。ESD對於電路引起的干擾、對元器件、CMOS電路及介面電路造成的破壞等問題越來越引起人們的重視。電子設備的ESD也開始作爲電磁相容性測試的一項重要內容寫入國家標準和國際標準。
; X# o$ q: u8 M3 ?1 l7 q1.靜電成因及其危害
    靜電是兩種介電係數不同的物質磨擦時，正負極性的電荷分別積累在兩個特體上而形成。當兩個物體接觸時，其中一個趨從於另一個吸引電子，因而二者會形成不同的充電電位。就人體而言，衣服與皮膚之間的磨擦發生的靜電是人體帶電的主要因之一。
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    靜電源與其他物體接觸時，依據電荷中和的機理存在著電荷流動，傳送足夠的電量以抵消電壓。在高速電量的傳送過程中，將産生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場，嚴重時將其中物體擊毀，這就是靜電放電。國家標準中定義：靜電放電是具有不同靜電電位的特體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉移（GB/T4365-1995），一般用ESD表示。ESD會導致電子設備嚴重損壞或操作失常。
# O1 L8 q5 F$ R* T    靜電對器件造成的損壞有顯性和隱性兩種。隱性損壞在當時看不出來，但器件變得更脆弱，在過壓、高溫等條件下極易損壞。
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7 F( j$ v& N  S# |( Q1 x    ESD兩種主要的破壞機制是：由ESD電流産生熱量導致設備的熱失效；由ESD感應出過高電壓導致絕緣擊穿。兩種破壞可能在一個設備中同時發生，例如，絕緣擊穿可能激發大的電流，這又進一步導致熱失效。 除容易造成電路損害外，靜電放電也極易對電子電路造成干擾。靜電放電對電子電路的干擾有二種方式。一種是傳導干擾，另一種是輻射干擾。
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2.數碼産品的構造及其ESD問題
6 f. }6 }9 ~9 I% _, a* u3 I8 @    現在各類數碼産品的功能越來越強大，而電路板卻越來越小，集成度越來越高。並都或多或少的裝有部分介面用於人機交互，這樣就存在著人體靜電放電的ESD問題。一般數碼産品中需要進行ESD防護的部位有：USB介面、HDMI介面、IEEE1394介面、天線介面、VGA介面、DVI介面、按鍵電路、SIM卡、耳機及其他各類資料傳輸介面.

! ]3 j: ^5 e/ U4 r& |    ESD可能會造成産品工作異常、死機，甚至損壞並引發其他的安全問題。所以在産品上市之前，國內或國外檢測部門都要求進行ESD和其他浪湧衝擊的測試。其中接觸放電需要達到±8kV，空氣放電需要達到±15kV，這就對ESD的設計提出了較高的要求。
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% n9 X- W  a# u1 b; C) G3.數碼産品中ESD問題解決與防護

3.1 産品的結構設計
  如果將釋放的靜電看成是洪水的話，那麽主要的解決方法與治水類似，就是“堵”和“疏”。如果我們設計的産品有一個理想的殼體是密不透風的，靜電也就無從而入，當然不會有靜電問題了。但實際的殼體在合蓋處常有縫隙，而且許多還有金屬的裝飾片，所以一定要加以注意。

其一，用“堵”的方法。儘量增加殼體的厚離，即增加外殼到電路板之間的距離，或者通過一些等效方法增加殼體氣隙的距離，這樣可以避免或者大大減少ESD的能量強度。
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    通過結構的改進，可以增大外殼到內部電路之間氣隙的距離從而使ESD的能量大大減弱。根據經驗，8kV的ESD在經過4mm的距離後能量一般衰減爲零。

其二，用“疏”的方法，可以用EMI油漆噴塗在殼體的內側。EMI油漆是導電的，可以看成是一個金屬的遮罩層，這樣可以將靜電導在殼體上；再將殼體與PCB（Printed Circuit Board）的地連接，將靜電從地導走。這樣處理的方法除了可以防止靜電，還能有效抑制EMI的干擾。如果有足夠的空間，還可以用一個金屬遮罩罩將其中的電路保護起來，金屬遮罩罩再連接PCB的GND。
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  總之，ESD設計殼體上需要注意很多地方，首先是儘量不讓ESD進入殼體內部，最大限度地減弱其進入殼體的能量。對於進入殼體內部的ESD儘量將其從GND導走，不要讓其危害電路的其他部分。殼體上的金屬裝飾物使用時一定要小心，因爲很可能帶來意想不到的結果，需要特別注意。
3.2 産品的PCB設計
# K# a5 M( L  _% D" F* E    現在産品的PCB（Printed Circuit Board）都是高密度板，通常爲4層板。隨著密度的增加，趨勢是使用6層板，其設計一直都需要考慮性能與面積的平衡。一方面，越大的空間可以有更多的空間擺放元器件，同時，走線的線寬和線距越寬，對於EMI、音頻、ESD等各方面性能都有好處。另一方面，數碼産品設計的小巧又是趨勢與需要。所以，設計時需要找到平衡點。就ESD問題而言，設計上需要注意的地方很多，尤其是關於GND佈線的設計以及線距，很有講究。有些産品中ESD存在很大的問題，一直找不到原因，通過反復研究與實驗，發現是PCB設計中的出現的問題。爲此，這裏總結了PCB設計中應該注意的要點：

% r4 K3 K( R3 m6 i! V6 W(1)PCB板邊（包括通孔Via邊界）與其他佈線之間的距離應大於0.3mm；
(2)PCB的板邊最好全部用GND走線包圍；
3 F0 ~7 `, {" M" R1 T(3)GND與其他佈線之間的距離保持在0.2mm～0.3mm；
' X# j& I: W6 o6 e- \% i' r) J' G(4)Vbat與其他佈線之間的距離保持在0.2mm～0.3mm;
" d/ \3 w: W" ^(5)重要的線如Reset、Clock等與其他佈線之間的距離應大於0.3mm;
# D2 |8 C! E4 x1 s(6)大功率的線與其他佈線之間的距離保持在0.2mm～0.3mm；
(7)不同層的GND之間應有盡可能多的通孔（VIa）相連；
2 m3 l: ^2 ?. c" s# c  }(8)在最後的鋪地時應儘量避免尖角，有尖角應儘量使其平滑。

3.3 産品的電路設計
4 v! N+ g  L1 R9 k9 x    在殼體和PCB的設計中，對ESD問題加以注意之後，ESD還會不可避免地進入到産品的內部電路中，尤其是以下一些埠：USB介面、HDMI介面、IEEE1394介面、天線介面、VGA介面、DVI介面、按鍵電路、SIM卡、耳機及其他各類資料傳輸介面，這些埠很可能將人體的靜電引入內部電路中。所以，需要在這些埠中使用ESD防護器件。
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* D) o6 e. U4 w. S9 ?: q    以往主要使用的靜電防護器件是壓敏電阻和TVS器件，但這些器件普遍的缺點是回應速度太慢，放電電壓不夠精確，極間電容大，壽命短，電性能會因多次使用而變差。所以目前行業中普遍使用專業的“靜電抑制器”來取代以往的靜電防護器件 。“靜電抑制器”是專業解決靜電問題的産品，其內部構造和工作原理比其他産品更具科學性和專業性。它由Polymer高分子材料製成，內部菱形分子以規則離散狀排列，當靜電電壓超過該器件的觸發電壓時，內部分子迅速産生尖端對尖端的放電，將靜電在瞬間泄放到地。它最大特點是反應速度快（0.5ns～1ns）、非常低的極間電容（0.05pf～3pf），很小的漏電流（1μA），非常適合各種介面的防護。
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1 n7 X. J7 |8 f) ^- r    因爲靜電抑制器具有體積小（0603、0402）、無極性、反應速度快等諸多優點，現在的設計中使用靜電抑制器作爲防護器件的比例越來越多，在使用時應注意以下幾點：
1、將該器件儘量放置在需要保護的埠附近；
2、到GND的連線盡可能短;
/ ^( K& [+ P' }; [/ I! H2 h2 b3、所接GND的面積盡可能大。
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: D6 F! }! C: |* x    ESD 的問題是衆多重要問題之一。在不同的電子設備中有不同的方式來避免對電路的危害。由於現在的數碼産品體積小、密度大，在 ESD 的防護上有獨到的特點。通過大量的靜電測試實驗證明，採用本文的設計方法處理，將一個原本± 2kV 放電就會死機的産品加以保護和改進，在± 8kV 的靜電放電情況下依然可以穩定工作，起到了很好的靜電防護效果。隨著電子設備使用的日益廣泛， ESD 設計是每一個結構設計工程師和電子設計工程師需要重點關心的問題，通過不斷總結與學習， ESD 問題將不再是一個難題
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! Q6 U  M$ C' dESD静电问题终极解决方案
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静电是人们非常熟悉的一种自然现象。静电的许多功能已经应用到军工或民用产品中，如静电除尘、静电喷涂、静电分离、静电复印等。然而，静电放电ESD（Electro-Static Discharge）却又成为电子产品和设备的一种危害，造成电子产品和设备的功能紊乱甚至部件损坏。现代半导体器件的规模越来越大，工作电压越来越低，导致了半导体器件对外界电磁骚扰敏感程度也大大提高。ESD对于电路引起的干扰、对元器件、CMOS电路及接口电路造成的破坏等问题越来越引起人们的重视。电子设备的ESD也开始作为电磁兼容性测试的一项重要内容写入国家标准和国际标准。
1.静电成因及其危害
    静电是两种介电系数不同的物质磨擦时，正负极性的电荷分别积累在两个特体上而形成。当两个物体接触时，其中一个趋从于另一个吸引电子，因而二者会形成不同的充电电位。就人体而言，衣服与皮肤之间的磨擦发生的静电是人体带电的主要因之一。
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    静电源与其它物体接触时，依据电荷中和的机理存在着电荷流动，传送足够的电量以抵消电压。在高速电量的传送过程中，将产生潜在的破坏电压、电流以及电磁场，严重时将其中物体击毁，这就是静电放电。国家标准中定义：静电放电是具有不同静电电位的特体互相靠近或直接接触引起的电荷转移（GB/T4365-1995），一般用ESD表示。ESD会导致电子设备严重损坏或操作失常。
* I5 B/ E' s3 e2 X$ ^  M    静电对器件造成的损坏有显性和隐性两种。隐性损坏在当时看不出来，但器件变得更脆弱，在过压、高温等条件下极易损坏。
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    ESD两种主要的破坏机制是：由ESD电流产生热量导致设备的热失效；由ESD感应出过高电压导致绝缘击穿。两种破坏可能在一个设备中同时发生，例如，绝缘击穿可能激发大的电流，这又进一步导致热失效。 除容易造成电路损害外，静电放电也极易对电子电路造成干扰。静电放电对电子电路的干扰有二种方式。一种是传导干扰，另一种是辐射干扰。

8 e; G# q; c' I; H3 J2.数码产品的构造及其ESD问题
& _, p* l3 J3 z0 c    现在各类数码产品的功能越来越强大，而电路板却越来越小，集成度越来越高。并都或多或少的装有部分接口用于人机交互，这样就存在着人体静电放电的ESD问题。一般数码产品中需要进行ESD防护的部位有：USB接口、HDMI接口、IEEE1394接口、天线接口、VGA接口、DVI接口、按键电路、SIM卡、耳机及其他各类数据传输接口.
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" l- ]( ]5 K( k6 c1 G3 F& m$ @    ESD可能会造成产品工作异常、死机，甚至损坏并引发其他的安全问题。所以在产品上市之前，国内或国外检测部门都要求进行ESD和其它浪涌冲击的测试。其中接触放电需要达到±8kV，空气放电需要达到±15kV，这就对ESD的设计提出了较高的要求。
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3.数码产品中ESD问题解决与防护

# p( ]6 O" z; U" ]! R3.1 产品的结构设计
# q+ ^3 D4 b1 x. o  如果将释放的静电看成是洪水的话，那么主要的解决方法与治水类似，就是“堵”和“疏”。如果我们设计的产品有一个理想的壳体是密不透风的，静电也就无从而入，当然不会有静电问题了。但实际的壳体在合盖处常有缝隙，而且许多还有金属的装饰片，所以一定要加以注意。

# v, t  f+ r0 _. Q& o其一，用“堵”的方法。尽量增加壳体的厚离，即增加外壳到电路板之间的距离，或者通过一些等效方法增加壳体气隙的距离，这样可以避免或者大大减少ESD的能量强度。

    通过结构的改进，可以增大外壳到内部电路之间气隙的距离从而使ESD的能量大大减弱。根据经验，8kV的ESD在经过4mm的距离后能量一般衰减为零。

其二，用“疏”的方法，可以用EMI油漆喷涂在壳体的内侧。EMI油漆是导电的，可以看成是一个金属的屏蔽层，这样可以将静电导在壳体上；再将壳体与PCB（Printed Circuit Board）的地连接，将静电从地导走。这样处理的方法除了可以防止静电，还能有效抑制EMI的干扰。如果有足够的空间，还可以用一个金属屏蔽罩将其中的电路保护起来，金属屏蔽罩再连接PCB的GND。
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  总之，ESD设计壳体上需要注意很多地方，首先是尽量不让ESD进入壳体内部，最大限度地减弱其进入壳体的能量。对于进入壳体内部的ESD尽量将其从GND导走，不要让其危害电路的其它部分。壳体上的金属装饰物使用时一定要小心，因为很可能带来意想不到的结果，需要特别注意。
3.2 产品的PCB设计
; P/ a# m( i( @7 A1 c: U( t    现在产品的PCB（Printed Circuit Board）都是高密度板，通常为4层板。随着密度的增加，趋势是使用6层板，其设计一直都需要考虑性能与面积的平衡。一方面，越大的空间可以有更多的空间摆放元器件，同时，走线的线宽和线距越宽，对于EMI、音频、ESD等各方面性能都有好处。另一方面，数码产品设计的小巧又是趋势与需要。所以，设计时需要找到平衡点。就ESD问题而言，设计上需要注意的地方很多，尤其是关于GND布线的设计以及线距，很有讲究。有些产品中ESD存在很大的问题，一直找不到原因，通过反复研究与实验，发现是PCB设计中的出现的问题。为此，这里总结了PCB设计中应该注意的要点：

  h2 J# C4 s: C  i( B(1)PCB板边（包括通孔Via边界）与其它布线之间的距离应大于0.3mm；
; W+ z  ~" T9 r  W6 D(2)PCB的板边最好全部用GND走线包围；
5 C, N* ~& y  @(3)GND与其它布线之间的距离保持在0.2mm～0.3mm；
(4)Vbat与其它布线之间的距离保持在0.2mm～0.3mm;
(5)重要的线如Reset、Clock等与其它布线之间的距离应大于0.3mm;
(6)大功率的线与其它布线之间的距离保持在0.2mm～0.3mm；
. R* j, S2 p6 F6 ^2 ?(7)不同层的GND之间应有尽可能多的通孔（VIa）相连；
0 w# `, c* y( T/ G# A" W(8)在最后的铺地时应尽量避免尖角，有尖角应尽量使其平滑。

5 G7 m* ]. w) z3.3 产品的电路设计
    在壳体和PCB的设计中，对ESD问题加以注意之后，ESD还会不可避免地进入到产品的内部电路中，尤其是以下一些端口：USB接口、HDMI接口、IEEE1394接口、天线接口、VGA接口、DVI接口、按键电路、SIM卡、耳机及其他各类数据传输接口，这些端口很可能将人体的静电引入内部电路中。所以，需要在这些端口中使用ESD防护器件。
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    以往主要使用的静电防护器件是压敏电阻和TVS器件，但这些器件普遍的缺点是响应速度太慢，放电电压不够精确，极间电容大，寿命短，电性能会因多次使用而变差。所以目前行业中普遍使用专业的“静电抑制器”来取代以往的静电防护器件 。“静电抑制器”是专业解决静电问题的产品，其内部构造和工作原理比其他产品更具科学性和专业性。它由Polymer高分子材料制成，内部菱形分子以规则离散状排列，当静电电压超过该器件的触发电压时，内部分子迅速产生尖端对尖端的放电，将静电在瞬间泄放到地。它最大特点是反应速度快（0.5ns～1ns）、非常低的极间电容（0.05pf～3pf），很小的漏电流（1μA），非常适合各种接口的防护。

5 V; p& L- R. P( R! S* s! U    因为静电抑制器具有体积小（0603、0402）、无极性、反应速度快等诸多优点，现在的设计中使用静电抑制器作为防护器件的比例越来越多，在使用时应注意以下几点：
1、将该器件尽量放置在需要保护的端口附近；
, m# X1 T6 H. q" z" J) I5 Q/ J( k+ [% n2、到GND的连线尽可能短;
) k1 h7 t* G/ h; H3、所接GND的面积尽可能大。
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    ESD 的问题是众多重要问题之一。在不同的电子设备中有不同的方式来避免对电路的危害。由于现在的数码产品体积小、密度大，在 ESD 的防护上有独到的特点。通过大量的静电测试实验证明，采用本文的设计方法处理，将一个原本± 2kV 放电就会死机的产品加以保护和改进，在± 8kV 的静电放电情况下依然可以稳定工作，起到了很好的静电防护效果。随着电子设备使用的日益广泛， ESD 设计是每一个结构设计工程师和电子设计工程师需要重点关心的问题，通过不断总结与学习， ESD 问题将不再是一个难题

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壓敏電阻和TVS器件的缺點是回應速度太慢，放電電壓不夠精確，極間電容大，壽命短，電性能會因多次使用而變差

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