静电放电(ESD)对PCB的影响

2022-09-22

静电放电(ESD)对PCB的影响

静电放电(ESD)会损坏PCB（印刷电路板）上的电子元件，甚至会损坏电路板本身。当绝缘体或未连接的导体积累正电荷或负电荷时，电荷量取决于绝缘体或导体的存储电容，因为它与附近带相反电荷的物体有关，所形成的静电不能通过电动势转移，使其无法转移。平衡自己。

如果电路板组件之间的电容值没有减小，就会发生这种情况。实际上，这种静电没有释放路径。如果存在导电路径，则电荷要么快速放电，要么缓慢流失，具体取决于其中提供了多少电阻。但是，当放电迅速发生时，会产生称为ESD的现象，会对PCB和电子设备造成重大损坏。

静电的来源

虽然静电可以来自所有材料，但有些材料更容易受到负电荷的影响，而另一些则更容易受到正电荷的影响。例如，聚苯乙烯泡沫塑料和塑料等材料会产生负电荷，而人体皮肤和动物皮毛会产生正电荷。产生多少电荷取决于材料可以存储多少静电。例如，人体的容量约为250皮法拉，大致相当于25 kV电动势的静态存储电荷。

电子电路和ESD

想象一下你在雷暴中看到的闪电，规模要小得多。这种微小的闪电量称为静电放电 (ESD)。物理定律规定，电阻最小的路径将导致大量电动势以电流形式流过它。通常，被释放的电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，他或她身体所储存的电荷可以通过金属底盘或接地支架通过板上的电路放电。电流将尝试通过几条可用路径到达地面。如果其中一条路径恰好通过集成电路的PN结，电流将通过它，并在其尾迹中留下可见的孔。这是I2R损耗的结果，其中R是电阻，电流由I表示。如果电阻低，则允许电动势的高电流流动。由于该材料无法散发大量产生的热量，结果就是烧伤。

发生多少损坏取决于电动势通过电流携带的热量。因此，并非每次充电都会对设备造成不可挽回的损坏。然而，当器件在典型操作期间受到压力时，该放电造成的看似最小的损坏可能会完全破坏器件的操作。相同的推理适用于较小的冗余电荷在没有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的内部结构和完整性。

静电放电的性质

ESD可以通过多种方式表现出来。最常见的方法是通过对人体触摸敏感的设备。人体以及特定的服装材料每个工作日可以存储500到2,500伏特的静电。这对于人类感知来说太低了，但足以损坏电子元件。

但人的触摸并不是电流损坏印刷电路板组件的唯一方法。使用不接地的电气设备（如示波器）对电路进行故障排除、靠近塑料或聚苯乙烯泡沫塑料，甚至在电气组件附近产生快速空气运动，都可能产生导致电气损坏的电流。后者可能发生在例如电子设备靠近空气处理系统、用风扇对电子设备吹气、甚至使用压缩空气清洁 PCB时。

在人类收集静电荷的情况下，它的载体是不知道的，它可以在PCB和带电物体之间没有物理接触的情况下发生。

ESD引起的PCB损坏

当任何带电荷的物体靠近PCB时，总是存在ESD的可能性。ESD发生的最大机会是物体接触时，但充电点之间的距离以及两侧之间的电动势也是影响 ESD 发生机会的因素。

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

裸露的PCB也可能遭受潜在的损坏，例如在从一条轨道到其接地的相邻轨道的情况下。放电会使PCB上绝缘层的顶层炭化，从而将路径的导电性降低到仅部分形成。这可能会导致电路在组装后阶段的性能下降。

严重或灾难性的ESD引起的损坏会使设备永久损坏。这通常可以通过性能测试来检测。这种情况的唯一好处是，如此严重的损坏可以在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，因为具有这种情况的产品可以通过检验和测试但未通过现场操作。

减轻ESD的设计

设计人员可以遵循一些标准实践和方法来帮助减少ESD的可能性，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影响较小的材料制成的焊盘上。

由于电缆与系统的连接和断开可能会导致ESD，因此在电路的输入和输出端口使用瞬态电压抑制器或浪涌保护二极管可以减少ESD损坏。

使用接地层有助于将ESD旁路到地，避免它穿过PCB的有源组件的可能性。

寄生电感会阻碍保护电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长。

承载不同电压的走线应有足够的间距，尤其是在电压较高的情况下。由于PCB绝缘材料可能没有足够的绝缘电阻，设计人员可能需要在PCB上包括气隙或槽。

避免在PCB末端附近通向IC引脚的走线。由于操作员几乎完全通过边缘处理PCB，因此这些区域更容易受到ESD的影响。如果可能，电路板接地线应围绕PCB外围。

预防ESD的过程

通过过程预防ESD需要所有与之交互的人的意识以及对所有处理PCB及其包含的组件和存储它们的人员的培训。为防止静电积聚，设备和人员的正确接地至关重要。这要求人员穿戴防静电服装（鞋、工作服、帽子等）。在处理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心。它们应接地到电气接地系统，并在顶部有防静电垫。防静电接地材料串联高阻值电阻，可将静电荷带走，保护人员免受意外触电。这方面的更多信息和最佳实践可以在NFPA-77中找到。

为确保接地系统正常工作，应进行定期检查。腕带和地线的使用寿命有限，因此需要根据需要进行检查和更换。随着时间的推移，防静电垫的表面往往会磨损，影响其电阻率，这意味着它们应该定期更换。对于地板和地毯，还可以使用有助于消除静电荷积聚的处理化合物。

尤其是在生产过程中限制合成材料的使用尤为重要，尤其是在材料检验、存储设施及其容器、PCB组装和测试区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，允许更多的静电荷积累，而潮湿的空气有助于它们更容易消散。因此，那些有空调的区域也必须使用加湿器，以防止空气过于干燥。

印刷电路板ESD总结

有时，PCB组装车间的整个楼层都无法满足上述条件和需求。在这些情况下，拥有一个可清晰识别和划分的ESD保护区至关重要。当表面都与地面相连时，物体、人员和任何设备都对具有相似电位的ESD敏感。该区域应分开，只有经过培训的工作人员以及负责进行上述有效性检查的人员才能进入。