如何在 PCB 設計階段解決 ESD 問題？

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您應該在 PCB 設計初期就解決 ESD 問題。約有三分之一的 PCB 故障是由於靜電放電造成的。靜電放電會悄悄地傷害或破壞零件。有時，靜電放電會使物件過熱或燒毀。

這種情況多發生在佈局或間距不良時。您可能一開始看不到 ESD 損害。因此，預先規劃是很重要的。使用良好的佈局、堅固的接地以及正確的保護零件。這些步驟有助於讓電子產品遠離隱藏的 ESD 危險。

主要心得

當您 設計您的 PCB.這有助於阻止隱藏的損壞，並節省金錢。使用足夠的空間、特殊塗層和平滑的軌跡形狀。這些東西有助於阻止靜電在零件之間跳躍。製作一個堅固的接地層，並將所有金屬零件連接至地。

這可讓靜電安全地離開您的電路。選擇靜電抑制零件，例如 TVS 二極體 並將它們放在連接器附近。這樣可以快速阻止電壓尖峰。加入智慧型韌體，以找出錯誤並修復資料。這有助於您的裝置在發生 ESD 事件後繼續工作。

瞭解 ESD 問題

遊戲

ESD 的成因

當靜電積聚，然後跳電時，就會發生 ESD 問題。這種情況可能以不同方式發生。當您把東西摩擦在一起時會形成靜電荷，例如走在地毯上。乾燥的空氣會使情況變得更糟。

當空氣乾燥時，靜電會堆積在您的衣服、工具，甚至 PCB 上。如果房間濕度低於 30%，靜電放電風險就會增加。保持空氣濕度在 30% 和 70% 之間有助於阻止靜電積聚。

其他常見原因包括

• 材料間的摩擦（三電效應）
• 人為動作，例如取下膠帶或接觸零件
• 來自附近帶有電荷的事物的感應
• 快速的空氣吹起灰塵或小碎片
• 觸摸已經充電的東西

提示： 您可以透過配戴 ESD 腕帶、使用防靜電墊和保持工作區清潔濕潤來降低 ESD 風險。

電子產品中的 ESD 損害

靜電放電問題會以您可能無法立即察覺的方式傷害電子產品。當靜電擊中敏感零件時，可能會打破晶片內部的微小碎片。您可能會看到

• 閘極氧化層擊穿
• 燒毀的金屬線
• 短路或開路
• 表面刮傷或裂痕
• 造成長期故障的污染

有些損壞發生得很快。裝置停止運作，您就知道有問題了。其他時候，損壞是隱藏的。裝置一開始還能運作，但後來就壞了。這種情況稱為潛在故障。即使是很小的靜電放電事 件，也會使零件變得脆弱，因此可能無法使用很長時間。

您應該知道 ESD 問題會影響許多東西，例如智慧型手機和汽車。這些故障可能會造成資料遺失、工作不順暢或裝置損壞。隨著電子產品越來越小，它們對靜電放電變得更加敏感。

隔熱與分離

間隙與爬電距離

您可以在 PCB 跡線和墊之間留出足夠的空間，以幫助阻止 ESD。此空間稱為間隙。間隙是指兩點之間最短的空氣間隙。間隙是沿著電路板表面的最短路徑。兩者都是 間隙和爬電距離 有助於阻止 ESD 在零件之間移動。

為了讓 ESD 保護做得更好，您應該

• 在高電壓和低電壓跡線之間留出更多空間。
• 在 ESD 可能進入的地方，如連接器或開放焊盤，使用較大的間隙。
• 請勿在跡線上使用尖角。靜電會從尖銳的地方跳出。
• 在 PCB 上增加槽或溝槽，使爬電距離更長。

提示： 請務必檢查電路板的額定電壓。如果電壓較高，您需要更大的間隙和爬電空間。遵循您所在領域的安全規則。

防護塗層

您可以將 保護性塗層 這些塗層的作用就像防護罩一樣。這些塗層的作用類似屏蔽。它們可以讓靜電遠離敏感零件。保形塗層、灌封和不同的樹脂各有優點。

以下是關於常見防護材料的簡單表格：

保護材料	用於 ESD 和 PCB 的關鍵特性	ESD 保護的優點與限制
保形塗層	薄，有助於阻擋灰塵和水，更好的耐介電性	易於檢查和修正；類型不同
盆栽	填滿機殼，強大的抗擊擊力和弧度	堅固的牆壁；若破損則難以修復
丙烯酸樹脂 (AR)	擋電性佳、易於脫落	便宜；稍有彎曲
環氧樹脂 (ER)	堅固、耐化學品	非常堅固；彎曲度不高
矽樹脂 (SR)	彎曲性良好，可防止水和化學物質進入	適用於搖晃；防刮效果不佳
聚氨酯樹脂 (UR)	防化學物質及刮傷能力強	不易脫落；堅固的牆面

當您使用丙烯酸塗層或矽膠塗層時，就會製造一堵牆來阻擋靜電放電場。這可以保護您的 PCB，避免損壞、資料遺失和錯誤訊號。塗層還能幫助您的 PCB 使用更長時間，即使是在工廠或室外等惡劣環境中。為了達到最佳的 ESD 保護效果，請在使用塗層的同時，搭配良好的 PCB 佈局和 ESD 等級的零件。將這些步驟結合起來使用，就能獲得強大、持久的 ESD 安全性。

PCB 材料

接地與屏蔽

良好的接地和屏蔽可以在 ESD 問題發生之前就加以阻止。您可以使用這些方法讓您的 PCB 免受靜電和雜訊的影響。

地平面設計

堅固的接地層是保護 PCB 的最佳方法之一。您應該使用覆蓋整個電路板的專用接地層。這層會提供安全的路徑讓靜電從您的零件流走。

以下是您可以遵循的步驟，讓您的地平面運作良好：

1. 在多層 PCB 中使用連續接地層。這樣可以降低雜訊，並阻止 ESD 擴散。
2. 將所有裝置的地線直接連接至接地層。這樣可以避免接地迴路，並保持回傳路徑短。
3. 用銅填滿空隙，並將它們接地。這樣可以防止這些區域像天線一樣發揮作用。
4. 按以下順序排列 PCB 層：信號、接地、電源、信號。此設定可阻隔 ESD 和其他雜訊。
5. 盡可能保持較短的回流路徑和迴圈區域。短路徑會降低 ESD 接觸到零件的機會。
6. 在長訊號線旁放置保護線。保護線有助於將 ESD 引離敏感信號。
7. 不要用大孔或許多導通孔分割接地層。空隙會降低接地的效果。

提示： 當您在重要訊號線周圍放置保護線時，效果最佳。它們提供 ESD 接地的路徑，並保護您的訊號。

您還應該將任何外露的金屬零件接地，例如連接器或屏蔽罩。當您將這些零件接地時，靜電荷就會安全地移到大地或公共接地面。這可以阻止 ESD 接觸到您的電路。接地的金屬屏蔽可降低 ESD 高達 80 dB。這可讓您的裝置避免突然或隱藏的故障。

屏蔽方法

屏蔽可以阻止 ESD 和其他不需要的信號進入 PCB。您可以使用金屬蓋、金屬籠或特殊材料來製作遮罩。

下面的表格顯示了常見的屏蔽材料及其效果：

屏蔽材料	特性/效能
鍍錫冷軋鋼	最便宜；100 MHz 以下最佳；易焊接
鍍錫銅	200 MHz 以上最佳；容易焊接
鎳銀	常見；良好的屏蔽
不銹鋼	適合潮濕的地方；防鏽
鍍錫磷青銅	常見選擇
鋁合金	不常用於 PCB；難於焊接且散熱不良

您也可以使用不同的遮蔽技術：

屏蔽技術	說明 / 效果
完成 六面金屬外殼	在零件周圍製造法拉第籠；使用金屬外殼和接地層；阻擋來自四面八方的 ESD
實心接地層	必須連續工作才能運作良好
避免開孔	更少的孔洞和間隙意味著更好的遮蔽效果
兩件式 PCB 屏蔽設計	可拆卸外殼、通風孔和襯墊有助於保護和冷卻電路板
正確接地	請務必將您的防護罩接地，以獲得最佳效果

您應該經常將屏蔽接地。這可讓靜電有安全的出路，並保護您的 PCB 安全。如果您使用金屬盒或金屬蓋，請將其連接到接地層。盡量保持小孔和小縫。大的縫隙會讓靜電和雜訊進入。

請注意： 良好的接地和屏蔽是相輔相成的。當您同時使用這兩種方法時，就能降低發生 ESD 問題的風險，並延長 PCB 的使用壽命。

ESD 抑制元件

元件選擇

您可以為 PCB 挑選正確的抑制零件來解決 ESD 問題。TVS 二極體和多層變阻器 (MLV) 最常用。TVS 二極體的作用速度非常快，可以在電壓尖峰傷害到零件之前阻止它們。電源線使用單向 TVS 二極體。雙向的訊號線則使用雙向 TVS 二極體。MLV 可以吸收更多的能量，並在惡劣或炎熱的環境中運作良好。但 MLV 的速度比 TVS 二極體稍慢。如果您的電路板面臨更高的電壓或需要更多的 EMI 濾波器，您可以選擇 MLV。

當您挑選 ESD 抑制零件時，請檢查這些事項：

1. 確保工作電壓與您的電路電壓相符。
2. 單向訊號使用單向二極體，雙向訊號使用雙向二極體。
3. 對於快速資料線路，應選擇低電容量的零件，以保持訊號清晰。
4. 檢查峰值脈衝電流的額定值是否足以應付最大的突波。
5. 看看通道的大小和數量是否適合您的電路板。

提示： 使用 TVS 二極體、MLV、氣體放電管和保險絲的混合電路可提供更強大的分層保護。

安置策略

您需要在正確的地方放置 ESD 抑制零件，以保護您的電路板。將 TVS 二極體或 MLV 盡可能靠近連接器、I/O 埠或任何可能有 ESD 進入的地方。這樣可以在浪湧到達您的晶片之前就阻止它們。保持從 ESD 部分到接地層的接地路徑非常短。短路徑會降低 ESD 事件中的電壓尖峰。

遵循這些最佳步驟：

• 將受保護的零件集中在一起，以保持跡線短。
• 將敏感零件放在電路板中間附近，遠離邊緣。
• 請勿沿 PCB 邊緣傳輸重要訊號線。
• 在受保護的 IC 附近使用高頻旁路電容，以減少電荷注入。
• 使佈局中的迴路區域變小，以降低 ESD 脈衝所產生的電流。

如果您保護所有外部連接，並保持佈局緊密，就能降低發生 ESD 問題的風險。及早規劃並仔細放置零件會讓您的 PCB 更安全。

韌體策略

當您製作 PCB 時，需要考慮的不僅僅是硬體。韌體也可以幫助您保護您的系統免受 ESD 問題的影響。良好的韌體策略可協助您的裝置在 ESD 事件後復原。這可讓您的裝置在沒有大問題的情況下繼續運作。

錯誤處理

韌體中的智慧型錯誤處理可找出並修復 ESD 問題。靜電放電會造成故障、資料混亂或凍結裝置。如果您使用錯誤偵測例程，您的系統就能及早發現這些問題。

• 使用校驗和或 CRC 檢查資料是否錯誤變更。
• 新增看門狗計時器。如果系統停止運作，這些計時器會重新啟動系統。
• 觀察重要信號和輸入是否有奇怪的值。如果看到奇怪的東西，寫下來或嘗試修正。
• 對重要工作使用重試邏輯。如果工作失敗，您的韌體可以再試一次。

提示： 經常記下 ESD 錯誤。這有助於您找到弱點，並在之後進行更好的設計。

系統復原

ESD 之後，您的系統可能需要快速恢復正常。您可以使用不同的方式來修復，避免長時間停機。

1. 頁面控制穩定器:此功能會在關機前檢查並修復記憶體表。它會找出損壞的項目或將其標記為不良項目。這可讓您的系統節省資料，並停止無止盡的重新啟動。
2. 線上目錄搶救:您的韌體可以在執行時檢查和修復檔案資料夾。它可以修復破損的資料夾，並找到遺失的檔案。您不必為了大修復而停止一切工作。
3. 容量傾倒與重裝:您可以定期備份儲存空間。如果靜電放電導致資料遺失，您可以從備份重新載入檔案。使用完整備份和小型備份來節省時間並保護資料安全。

透過使用這些復原方式，您的裝置可以在受到靜電放電後彈回。您可以保持系統穩定，並保護重要資料。這讓您的 PCB 設計 對 ESD 問題的另一層防護。

您可以同時使用多種方法來避免 ESD 問題。這些方法包括接地、屏蔽、ESD 安全工具和電路級保護。如果您及早規劃，就能快速找到弱點。然後，您就可以從一開始就使用正確的修復方法。經常檢查您的設計，並改變您的步驟以阻止新的風險。

在每個 PCB 專案中，務必將防靜電放在第一位。這有助於您的電路板更好地運作，並通過阻止故障發生來節省成本。

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