Protection statique Problèmes courants et solutions

Fabricant multicouche de PCB en Chine

L'échelle des dispositifs à semi-conducteurs modernes devient de plus en plus grande et la tension de travail de plus en plus basse, ce qui entraîne la sensibilité des dispositifs à semi-conducteurs aux perturbations électromagnétiques externes. Les décharges électrostatiques ont de plus en plus attiré l'attention sur les interférences causées par les circuits, les dommages aux composants, les circuits CMOS et les circuits d'interface. L’ESD des équipements électroniques a également commencé à être inscrit dans les normes nationales et internationales en tant que partie importante des tests de compatibilité électromagnétique.

Causes électrostatiques et leurs dommages

Lorsque l'électricité statique est frottée par deux substances ayant des constantes diélectriques différentes, les charges polaires positive et négative s'accumulent sur deux corps spécifiques. Lorsque deux objets sont en contact, l’un d’eux tend à attirer les électrons et forme ainsi un potentiel de charge différent. Dans le cas du corps humain, l'électricité statique générée par le frottement entre le vêtement et la peau est l'une des principales causes de la charge du corps humain.

Lorsque la source d'alimentation statique est en contact avec d'autres objets, il y a un flux de charge selon le mécanisme de neutralisation de charge, qui transfère suffisamment de puissance pour compenser la tension. Lors de la transmission d'une puissance à haute vitesse, des tensions, des courants et des champs électromagnétiques sont générés. Dans les cas graves, les objets sont détruits. C'est une décharge électrostatique. Il est défini dans la norme nationale: La décharge électrostatique est un transfert de charge provoqué par la proximité ou le contact direct de potentiels électrostatiques spéciaux (GB / T4365-1995), généralement exprimés en ESD. Les décharges électrostatiques peuvent causer des dommages graves ou un dysfonctionnement de l'équipement électronique.

Les dommages électrostatiques sur l'appareil sont à la fois dominants et récessifs. Les dommages cachés n'étaient pas visibles à ce moment-là, mais l'appareil est devenu plus fragile et facilement endommagé dans des conditions de surpression et de température élevée.

Les deux principaux mécanismes de défaillance de la décharge électrostatique sont les suivants: la chaleur générée par le courant de décharge électrostatique provoque une défaillance thermique du dispositif; la tension excessive induite par les décharges électrostatiques (ESD) provoque une dégradation de l'isolation. Les deux types de dommages peuvent se produire simultanément dans un même appareil. Par exemple, une défaillance de l'isolation peut exciter des courants importants, ce qui entraîne une défaillance thermique.

En plus des dommages causés par le circuit, la décharge électrostatique est également très facile à provoquer des interférences avec le circuit électronique. Les décharges électrostatiques peuvent interférer avec les circuits électroniques de deux manières. L'un est une interférence conduite et l'autre est une interférence rayonnée.

La construction de produits numériques et leurs problèmes ESD

De nos jours, les fonctions de divers produits numériques deviennent de plus en plus importantes, tandis que les cartes deviennent de plus en plus petites et l'intégration de plus en plus importante. Une partie plus ou moins importante de l'interface est utilisée pour l'interaction homme-machine. Il existe donc un problème de décharge électrostatique par le corps humain. Les composants des produits numériques généraux nécessitant une protection contre les décharges électrostatiques sont les suivants: interface USB, interface HDMI, interface IEEE1394, interface antenne, interface VGA, interface DVI, circuit de boutons, carte SIM, écouteurs et autres interfaces de transmission de données.

Les décharges électrostatiques peuvent provoquer des dysfonctionnements, des pannes, voire des dommages matériels, ainsi que d'autres problèmes de sécurité. Par conséquent, avant que le produit ne soit mis sur le marché, les services d'inspection nationaux ou étrangers sont tenus de tester les décharges électrostatiques et autres surtensions. Parmi eux, la décharge par contact doit atteindre ± 8 kV, et la décharge dans l'air doit atteindre ± 15 kV, ce qui impose des exigences élevées en matière de conception des décharges électrostatiques.

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Résolution de problèmes ESD et protection des produits numériques
3.1 Conception structurelle du produit

Si l’électricité statique libérée est considérée comme une inondation, la solution principale est similaire au contrôle de l’eau, qui «bloque» et «épargne». Si le produit que nous concevons a un boîtier idéal hermétique à l'air, il n'y a pas d'électricité statique, il n'y a donc pas de problème statique. Cependant, le boîtier lui-même présente souvent des trous dans le couvercle et bon nombre d'entre eux comportent des éléments décoratifs en métal. Veillez donc à faire attention.

Tout d'abord, utilisez la méthode "blocage". Essayez d’augmenter l’épaisseur du boîtier, c’est-à-dire d’augmenter la distance entre le boîtier et la planche, ou d’augmenter la distance de l'entrefer du boîtier par des méthodes équivalentes, afin d'éviter ou de réduire considérablement l'intensité énergétique du filtre. ESD.

Grâce à l'amélioration de la structure, la distance de l'entrefer entre l'enveloppe extérieure et le circuit interne peut être augmentée, de sorte que l'énergie de la décharge électrostatique est fortement réduite. En règle générale, la décharge électrostatique 8kV se désintègre généralement après une distance de 4 mm.

Deuxièmement, en appliquant la méthode "clairsemée", il est possible de pulvériser de la peinture EMI sur l’intérieur du boîtier. La peinture EMI est électriquement conductrice et peut être considérée comme un écran métallique qui permet de conduire l'électricité statique sur le boîtier. Le boîtier est ensuite connecté à la terre du circuit imprimé (PCB) pour conduire l'électricité statique loin de la terre. En plus de prévenir l’électricité statique, la méthode de traitement permet de supprimer efficacement les interférences électromagnétiques. Si l’espace est suffisant, vous pouvez également protéger le circuit avec un blindage en métal, qui est ensuite connecté au GND de la carte.

En bref, il existe de nombreux endroits à connaître sur les boîtiers de conception ESD. La première étape consiste à empêcher les décharges électrostatiques de pénétrer à l'intérieur du boîtier et à minimiser l'énergie pénétrant dans le boîtier. Pour que l’ESD pénètre à l’intérieur du boîtier, essayez de l’éloigner de GND et ne le laissez pas endommager les autres parties du circuit. Soyez prudent lorsque vous utilisez des décorations en métal sur le boîtier, car elles risquent d’apporter des résultats inattendus et nécessitent une attention particulière.

3.2 Conception du produit du circuit imprimé

La carte de circuit imprimé du produit actuel est une carte haute densité, généralement une carte à 4 couches. À mesure que la densité augmente, la tendance est d'utiliser un panneau à 6 couches, et sa conception doit toujours prendre en compte l'équilibre entre performances et surface. D'une part, plus l'espace est grand, plus l'espace disponible sur les composants est important. En même temps, plus la largeur et l'espacement des lignes sont larges, plus les avantages pour l'EMI, l'audio, l'ESD, etc. D'autre part, la compacité de la conception de produits numériques est également une tendance et un besoin. Par conséquent, vous devez trouver un point d'équilibre lors de la conception.

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En ce qui concerne le problème ESD, il convient de porter une attention particulière à la conception, notamment en ce qui concerne la conception du câblage GND et l’espacement des lignes. Certains produits présentent un gros problème d'EDD et il n'y a toujours aucune raison. Après des recherches et des expérimentations répétées, la conception de PCB a posé problème. À cette fin, voici un résumé des points à prendre en compte lors de la conception des PCB:

(1) La distance entre le bord de la carte de circuit imprimé (y compris le trou traversant) et les autres câblages doit être supérieure à 0,3 mm;
(2) Les bords de la carte du circuit imprimé sont de préférence tous entourés de traces GND;
(3) La distance entre GND et les autres câbles est maintenue à 0,2 mm ~ 0,3 mm;
(4) La distance entre Vbat et les autres câbles est maintenue entre 0,2 mm et 0,3 mm;
(5) La distance entre les lignes importantes telles que Réinitialisation, Horloge, etc., et les autres câblages doit être supérieure à 0,3 mm.
(6) La distance entre la ligne à haute tension et l'autre câblage est maintenue entre 0,2 et 0,3 mm;
(7) Il devrait y avoir autant de vias (VIa) que possible entre les GND de couches différentes;
(8) Évitez les angles vifs dans le pavage final. Les angles vifs doivent être aussi lisses que possible.

3.3 Conception du circuit du produit

Dans la conception du boîtier et du circuit imprimé, après avoir prêté attention au problème ESD, ce dernier entrera inévitablement dans le circuit interne du produit, notamment les ports suivants: interface USB, interface HDMI, interface IEEE1394, interface antenne, interface VGA, interface DVI , circuit de boutons, carte SIM, écouteurs et autres types d’interfaces de transmission de données, ces ports sont susceptibles d’introduire de l’électricité statique du corps humain dans le circuit interne. Par conséquent, des dispositifs de protection ESD doivent être utilisés dans ces ports.

Les dispositifs de protection électrostatique utilisés dans le passé sont des dispositifs à varistance et TVS, mais leurs inconvénients courants sont que la vitesse de réponse est trop lente, la tension de décharge n’est pas assez précise, la capacité interélectrode est grande, la durée de vie est courte, et la performance électrique est détériorée à cause de multiples utilisations. . Par conséquent, le "suppresseur statique" actuel est couramment utilisé dans l'industrie pour remplacer le dispositif de protection statique classique.

"Suppresseur statique" est une solution professionnelle au problème de l'électricité statique. Sa structure interne et son principe de fonctionnement sont plus scientifiques et professionnels que d’autres produits. Il est constitué d'un polymère polymère et les molécules de diamant internes sont disposées de manière discrète et régulière. Lorsque la tension électrostatique dépasse la tension de déclenchement de l'appareil, les molécules internes génèrent rapidement une décharge bout à bout qui décharge l'électricité statique au sol en un instant. Sa principale caractéristique est sa réponse rapide (0,5 ns ~ 1 ns), sa très faible capacité interélectrode (0.05pf ~ 3pf), son très faible courant de fuite (1μA), convient parfaitement à diverses protections d'interface.

Comme le suppresseur statique présente de nombreux avantages, tels que le faible volume (0603, 0402), la non-polarité, la vitesse de réaction rapide, etc., la proportion d'utilisation de suppresseurs d'électricité statique en tant que dispositifs de protection dans la conception actuelle est en augmentation. points lors de l'utilisation:
1. Placez l’appareil le plus près possible du port à protéger;
2. La connexion à GND est aussi courte que possible.
3. La surface du GND connecté est aussi grande que possible.

Le problème de l'EDD est l'un des nombreux problèmes importants. Il existe différentes manières d'éviter d'endommager le circuit dans différents dispositifs électroniques. En raison de la petite taille et de la densité élevée des produits numériques, la protection contre les décharges électrostatiques (ESD) présente des caractéristiques uniques. Grâce à un grand nombre d’expérimentations d’essais statiques, il est prouvé que la méthode de conception de ce papier peut protéger et améliorer un produit qui aurait été mort après une décharge de ± 2 kV, et qu’il peut toujours fonctionner de manière stable sous une décharge électrostatique de ± 8 kV, qui joue une très bonne électricité statique. Effet protecteur.

Avec l'utilisation croissante de dispositifs électroniques, la conception ESD est une préoccupation majeure pour tous les ingénieurs concepteurs de structures et ingénieurs concepteurs électroniques. En résumant et en apprenant continuellement, les problèmes d'EDD ne seront plus un problème!