某產(chǎn)品ESD靜電放電設(shè)計(jì)與整改案例
1. 問題描述
某工業(yè)顯示屏在進(jìn)行ESD靜電放電測(cè)試時(shí)，對(duì)網(wǎng)口、USB、串口打±6kV接觸放電，每次試驗(yàn)系統(tǒng)液晶屏出現(xiàn)藍(lán)屏現(xiàn)象，系統(tǒng)死機(jī)，重新上電后可以恢復(fù)，實(shí)驗(yàn)不通過。
本問題已經(jīng)歷經(jīng)半年，期間客戶公司內(nèi)部以及方案公司進(jìn)行過V1.0-V1.31共4次改板，投入了大量人力物力仍未解決，時(shí)間刻不容緩。
2. 故障診斷
考慮到本板歷次分別從接地、濾波、隔離等方面對(duì)單板進(jìn)行了設(shè)計(jì)整改，均未改善，懷疑單板有ESD薄弱點(diǎn)，因此本次確定采用敏感源頭診斷和整改的方案，從源頭徹底解決問題。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析，判斷為CPU功能單元受到干擾，分析核心子板（CPU模塊電路）管腳各信號(hào)，從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、信號(hào)功能等角度分析，判斷表1羅列的信號(hào)比較敏感，易受靜電干擾。
表1 易受ESD干擾的敏感信號(hào)
將ESD靜電槍電壓分別調(diào)至100V、300V、600V和1000V，分別對(duì)核心子板表1所示的信號(hào)管腳做接觸放電，查找ESD敏感信號(hào)，如圖1所示。
圖2 接觸打IC管腳
實(shí)驗(yàn)中問題沒有復(fù)現(xiàn)，因此排除這些信號(hào)產(chǎn)生的問題，試驗(yàn)記錄如表2所示。
表2 ESD敏感信號(hào)驗(yàn)證結(jié)果
繼續(xù)分析核心子板上敏感電路，當(dāng)對(duì)敏感信號(hào)DDR_CLK 100V接觸放電時(shí)問題復(fù)現(xiàn)，且每次放電問題都可以復(fù)現(xiàn)。
DDR_CLK布線4mil，且布線未預(yù)留焊盤，整改手段有限，為了確定靜電輻射電磁場(chǎng)對(duì)DDR_CLK時(shí)鐘信號(hào)有無影響，則使用1根金屬接地線，放在DDR_CLK線正上方，用靜電槍打接地線銅鼻子，如圖3所示。
圖3 接觸打接地線銅鼻子
按圖3所示的方法，6KV接觸放電時(shí)，5次放電問題都能復(fù)現(xiàn)，因此確認(rèn)靜電電磁場(chǎng)輻射對(duì)DDR_CLK信號(hào)和DDR器件有影響，此時(shí)使用銅箔將核心板區(qū)域屏蔽并接地，保護(hù)DDR敏感信號(hào)和模塊，如圖4所示。
圖4 核心板模塊屏蔽
將核心板模塊區(qū)域屏蔽后，對(duì)I/O接口進(jìn)行接觸放電正負(fù)6KV、8KV、10KV，每次連續(xù)40次放電，系統(tǒng)均運(yùn)行正常，問題解決，因此確定為核心板受靜電干擾導(dǎo)致整機(jī)死機(jī)。
3. 原因分析
繼續(xù)驗(yàn)證確定整機(jī)ESD為輻射耦合or容性耦合，經(jīng)分析，系統(tǒng)靜電放電泄放途徑為I/O接口——單板PGND——金屬襯板——金屬機(jī)箱——機(jī)箱蓋板——接地線，如圖5所示。
圖5 整機(jī)靜電泄放途徑
當(dāng)將機(jī)箱蓋板與金屬機(jī)箱不擰螺絲時(shí)或者機(jī)箱蓋板不蓋時(shí)，發(fā)現(xiàn)此時(shí)靜電放電無問題，因此排除輻射耦合，那么此時(shí)靜電泄放途徑為I/O接口——單板PGND——金屬襯板——金屬機(jī)箱，則相當(dāng)于核心板DDR敏感部位與機(jī)箱蓋板無靜電容性耦合（兩者距離很近），如圖6所示。
圖6 去掉后蓋整機(jī)靜電泄放途徑
綜上整機(jī)核心子板靜電耦合簡(jiǎn)易模型如圖7所示。
圖7 核心子板靜電耦合模型
診斷時(shí)核心子板加屏蔽罩后此時(shí)靜電耦合模型如圖8所示。
圖8 核心子板靜電耦合模型
從圖8可以看出，核心子板加屏蔽罩后，機(jī)箱后蓋板靜電能量直接耦合到金屬屏罩并通過屏蔽罩接地引腳到GND，從而避免ESD直接耦合到敏感的DDR模塊，問題得以解決。因此根據(jù)以上分析，為機(jī)箱后蓋板靜電干擾容性耦合至DDR模塊電路導(dǎo)致ESD問題。
4. 整改措施
因核心子板是客戶公司平臺(tái)化產(chǎn)品，模塊上DDR電路又及其敏感，推薦主板采用屏蔽罩屏蔽敏感核心子板模塊的方案量產(chǎn)，本方案簡(jiǎn)單易行，成本增加不到0.5元，效果可靠。最后經(jīng)與客戶溝通，目前主板上空間充足，本方案可生產(chǎn)，屏蔽罩如圖9所示。
圖9 核心板屏蔽罩
5. 實(shí)踐效果
改板后再次進(jìn)行靜電試驗(yàn)，此后系統(tǒng)死機(jī)問題再未復(fù)現(xiàn)，試驗(yàn)通過。
【點(diǎn)評(píng)/點(diǎn)睛】
ESD實(shí)驗(yàn)時(shí)，工程師經(jīng)常碰到打一槍就死，整改來整改去沒用，即便做了無數(shù)次PCB改板，也徒勞無功，搞得懷疑人生，自嘲下此刻想死的心都有了！何故？因?yàn)殡娐分杏袑?duì)ESD極其敏感的薄弱點(diǎn)，不攻要害，何來征服！本案例產(chǎn)品ESD問題，經(jīng)過縝密的診斷和分析確定出了敏感源和耦合途徑，然后通過對(duì)敏感源屏蔽成功化解。本文的整改方法和思路啟示我們，打蛇打七寸，擒賊要擒王，不出手則已，出手則要直擊要害，一戰(zhàn)定乾坤。
