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“¿Por qué se dañan los chips cuando solo manejo el tarjeta de circuitos normalmente?“Muchos ingenieros se sienten confundidos cuando se enfrentan a daños en los circuitos causados por descargas electrostáticas. (ESD). De hecho, El cuerpo humano puede generar voltaje electrostático de hasta decenas de miles de voltios, superando con creces el límite de tolerancia de la mayoría de los componentes electrónicos..
Incluso la más precisa PCB (Placas de circuito impreso) puede ser vulnerable a ESD. Un toque accidental puede provocar que chips por valor de miles de dólares fallen instantáneamente.
En el contexto de los dispositivos electrónicos cada vez más sofisticados en la actualidad, La protección ESD ya no es una opción opcional sino una medida necesaria para garantizar la confiabilidad del producto. Este artículo analizará en profundidad los puntos clave de diseño y los críticos de fabricación de la protección ESD de PCB., ayudando a sus productos a resistir este “relámpago invisible”.
1. Amenazas de ESD: El impacto letal de los rayos en miniatura invisibles
La ESD se puede imaginar como un rayo en miniatura invisible. Actividades diarias como caminar., quitándose los suéteres, o incluso recoger una caja de plástico puede generar electricidad estática. El voltaje de esta electricidad estática alcanza a menudo varios miles de voltios., o incluso decenas de miles de voltios.
El propio cuerpo humano es en realidad el mayor generador de electricidad estática.. Especialmente en estaciones secas, La ESD puede ocurrir en el momento en que alcanza una PCB. Artículos aparentemente insignificantes como escritorios de plástico., alfombras de fibra química, y las cajas de embalaje de espuma pueden convertirse en “cómplices” de la electricidad estática.
La ESD daña los PCB de dos formas principales:
- Daño duro: Este es el daño más directo y obvio.. ESD descompondrá instantáneamente los pequeños circuitos dentro del chip, causando daño permanente al chip. Como resultado, la PCB dejará de funcionar por completo, o funciones específicas (como puertos serie o ADC) fallará directamente.
- Daño crónico: Esto es más oculto y problemático.. Es posible que ESD no destruya completamente el chip, pero puede causar microdaños a las capas internas de óxido y otras estructuras.. Es posible que la PCB aún funcione normalmente ahora, pero se volverá inestable y tendrá una vida útil más corta.. Puede funcionar mal repentinamente después de unos días o bajo temperaturas específicas.. Esta falla intermitente es la más difícil de solucionar durante la depuración y consume mucho tiempo y esfuerzo..
2. Diodos TVS: El sistema de protección contra rayos de precisión para circuitos
televisores (Supresor de voltaje transitorio) Los diodos son la primera línea de defensa contra las amenazas ESD y los componentes de protección más eficaces.. Actúan como "guardias de seguridad de las señales del circuito", manteniendo un estado de alta impedancia en condiciones normales.. Una vez que se detecta un pulso ESD, cambian instantáneamente a un estado de baja impedancia, desviar el pulso de alto voltaje a tierra y proteger los chips backend.
2.1 Reglas de oro para el diseño de TVS
La inductancia parásita es el mayor enemigo del rendimiento de TVS. La inductancia parásita en el circuito, incluida la inductancia parásita de los propios pines TVS, afecta el voltaje de sujeción. (vc) en el IC backend cuando se producen ESD o sobretensiones.
El efecto protector de TVS sigue la fórmula: VCL = VBR + RD × PPI. entre ellos:
- RD es la capacitancia parásita del propio TVS.; Los productos con valores RD más pequeños tienen un mejor voltaje de sujeción y pueden proteger los circuitos integrados de manera más efectiva..
- IPP es la corriente que pasa a través del TVS durante el instante de la prueba..
Para maximizar el efecto de protección de TVS, debe asegurarse de que la conexión a tierra sea lo más corta posible y colocar el TVS lo más cerca posible de la fuente ESD. Esto no sólo minimiza la EMI (Interferencia electromagnética) en la PCB pero también reduce el acoplamiento con otras rutas. La elección de un dispositivo TVS con un tiempo de respuesta inferior a 1 ns proporciona una protección óptima para interfaces de alta velocidad, algo fundamental para PCBA. (Conjunto de placa de circuito impreso) fiabilidad.
3. Diseño de PCB y conexión a tierra: La base de la protección ESD
Razonable diseño de PCB y el diseño de puesta a tierra son las piedras angulares de la protección ESD. Incluso sin componentes de protección adicionales, pueden mejorar significativamente la inmunidad ESD del producto.
3.1 Puntos clave para el diseño de PCB
- Las líneas de señal de alta velocidad deben estar a ≥3 mm de distancia del borde del tablero., mientras que las señales sensibles de baja frecuencia deben estar a ≥2 mm de distancia.
- Las señales críticas, como las líneas de reloj y las líneas de reinicio, deben estar rodeadas de tierra. (blindaje de tierra). Organice líneas de tierra en ambos lados y agregue vías de tierra cada 50 mm.
- Todos los gabinetes metálicos expuestos deben estar conectados a tierra en un solo punto a través de una resistencia de 1 MΩ para evitar que se forme un bucle de baja impedancia a través de una conexión a tierra directa..
- Se debe mantener una distancia de fuga de ≥5 mm entre los componentes en contacto con el usuario. (como botones y perillas) y el tablero principal. Utilice espuma conductora o resortes metálicos para lograr una conexión equipotencial..
- Establecer espacios de chispas (con un espacio de 0,2 mm a 0,5 mm) en la posición Pin1 del conector y el punto de conexión a tierra de la carcasa metálica. Estas medidas pueden guiar eficazmente la corriente ESD para que se descargue de forma segura y evite daños a circuitos sensibles..
3.2 Principios para el diseño de puesta a tierra de PCB
Al diseñar doble capa o PCB de múltiples capas, Intente garantizar un plano de tierra completo y de gran superficie.. Un plano de tierra completo es como una llanura extensa: puede absorber y dispersar rápidamente energía ESD, Evitar que la energía se acumule en un solo punto.. Al mismo tiempo, Proporciona una ruta de descarga eficiente para diodos TVS..
Durante el diseño de PCB, Llene la red de tierra con cobre y asegúrese de que el cobre de tierra cubra la mayor parte del área en blanco en el tablero. (sin rastros) lo más posible. Para todas las interfaces externas (como puertos USB y tomas de corriente CC), conecte la carcasa metálica a tierra de la placa a través de un condensador de alto voltaje o directamente. Por aquí, Las ESD se desviarán primero a través del gabinete antes de ingresar al circuito, lo que mejora la protección ESD de la PCB a nivel de interfaz..
4. Proceso de laminación: La barrera de protección interna para PCB multicapa
En PCB multicapa, La calidad del proceso de laminación está directamente relacionada con la capacidad interna de protección ESD de la placa.. Si el dieléctrico entre dos capas conductoras es demasiado delgado, ESD de alto voltaje puede dañarlo fácilmente, causando daño permanente.
4.1 Función central del prepreg
Preparar (material compuesto preimpregnado) Actúa como dieléctrico aislante entre capas en PCB multicapa.. Se trata de un “material compuesto funcional” controlado mediante procesos de fabricación de precisión., Su característica principal es que la resina se encuentra en un “estado semicurado de etapa B”, una característica que es clave para realizar la laminación de tableros multicapa..
El prepreg no sólo proporciona unión física sino que también logra tres efectos: aislamiento eléctrico + soporte estructural. Su rendimiento de aislamiento y propiedades dieléctricas determinan directamente la confiabilidad eléctrica de la PCB.: después de curar, la resistividad del volumen es ≥10¹⁴Ω·cm, y la resistencia al voltaje de ruptura es ≥20kV/mm, que puede bloquear las fugas entre capas, lo cual es fundamental para prevenir daños entre capas inducidos por ESD..
Los parámetros principales de Prepreg incluyen:
- Contenido de resina (RC%): Normalmente 50%~70%, que determina la fuerza de unión entre capas y el espesor de la capa dieléctrica.
- Fluidez: 15~30mm.
- Temperatura de transición vítrea (tg): Normalmente 150~200℃.
- Constante dieléctrica (Dk): 4.2±0,2 para preimpregnado FR-4 ordinario.
4.2 Control de Calidad del Proceso de Laminación
Para garantizar la calidad de la laminación, el coeficiente de expansión térmica (CTE) El material preimpregnado debe coincidir con el de las placas centrales FR-4 y las láminas de cobre.. Si la desviación CTE del eje Z excede 5 ppm/℃, Es probable que se produzca agrietamiento entre capas durante el ciclo de temperatura..
Durante la laminación:
- Cuando la temperatura de la capa intermedia es de 80~130℃, la diferencia de temperatura entre la capa superior de la placa portadora y la capa intermedia no debe exceder los 25 ℃, y la velocidad de calentamiento no debe exceder 1,3 ~ 5 ℃/min.
- Cuando la temperatura alcanza los 85 ± 5 ℃, determinar el tiempo para cambiar de presión baja a presión media.
- Cuando la temperatura alcanza los 110 ± 5 ℃, determinar el tiempo para cambiar de presión media a presión alta.
En la fabricación moderna de PCB, La tecnología de prensado al vacío ha mejorado significativamente la calidad de laminación.. El ambiente de vacío evita la formación de burbujas y huecos., asegurando un flujo uniforme y llenado de resina preimpregnada, fortaleciendo la resistencia de la PCB multicapa a la degradación por ESD.
5. Procesos Avanzados y Verificación de Calidad
A medida que los dispositivos electrónicos evolucionan hacia la alta frecuencia y la alta densidad, La protección ESD enfrenta nuevos desafíos y requiere soluciones de proceso más avanzadas.
5.1 Mejoras de procesos para aplicaciones especiales
- Escenarios de comunicación de alta frecuencia.: Preimpregnado de bajo Dk (Dk=3,48±0,03, Df<0,004) puede cumplir con los requisitos de transmisión de señal de 28 GHz/77 GHz y, al mismo tiempo, proporciona una protección de aislamiento confiable, fundamental para mantener la integridad de la señal y la resistencia a ESD en PCB de radar automotriz o 5G..
- Tableros de cobre gruesos (≥3 onzas): Adopte una “laminación preimpregnada de doble capa y bajo contenido de resina” (52%±1% por capa, contenido total de resina 56%) combinado con laminación de alta presión de 8MPa. Esto puede aumentar la resistencia al voltaje de ruptura de la capa dieléctrica a 3500 V, lo que mejora la protección ESD para PCB relacionados con la energía..
- IDH (Interconexión de alta densidad) tablas: Requiere preimpregnación de baja fluidez (18±2mm) + Laminación al vacío para abordar el problema del desbordamiento de resina de microvía de 0,075 mm.. Estos tratamientos de proceso especiales no solo mejoran el rendimiento del producto sino que también mejoran la capacidad de protección ESD interna de la placa de circuito..
5.2 Estándares de prueba y verificación de calidad
Un sistema de verificación de calidad de circuito cerrado es crucial para garantizar las capacidades de protección ESD de PCB. incluye:
- inspección entrante: Utilice espectrómetros infrarrojos para probar el contenido volátil y espectrómetros dieléctricos para verificar la estabilidad de Dk/Df..
- Monitoreo de procesos: Recopile datos de temperatura y presión en tiempo real durante la laminación..
- Verificación del producto terminado: Realizar pruebas de resistencia al pelado de capas intermedias y pruebas de resistencia al aislamiento..
La verificación final de protección ESD debe cumplir con los Nivel IEC61000-4-2 4 estándar, es decir., Pruebas de descarga de contacto hasta ±8kV y descarga de aire hasta ±15kV. Después de la prueba, se deben cumplir los siguientes criterios:
- Integridad de la señal (apertura del diagrama del ojo >70%).
- Tasa de error de bits (<1×10^-12).
- Fluctuación de la corriente de funcionamiento (<±5%).
- Restablecer tiempos (0 tiempos/ciclo de prueba).
Los procesos actuales de fabricación de chips son cada vez más sofisticados, pero esto no significa que podamos bajar nuestra vigilancia contra la ESD. De lo contrario, a medida que los tamaños de los circuitos se reducen y los voltajes de operación disminuyen, Los componentes se vuelven más sensibles a las descargas electrostáticas..Excelentes ingenieros de PCB consideran la protección ESD en la etapa de diseño inicial, integrar medidas de protección en el “ADN” del producto. Esto no es sólo un desafío técnico sino también una prueba de responsabilidad y profesionalismo, porque la mejor reparación de fallas es evitar que ocurran en primer lugar..
