手機在整個生命周期內都處在一個充滿靜電的環境之中,如果抗靜電釋放(ESD)設計不好,則可能導致手機在使用過程中發生鎖死、復位、數據丟失和不可靠等現象。本文將結合實際的設計闡述手機ESD控制的基本原則和保護設計方法,以及產品生產時的補救措施。

ESD破壞大多數明顯的影響是器件失效,從手指或其它導體上突然的靜電釋放能夠破壞靜電敏感器件或者微電路。處于靜電釋放危險中的電子器件可能完全不受影響,或產生了損傷但并不能立即被察覺,但是由于中間階層品質降低,其預期壽命可能降低,這就是一個潛在的設備操作故障。ESD事件導致器件品質降低,在持續使用時引起失效。ESD的破壞可以是累積性的,導致受損器件功能時好時壞,而且這類故障具有一定的隱蔽性。ESD另一個重要的影響是對于操作設備的干擾。由ESD事件傳遞和發射的能量能夠被操作系統誤認為有效數據,導致在數據傳輸過程中引起暫時錯誤,在更嚴重情況下,設備可能產生嚴重的故障,如電話斷線或完全被切斷,需要手動重新開啟。

ESD控制技術

防止ESD損壞的一個辦法是在器件、電路包裝和系統里設計抗ESD的專門保護結構,另一個方法是防止靜電電荷積累,從而避免ESD的發生。

1. ESD控制的基本原則:

a 認識到所有的電子組件和裝配件都對于ESD破壞敏感；

b 在沒有適當接地情況下避免觸摸敏感組件和裝配件；

c 除非在一個靜電安全環境中,應該避免運輸、儲藏和搬運靜電敏感組件和裝配件。

2. 設計保護

保護微電子電路組件的主要有效手段是在器件制造時建立保護回路。設計保護回路要在三個要素之間綜合考慮─器件的主要功能、器件制造制約(例如屏蔽水平和材料特性)和器件的位置(ESD控制)。保護電路對于ESD瞬間的反應必須比被保護的器件迅速。雖然典型的器件保護可以通過設計回路獲得,然而沒有器件制造商能夠完全消除ESD破壞問題,因此,還需要附加的保護措施。

電子技術的發展趨勢是電子設備速度將越來越高,在一些情況下速度和其它的功能標準可能制約保護措施的使用。使用這些受限制的保護措施,需要器件制造商和使用者之間盡早協調,以便在電路封裝和系統上建立保護,同時預先安排特別的處理技術。由于標準的控制程序不夠充分以及不允許一些自動安裝技術,這樣的要求對于靜電敏感器件極為關鍵。電路封裝保護技術包括采用適當的遮蔽保護膜、特殊連接設計、保護環和組件放置。完整的系統使設計也必須考慮ESD引起的臨時性干擾,解決措施可以采用屏蔽,并且電路板的設計布置需要考慮到典型的噪聲抑制技術。

3. PCB抗靜電設計原則(參見圖1~7):

a 減少回路面積(面積越大,所包含的場流量越大,其感應電流越大)。

b 走線越短越好。

c PCB接地面積越大越好。

d 電源與地之間接電容。

e 器件與靜電源隔離。

f PCB的接地線需要低阻抗且要有良好的隔離。

g 所有的組件越近越好。

h 同一特性器件越近越好。

i 電源與地越接近越好。

j 電源、地布局在板中間比在四周好。

k 存在多組電源和地時,以格子方式連接。

l 信號線越靠近地線越好。

m 太長的信號線或電源線必須與地線交錯布置。

n 在電源和地之間放置高頻旁路電容。

4. PCB上外露金屬的設計(見圖8):

a 外露金屬容易被ESD擊中,因此金屬本體及延伸至PC板內部線路周圍必須隔離2mm以上間隙。

b 加上尖端放電,吸收靜電(GND銅箔越寬越好,并直接回主地)。

c 多層板的內層同樣需要隔離。

d 整面的防護:加上金屬接地面。

5. PCB板邊緣和螺絲孔的設計(見圖9):

a A處為機構設計加長靜電路徑,防止靜電進入。

b B處在板邊緣設計一條銅箔,直接連回主地,不可連接其它回路,并適度露銅或取消阻焊,以吸收靜電。

c C處螺孔設計原理同B。

d D機構加上防護片,防止靜電進入。

6. 減少場耦合的方法

a 在源端使用濾波器衰減信號

b 在接收端使用濾波器衰減信號

c 增加距離以減少耦合

d 降低源端和接收端的天線效應

e 90度極性差異

f 在傳輸與接收端之間使用隔離方式

g 增加傳輸與接收天線的阻抗以降低磁場耦合

h 使用均勻、低阻抗參考板使信號一直保持在共模狀態

7. 外殼設計準則

a 外殼的金屬部份需接機殼地

b 至少需要與電子器件或電路走線距離以上

c 若無法接機殼地時須距離2cm以上

d 盡量使同屬性電子器件在一起

e 要有足夠空間,以避免阻礙PCB設計

f 所有相連接之金屬材料其EMF差要小于

g 所有設計須有另加隔離片的空間

h 所有孔洞或縫隙不能大于2cm

i 使用多個小孔取代一個大孔

j 不可在接機殼地或靜電敏感組件附近挖孔

k 使用金屬帶(foil tape)時,必須與機殼實現電接觸

h 連接帶需短而寬

ESD糾錯方法及補救措施

由于ESD控制的復雜性,即使經驗非常豐富的工程師也難做到萬無一失,對進入生產環節才發現ESD問題的產品能夠準確及時補救十分重要。

1、 糾錯的原則及步驟

樣機ESD通不過是個讓工程師頭疼的問題,可以根據下面的步驟來發現并分析產生的問題及原因。

a. 仔細觀察實驗現象。注意電弧的放電強度及放電方向,讓ESD放電槍(GUN)從不同方向靠近放電點,觀察現象有何不同,分析靜電是如何進入機身。

b. 逐漸增加或減少放電電壓,觀察手機是在哪個電壓區間發生失效。例如,在做空氣放電測試時,如果8KV不能通過,向下打6KV、4KV；如果8KV通過,則向上打10KV、12KV、15KV觀察實驗現象。

c. 畫圖及列表,詳細記錄實驗現象。畫出手機正面,反面及側面示意圖,準確標注放電點,必要處以彩色筆標出電弧方向。列表詳細記錄每一放電點的實驗現象。如某點在某一正負電壓值放電次數、失效次數及每次失效現象,是關機、復位還是LCD顯示不正常,都詳細記錄以便參考。

d. 一臺樣機的現象總是帶有隨機性,需要對幾臺樣機進行同樣的測試,找出失效的共性現象,以便準確判斷失效原因。

e. 根據實驗現象進行分析,判斷失效原因。由于ESD 的失效原因是多種多樣的,所以由一個現象可能分析出幾種不同的原因,其中的某一個或幾個引起手機ESD失效。這需要工程師進行更深一步的分析,針對每一種可能進行具體實驗,最終找出失效的真正原因。

2、 補救措施

如果不是萬不得已,盡量找到較好的補救措施,使產品不至于從新設計。分析失效原因之后,必須認真尋找最恰當的補救措施。

a. 必須做大量的試驗來尋找解決方案,這是一個反復而枯燥的過程,針對不同的原因采用不同的方法,如露銅吸收靜電、加導電材料釋放靜電、添加防護墊及防靜電器件等方法,將靜電合理阻擋、疏通或吸收。

b. 找到解決方案后,必須對此方案進行進一步的分析,盡量做到經濟并適于量產,避免采用昂貴的元器件及在制造過程中采用手工操作。

本文作者:

徐濤

何穎

ESD工程師

上海DBTEL實業有限公司