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靜電放電(ESD)對PCB的影響
靜電放電(ESD)對PCB的影響
靜電放電(ESD)會損壞PCB（印刷電路板）上的電子元件，甚至?xí)p壞電路板本身。當(dāng)絕緣體或未連接的導(dǎo)體積累正電荷或負(fù)電荷時，電荷量取決于絕緣體或?qū)w的存儲電容，因?yàn)樗c附近帶相反電荷的物體有關(guān)，所形成的靜電不能通過電動勢轉(zhuǎn)移，使其無法轉(zhuǎn)移。平衡自己。
如果電路板組件之間的電容值沒有減小，就會發(fā)生這種情況。實(shí)際上，這種靜電沒有釋放路徑。如果存在導(dǎo)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(dāng)放電迅速發(fā)生時，會產(chǎn)生稱為ESD的現(xiàn)象，會對PCB和電子設(shè)備造成重大損壞。
靜電的來源
雖然靜電可以來自所有材料，但有些材料更容易受到負(fù)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產(chǎn)生負(fù)電荷，而人體皮膚和動物皮毛會產(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(dāng)于25 kV電動勢的靜態(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(guī)模要小得多。這種微小的閃電量稱為靜電放電 (ESD)。物理定律規(guī)定，電阻最小的路徑將導(dǎo)致大量電動勢以電流形式流過它。通常，被釋放的電流通過金屬框架或底盤到達(dá)地面。
例如，當(dāng)操作員在組裝PCB時，他或她身體所儲存的電荷可以通過金屬底盤或接地支架通過板上的電路放電。電流將嘗試通過幾條可用路徑到達(dá)地面。如果其中一條路徑恰好通過集成電路的PN結(jié)，電流將通過它，并在其尾跡中留下可見的孔。這是I2R損耗的結(jié)果，其中R是電阻，電流由I表示。如果電阻低，則允許電動勢的高電流流動。由于該材料無法散發(fā)大量產(chǎn)生的熱量，結(jié)果就是燒傷。
發(fā)生多少損壞取決于電動勢通過電流攜帶的熱量。因此，并非每次充電都會對設(shè)備造成不可挽回的損壞。然而，當(dāng)器件在典型操作期間受到壓力時，該放電造成的看似最小的損壞可能會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有耗散的情況下流動的情況。隨著時間的推移，它們會降低設(shè)備性能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和完整性。
靜電放電的性質(zhì)
ESD可以通過多種方式表現(xiàn)出來。最常見的方法是通過對人體觸摸敏感的設(shè)備。人體以及特定的服裝材料每個工作日可以存儲500到2,500伏特的靜電。這對于人類感知來說太低了，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(shè)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(yùn)動，都可能產(chǎn)生導(dǎo)致電氣損壞的電流。后者可能發(fā)生在例如電子設(shè)備靠近空氣處理系統(tǒng)、用風(fēng)扇對電子設(shè)備吹氣、甚至使用壓縮空氣清潔 PCB時。
在人類收集靜電荷的情況下，它的載體是不知道的，它可以在PCB和帶電物體之間沒有物理接觸的情況下發(fā)生。
ESD引起的PCB損壞
當(dāng)任何帶電荷的物體靠近PCB時，總是存在ESD的可能性。ESD發(fā)生的最大機(jī)會是物體接觸時，但充電點(diǎn)之間的距離以及兩側(cè)之間的電動勢也是影響 ESD 發(fā)生機(jī)會的因素。
即使使用制造商內(nèi)置的IC內(nèi)的保護(hù)機(jī)制，ESD也可能無法避免。它造成的損害可以是兩種類型之一：嚴(yán)重的或潛在的。設(shè)備因ESD而遭受的潛在損壞不太可能停止其運(yùn)行，但會部分降低其性能。隨著時間的推移，特別是在反復(fù)的潛在ESD損壞之后，設(shè)備的功能會越來越差，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。放電會使PCB上絕緣層的頂層炭化，從而將路徑的導(dǎo)電性降低到僅部分形成。這可能會導(dǎo)致電路在組裝后階段的性能下降。
嚴(yán)重或?yàn)?zāi)難性的ESD引起的損壞會使設(shè)備永久損壞。這通常可以通過性能測試來檢測。這種情況的唯一好處是，如此嚴(yán)重的損壞可以在PCB組裝過程的制造階段及早發(fā)現(xiàn)，因此它比在一段時間內(nèi)通過潛在損壞造成的損壞成本更低，因?yàn)榫哂羞@種情況的產(chǎn)品可以通過檢驗(yàn)和測試但未通過現(xiàn)場操作。
減輕ESD的設(shè)計
設(shè)計人員可以遵循一些標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐和方法來幫助減少ESD的可能性，保護(hù)PCB免受其災(zāi)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上。
由于電纜與系統(tǒng)的連接和斷開可能會導(dǎo)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(hù)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PCB的有源組件的可能性。
寄生電感會阻礙保護(hù)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。
承載不同電壓的走線應(yīng)有足夠的間距，尤其是在電壓較高的情況下。由于PCB絕緣材料可能沒有足夠的絕緣電阻，設(shè)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。由于操作員幾乎完全通過邊緣處理PCB，因此這些區(qū)域更容易受到ESD的影響。如果可能，電路板接地線應(yīng)圍繞PCB外圍。
預(yù)防ESD的過程
通過過程預(yù)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(xùn)。為防止靜電積聚，設(shè)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(yīng)始終佩戴連接到地面的腕帶。
安裝金屬工作臺時需要格外小心。它們應(yīng)接地到電氣接地系統(tǒng)，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(hù)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(tǒng)正常工作，應(yīng)進(jìn)行定期檢查。腕帶和地線的使用壽命有限，因此需要根據(jù)需要進(jìn)行檢查和更換。隨著時間的推移，防靜電墊的表面往往會磨損，影響其電阻率，這意味著它們應(yīng)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)過程中限制合成材料的使用尤為重要，尤其是在材料檢驗(yàn)、存儲設(shè)施及其容器、PCB組裝和測試區(qū)域以及包裝和運(yùn)輸過程中。另一個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(diào)的區(qū)域也必須使用加濕器，以防止空氣過于干燥。
印刷電路板ESD總結(jié)
有時，PCB組裝車間的整個樓層都無法滿足上述條件和需求。在這些情況下，擁有一個可清晰識別和劃分的ESD保護(hù)區(qū)至關(guān)重要。當(dāng)表面都與地面相連時，物體、人員和任何設(shè)備都對具有相似電位的ESD敏感。該區(qū)域應(yīng)分開，只有經(jīng)過培訓(xùn)的工作人員以及負(fù)責(zé)進(jìn)行上述有效性檢查的人員才能進(jìn)入。