«Почему чипы повреждаются, когда я просто беру в руки монтажная плата обычно?«Многие инженеры испытывают замешательство, когда сталкиваются с повреждением цепи, вызванным электростатическим разрядом. (ЭСД). Фактически, человеческое тело может генерировать электростатическое напряжение до десятков тысяч вольт, что намного превышает предел допуска большинства электронных компонентов..
Даже самая точность печатные платы (Печатные платы) может быть уязвим к электростатическому разряду. Случайное прикосновение может привести к мгновенному выходу из строя чипов стоимостью в тысячи долларов..
Сегодня на фоне все более совершенных электронных устройств, Защита от электростатического разряда больше не является дополнительным выбором, а является необходимой мерой для обеспечения надежности продукта.. В этой статье будут глубоко проанализированы ключевые моменты проектирования и критические аспекты производства защиты печатных плат от электростатического разряда., помогая вашим продуктам противостоять этой «невидимой молнии».
1. Угрозы ОУР: Смертельное воздействие невидимой миниатюрной молнии
ЭСР можно представить как невидимую миниатюрную молнию.. Ежедневные занятия, такие как ходьба, снимаю свитера, или даже если взять в руки пластиковую коробку, может возникнуть статическое электричество.. Напряжение этого статического электричества часто достигает нескольких тысяч вольт., или даже десятки тысяч вольт.
Человеческое тело на самом деле является крупнейшим генератором статического электричества.. Особенно в засушливое время года, ЭСР может возникнуть в тот момент, когда вы достанете печатную плату.. Казалось бы, незначительные предметы, такие как пластиковые настольные компьютеры., ковры из химического волокна, и пенопластовые упаковочные коробки могут стать «соучастниками» статического электричества..
ESD вредит печатным платам в двух основных формах:
- Тяжелый урон: Это самый прямой и очевидный ущерб. ESD мгновенно разрушит крошечные схемы внутри чипа., вызывая необратимое повреждение чипа. Как результат, плата полностью перестанет работать, или определенные функции (такие как последовательные порты или АЦП) потерпит неудачу напрямую.
- Хроническое повреждение: Это более скрытно и хлопотно. ESD не может полностью разрушить чип, но это может привести к микроповреждениям внутренних оксидных слоев и других структур.. Печатная плата все еще может работать нормально., но он станет нестабильным и будет иметь сокращенный срок службы. Он может внезапно выйти из строя через несколько дней или при определенных температурах.. Этот периодический сбой труднее всего устранить во время отладки, и он отнимает много времени и усилий..
2. ТВС-диоды: Прецизионная система молниезащиты для цепей
ТВС (Подавитель переходного напряжения) диоды являются первой линией защиты от угроз электростатического разряда и наиболее эффективными компонентами защиты.. Они действуют как «охранники сигналов цепи», поддерживая состояние высокого импеданса в нормальных условиях.. После обнаружения импульса ESD, они мгновенно переходят в низкоомное состояние, отведение высоковольтного импульса на землю и защита внутренних микросхем.
2.1 Золотые правила компоновки ТВС
Паразитная индуктивность — самый большой враг производительности TVS.. Паразитная индуктивность в цепи, включая паразитную индуктивность самих выводов TVS, влияет на напряжение ограничения. (ВК) на внутренней микросхеме при возникновении электростатического разряда или скачков напряжения.
Защитный эффект TVS определяется формулой: ВКЛ = ВБР + РД × ИПП. Среди них:
- RD - паразитная емкость самого ТВС; продукты с меньшими значениями RD имеют лучшее напряжение фиксации и могут более эффективно защищать микросхемы..
- IPP — ток, проходящий через TVS в момент испытания..
Чтобы максимизировать эффект защиты TVS, вы должны обеспечить как можно более короткое заземляющее соединение и разместить TVS как можно ближе к источнику электростатического разряда.. Это не только сводит к минимуму электромагнитные помехи. (Электромагнитные помехи) на печатной плате, но также уменьшает связь с другими путями. Выбор устройства TVS со временем отклика менее 1 нс обеспечивает оптимальную защиту высокоскоростных интерфейсов, что критически важно для печатных плат. (Печатная плата в сборе) надежность.
3. Разводка печатной платы и заземление: Фонд защиты от ЭСР
Разумный Разводка печатной платы и конструкция заземления являются краеугольными камнями защиты от электростатического разряда. Даже без дополнительных компонентов защиты, они могут значительно улучшить устойчивость продукта к электростатическому разряду.
3.1 Ключевые моменты для разводки печатной платы
- Высокоскоростные сигнальные линии должны находиться на расстоянии ≥3 мм от края платы., в то время как низкочастотные чувствительные сигналы должны находиться на расстоянии ≥2 мм.
- Критические сигналы, такие как линии синхронизации и линии сброса, должны быть окружены землей. (заземление). Расположите линии заземления с обеих сторон и добавьте отверстия для заземления через каждые 50 мм..
- Все открытые металлические корпуса должны быть заземлены в одной точке через резистор 1 МОм, чтобы избежать образования петли с низким импедансом из-за прямого заземления..
- Расстояние утечки между компонентами, контактирующими с пользователем, должно составлять ≥5 мм. (такие как кнопки и ручки) и основная плата. Используйте проводящую пену или металлические пружины для достижения эквипотенциального соединения..
- Установить искровые разрядники (с интервалом 0,2–0,5 мм.) в положении Pin1 разъема и точке заземления металлического корпуса.. Эти меры могут эффективно обеспечить безопасный разряд тока электростатического разряда и избежать повреждения чувствительных цепей..
3.2 Принципы проектирования заземления печатной платы
При проектировании двухслойных или Многослойные печатные платы, постарайтесь обеспечить полную и большую площадь заземления. Полная плоскость заземления похожа на обширную равнину: она может быстро поглощать и рассеивать энергию электростатического разряда., предотвращение накопления энергии в одной точке. В то же время, обеспечивает эффективный путь разряда для TVS-диодов.
Во время разводки печатной платы, заполните заземляющую сеть медью и убедитесь, что заземляющая медь покрывает как можно большую часть пустой области на плате (без следов) как можно. Для всех внешних интерфейсов (например порты USB и розетки постоянного тока), соединить металлический корпус с землей платы через высоковольтный конденсатор или напрямую. Сюда, Электростатический разряд будет отведен через корпус перед попаданием в цепь, что повышает защиту печатной платы от электростатического разряда на уровне интерфейса..
4. Процесс ламинирования: Внутренний защитный барьер для многослойных печатных плат
В многослойных печатных платах, качество процесса ламинирования напрямую связано с возможностью внутренней защиты платы от электростатического разряда.. Если диэлектрик между двумя слоями проводника слишком тонкий, высоковольтный электростатический разряд может легко вывести его из строя, причинение необратимого ущерба.
4.1 Основная роль препрега
Препрег (предварительно пропитанный композитный материал) действует как межслойный изолирующий диэлектрик в многослойных печатных платах.. Это «функциональный композитный материал», контролируемый точными производственными процессами., Его основной особенностью является то, что смола находится в «полуотвержденном состоянии B-стадии» — характеристика, которая является ключевой для реализации многослойного ламинирования плит..
Препрег не только обеспечивает физическое соединение, но и дает три эффекта:: электрическая изоляция + структурная поддержка. Ее изоляционные и диэлектрические свойства напрямую определяют электрическую надежность печатной платы.: после отверждения, объемное сопротивление ≥10¹⁴Ом·см, и сопротивление напряжению пробоя составляет ≥20 кВ/мм., который может блокировать межслоевую утечку, что имеет решающее значение для предотвращения повреждения межслоевого слоя, вызванного электростатическим разрядом..
Основные параметры препрега включают в себя:
- Содержание смолы (RC%): Обычно 50%~70%, определяющий прочность межслоевого соединения и толщину диэлектрического слоя.
- Текучесть: 15~30 мм.
- Температура стеклянного перехода (Тг): Обычно 150~200℃.
- Диэлектрическая проницаемость (Дк): 4.2±0,2 для обычного препрега FR-4.
4.2 Контроль качества процесса ламинирования
Для обеспечения качества ламинирования, коэффициент теплового расширения (КТР) Препрег должен соответствовать размеру основных плит FR-4 и медной фольги.. Если отклонение КТР по оси Z превышает 5 ppm/℃, межслойное растрескивание может произойти во время циклического изменения температуры.
Во время ламинирования:
- Когда температура среднего слоя составляет 80 ~ 130 ℃., разница температур между верхним слоем несущей пластины и средним слоем не должна превышать 25 ℃., и скорость нагрева не должна превышать 1,3 ~ 5 ℃/мин..
- Когда температура достигает 85±5℃, определить время перехода с низкого давления на среднее давление.
- Когда температура достигает 110±5℃, определить время перехода от среднего давления к высокому давлению.
В современном производстве печатных плат, технология вакуумного прессования значительно улучшила качество ламинирования. Вакуумная среда позволяет избежать образования пузырьков и пустот., обеспечение равномерного потока и заполнения смолы Prepreg — усиление устойчивости многослойной печатной платы к разрушению электростатического разряда.
5. Передовые процессы и проверка качества
По мере развития электронных устройств в сторону высоких частот и высокой плотности, Защита от электростатического разряда сталкивается с новыми проблемами и требует более совершенных технологических решений..
5.1 Улучшения процесса для специальных применений
- Сценарии высокочастотной связи: Препрег Low-Dk (Дк=3,48±0,03, Df<0,004) может соответствовать требованиям к передаче сигнала 28 ГГц/77 ГГц, обеспечивая при этом надежную изоляционную защиту, что критически важно для поддержания целостности сигнала и устойчивости к электростатическому разряду в печатных платах 5G или автомобильных радаров..
- Толстые медные доски (≥3 унций): Примените «двухслойное ламинирование препрега с низким содержанием смолы». (52%±1% на слой, общее содержание смолы 56%) в сочетании с ламинированием высоким давлением 8 МПа. Это может увеличить сопротивление пробивного напряжения диэлектрического слоя до 3500 В, улучшая защиту от электростатического разряда для печатных плат, связанных с питанием..
- ИЧР (Взаимодействие высокой плотности) доски: Требуется препрег с низкой текучестью (18±2 мм) + вакуумное ламинирование для решения проблемы перелива смолы с микроотверстиями диаметром 0,075 мм.. Эти специальные технологические обработки не только улучшают характеристики продукта, но и усиливают внутреннюю защиту печатной платы от электростатического разряда..
5.2 Стандарты проверки и тестирования качества
Замкнутая система проверки качества имеет решающее значение для обеспечения защиты печатных плат от электростатического разряда.. Он включает в себя:
- Входной контроль: Используйте инфракрасные спектрометры для проверки содержания летучих веществ и диэлектрические спектрометры для проверки стабильности Dk/Df..
- Мониторинг процессов: Собирайте данные о температуре и давлении в режиме реального времени во время ламинирования..
- Проверка готового продукта: Провести испытания на прочность межслойного отслаивания и испытания на сопротивление изоляции..
Окончательная проверка защиты от электростатического разряда должна соответствовать Уровень МЭК61000-4-2 4 стандартный, то есть, испытание контактным разрядом до ±8 кВ и воздушным разрядом до ±15 кВ. После тестирования, должны быть выполнены следующие критерии:
- Целостность сигнала (открытие глазковой диаграммы >70%).
- Частота битовых ошибок (<1×10^-12).
- Колебания рабочего тока (<± 5%).
- Сбросить время (0 раз/цикл тестирования).
Отличные инженеры по печатным платам учитывают защиту от электростатического разряда на начальном этапе проектирования., интеграция защитных мер в «ДНК» продукта. Это не только техническая задача, но и проверка ответственности и профессионализма, поскольку лучший ремонт неисправностей — это прежде всего предотвращение их возникновения..