一种防御二次静电放电的实现方法，电路板及设备与流程

本发明涉及电路板领域，尤其涉及一种防御二次静电放电的实现方法，电路板及设备。

背景技术：

二次静电放电(secondaryelectrostaticdischarge)是一种特殊的静电放电形式，当带电人体接触到电子产品时，除了人体对电子产品的一次放电外，一次放电会对电子产品金属部件间的间隙快速充电，当间隙电压远超过静态击穿电压时，会形成强烈的二次放电现象。

二次放电一般发生在电子产品内部，从内部干扰和损伤电子产品，而且受环境的影响更剧烈，产生的电磁危害更强，物理机制也更复杂。由于其特殊性与复杂性，直接套用传统的静电放电理论与经验模型有很大的局限性，二次静电的防护是静电防护领域的一个难点。

目前电子产品只有一次静电(esd)的防护设计，对esd的防护最常见的方法就是：使用esd保护器件，常用的防静电元器件是tvs(transientvoltagesuppressor)瞬态电压抑制器，与常见的用于整流的肖特基二极管不同，它的特点是当两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以纳秒量级的速度将两极间高阻抗变为很低的阻抗，将电压箝位于一个预定值。静电有正负之分。

因此，用的都是双向的tvs.从单通道到多通道，tvs有多钟形式，比如usb信号，是六通道的，参考图1。

电子产品中不可避免的存在“浮地”金属部件，比如：金属按键，浮地指的是某部件没有和电子产品的接地部件连通。

这些浮地金属部件与电子产品内部的其他金属部件形成了亚毫米级的间隙。当电子产品在使用中，触碰到这些浮地的金属部件会发生一次静电放电，也许这时的一次静电放电可能并不影响产品的正常工作。

但是，如图2所示，一次静电放电会对金属部件间隙进行充电，当间隙冲电电压高于空气击穿的阈值电压时，这些微小的亚毫米间隙将会产生二次静电放电，对周边电路产生危害。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种防御二次静电放电的实现方法，方法包括：

s1，量测二次静电波形；

s2，根据量测的二次静电波形，计算二次静电的带宽；

s3，依据二次静电的带宽小于截止频率，配置π型滤波电路，选取电路板的过孔参数；

s4，在芯片下方电路板的预设层配置接地环；

s5，在接地环上设有预设数量的过孔；

s6，将芯片配置到接地环内，芯片的接地引脚与接地环连接；

s7，芯片的信号线通过所述接地环所在层的下方信号层穿出所述接地环。

优选地，步骤s3还包括：

截止频率的计算方式为：

r为滤波电路的终端匹配电阻；

l为滤波电路电感，c为滤波电容。

优选地，滤波电容的计算方式为：

ε为pcb板材的介电常数，过孔焊盘直径为d1,过孔直径为d2；

滤波电路电感的感值为l＝2*10^-7h[ln(4h/d2)-1]

h为过孔的长度，

d2过孔直径。

优选地，步骤s4中在芯片下方电路板的top层配置接地环。

优选地，芯片的信号线使用微孔换层到所述接地环所在层的下方信号层穿出所述接地环。

优选地，所述微孔的孔径小于0.3mm，长度小于1.5mm；

所述微孔靠近接地环上的过孔设置。

优选地，接地环上的过孔为盲孔。

优选地，过孔之间的尺寸小于二次静电带宽波长的二十分之一。

基于上述方法，本发明还提供一种电路板，包括防御二次静电放电的实现方法所配置的电路板。

基于上述方法，本发明还提供一种设备，包括电路板。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明依据二次静电的带宽小于截止频率，利用过孔的滤波电容和滤波电路电感组成π型滤波电路的方法，防止二次静电放电对电路元件的损害。并且通过在芯片下方电路板的预设层配置接地环；在接地环上设有预设数量的过孔；芯片的信号线通过所述接地环所在层的下方信号层穿出所述接地环等方式，进一步的防止二次静电放电对电路元件的损害，可以大幅降低产品的设计风险，提高产品的综合品质，避免了当间隙冲电电压高于空气击穿的阈值电压时，这些微小的亚毫米间隙将会产生二次静电放电，对周边电路产生危害。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中usb的tvs六通道保护线路图；

图2为二次静电干扰示意图；

图3为防御二次静电放电的实现方法流程图；

图4为二次静电的波形图；

图5为过孔示意图；

图6为过孔的等效电路图；

图7为过孔类型图；

图8为二次静电防御的pcb设计示意图。

具体实施方式

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对于本发明来讲，涉及的电路板即为本领域常用的pcb板，利用过孔的寄生电容和滤波电路电感组成π型滤波电路，并且通过一些pcb的布线设计来防止二次静电放电对电路元件的损害。具体的本发明提供一种防御二次静电放电的实现方法，如图3所示，方法包括：

s1，量测二次静电波形；

测量二次静电波形可以使用示波器和高压探头，量测二次静电波形，如图4，可以理解的是pcb板上设置有多个芯片，量测点可以选取距离二次放电点最近的芯片的pin脚，作为使用高压探头时，应串接衰减器和磁环，以防止二次静电对示波器的损伤。

s2，根据量测的二次静电波形，计算二次静电的带宽；

根据二次静电的示波器波形图4，读取二次峰值的上升时间tr，例如如图4中的1ns。得出二次静电的最大辐射带宽为bw＝1/tr＝1ghz。

s3，依据二次静电的带宽小于截止频率，配置π型滤波电路，选取电路板的过孔参数；

这里要通过选取合适的过孔参数的设计，不断调整过孔的焊盘和孔径尺寸、盲孔的长度，使得二次静电的带宽小于截止频率f0。

其中，本发明是利用过孔的寄生电容和滤波电路电感组成π型滤波电路，并且通过pcb的布线设计来防止二次静电放电对电路元件的损害。

当pcb过孔的最大尺寸小于二次静电放电的波形的波长时，也就是呈现电短特性时，过孔可以等效为图5和图6所示的π型滤波电路。电容是由两层之间的焊盘产生的，c为滤波电容的等效容值也就是滤波电容。ε为pcb板材的介电常数，过孔焊盘直径为d1,过孔直径为d2。

令l为滤波电路电感的感值，h为过孔的长度，d2过孔直径。

l＝2*10^-7h[ln(4h/d2)-1]

π型滤波电路属于低通滤波电路，滤波电路的截止频率的计算方式为：

r为滤波电路的终端匹配电阻；

l为滤波电路电感，c为滤波电容。

在本发明中，要通过选取合适的过孔参数的设计，使得二次静电的带宽小于截止频率f0。在pcb过孔的设计中，过孔分为通孔、埋孔、盲孔、微孔等，如图7所示，其中通孔的长度最长，其等效电感最大，微孔长度最短，等效电感小。本发明选用盲孔，也就是接地环上的过孔为盲孔。服务器的主板层数普遍在10层以上，这样盲孔抵达层数不同，给了过孔的长度参数h以丰富的选择。

s4，在芯片下方电路板的预设层配置接地环；

在芯片下方电路板的top层配置接地环，也就是在pcb板的顶层配置接地环。

进一步的来讲，在二次静电干扰的芯片的下方pcb的top层中，配置一圈接地环线，宽度略大于前面选择的过孔的直径，接地环线上要布满前面选择的过孔。过孔之间的尺寸要小于二次静电的带宽所对应的波长的二十分之一，以抑制二次静电的辐射效应。

s5，在接地环上设有预设数量的过孔；

s6，将芯片配置到接地环内，芯片的接地引脚与接地环连接；

二次静电干扰的芯片的接地引脚要连接到接地环线，当芯片有多个接地引脚时，多个接地引脚要以gnd平面的形式连接到接地环线。

s7，芯片的信号线通过所述接地环所在层的下方信号层穿出所述接地环。

本发明中，如图8所示，为了降低过孔对芯片信号线的信号完整性指标的影响，二次静电干扰的芯片的信号线通过微孔穿过接地环线。

穿过的层也不在pcb的top层中。本发明的芯片的信号线通过所述接地环所在层的下方信号层穿出所述接地环。也就是通过top层下方最近的信号层来穿越接地环线。

当然信号线上的微孔，同样有对静电的滤波防护作用。根据多次的验证与仿真，建议使用的微孔的孔径小于0.3mm，长度小于1.5mm，同时这些微孔要尽量靠近接地环线的过孔，作用是利用接地环线的过孔给信号线跳层时产生的共模电流以回流路径，降低emi风险。

基于上述方式配置了电路板及其相应的元件，可以大幅降低产品的设计风险，提高产品的综合品质，保证产品顺利地上市销售，提高客户的满意度，可获得大量的经济效益。

这样本发明还提供一种电路板，包括防御二次静电放电的实现方法所配置的电路板。

进一步本发明还提供一种设备，包括上述电路板。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。