Wie Sie Ihre PCB mit ESD-Grounding erden und vor ESD-Schäden schützen

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Ich besuchte bereits die High School, als ich so langsam begann, das Ingenieurwesen auch als Karriere außerhalb des Maschinenraums einer der vielen Star Trek-Folgen zu betrachten. Jedoch war ich auch bereits vor dieser Zeit, wenn auch unterbewusst, auf jeden Fall daran interessiert. Die Anzeichen waren schon ziemlich früh zu erkennen, zumal ich die Namen aller Cheftechniker von Star Trek aufzählen konnte. Komplett besiegelt war meine Laufbahn dann, als ich ein antistatisches Armband als Geschenk erhielt und deshalb völlig aus dem Häuschen war. Sie haben nicht zufällig eines Ihrer Schmuckschatulle? Nun gut, es besteht aus einem elastischen Gewebe mit einem breiten Metallstreifen, der auf der Haut aufliegt, und einem Kabel mit einer Krokodilklemme, die für die Erdung angebracht wird. Wir mussten uns damals noch per Telefon in das Internet einwählen, was mich jedoch nicht davon abhielt, Stunden auf das Laden einer Seite zu warten, nur um herauszufinden, wie ich mich selbst erden konnte. Ausgestattet mit meinem Armband überzeugte ich meine Freunde, mich für Upgrades an ihren RAM-Speichern anzuheuern oder mich einfach an ihren Computern basteln zu lassen. 

Das ESD-grounding kann sich im einfachsten Fall auf das Berühren eines Metallgegenstands oder den Verzicht auf Schlurfen beschränken. Dennoch empfiehlt es sich, sich vor dem Umgang mit ESD-empfindlichen Bauteilen angemessen zu erden.

Erdung zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen ist in vielen Phasen Ihrer Produktentwicklung notwendig. Beim Umgang mit empfindlichen Produkten, wie zum Beispiel RAM-Riegeln, hat es sich bewährt, eine ESD-Matte zu verwenden und sich so selbst zu erden. Zudem können Sie einen Erdungsschutz für Ihre Produkte bereitstellen, indem Sie sie zweckmäßig entwickeln. Es ist immer besser, im Rahmen des PCB-Designs gute Erdungspraktiken (auch ESD-Grounding) anzuwenden und so die Abhängigkeit von sicherer Handhabung zu verringern. Wie Mr. Spock sagen würde: „Es ist unlogisch anzunehmen, dass sich alle künftigen Kunden oder Monteure beim Umgang mit sensiblen Produkten stets erden werden.“

Verwenden Sie Masseflächen zum ESD-Grounding

Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, Masseverbindungen für das ESD-Grounding zu verwenden – an erster Stelle steht jedoch die Verwendung einer Massefläche. Auch wenn sich ein mehrlagiges Design nicht immer anbietet, kann die Massefläche Ihnen wirklich weiterhelfen, wenn Sie sich über das Thema ESD-Schutz Sorgen machen. Wie Sie wissen, wird eine plötzliche Spannungsentladung elektromagnetische Felder erzeugen. Eine korrekt verbundene Massefläche kann den daraus resultierenden Schaden reduzieren, indem sie den Strom von empfindlichen Bauteilen fernhält.

Eine Massefläche eröffnet Ihnen jedoch noch eine weitere Möglichkeit, um die Fläche der Schleifen stromführender, zur Erdung führender Leiterbahnen zu reduzieren. Wenn Sie die Fläche der Leiterschleifen verringern, wird dies die elektromagnetischen Störungen vermindern, die in diesem Bereich auftreten. Dies wiederum reduziert den Strom, der ungewollt in Bauteile fließen kann.

Schützen Sie Ihre Masseflächen mit ESD-Grounding

Auch wenn eine Massefläche jede Menge Gutes leistet, kann Sie auch als direkter Pfad in Ihre empfindlichen Bauteile fungieren, wenn sich ein ESD-Impuls direkt in sie entlädt. Um solche Schäden zu vermeiden, sollten Sie daran denken, auf empfindlichen Bauteilen TVS-Schaltungen zwischen den Versorgungs- und Masseanschlüssen zu verwenden, um die induzierten Ströme auf diese Weise umzuleiten. Korrekt umgesetzt, wird die Potenzialdifferenz, der die Bauteile ausgesetzt sind, auf die Klemmenspannung der TVS begrenzt bleiben.

Sie können mit Blick auf empfindliche Bauteile auch hochfrequenztaugliche Bypass-Kondensatoren zwischen Stromversorgung und Masse verwenden. Diese Kondensatoren reduzieren die Ladungsinjektion und die Spannungsunterschiede zwischen Stromversorgung und Masse. Platzieren Sie diese Kondensatoren und TVS-Schaltungen nah an den zu schützenden Bauteilen.

Darüber hinaus sollten Sie beim Anbringen von Steckverbindern an Ihrem PCB Leiterplatten-Pads aus Kupfer verwenden. Stellen Sie sicher, dass das Pad von der PCB-Masse getrennt ist. Ansonsten ebnen Sie den elektrostatischen Entladungen nämlich einen bequemen Weg mit geringem Widerstand, über den sie all Ihre Bauteile erreichen können, obwohl Sie schon eine Vielzahl weiterer Schutzmechanismen implementiert haben. Zudem gilt auch ganz allgemein, dass Sie die Länge der Leiterbahnen wann immer möglich minimieren sollten.

Verwenden Sie eine Chassis-Erdung

Bevor Sie mit der Arbeit und dem Entnehmen von Bauteilen beginnen, sollten Sie sich selbst und den Computer-Tower erden. Analog dazu können Sie auch das externe Gehäuse Ihres Produkts erden. Wenn Platine und Gehäuse eine gemeinsame Erdung nutzen, kann die Erdung des gesamten Systems verbessert werden. Eine der einfachsten Möglichkeiten, eine Gehäuseerdung zu implementieren, ist die Verwendung einer sogenannten „Chassis-Schraube“, die die Massefläche mit dem Gehäuse verbindet. Sie müssen hierbei jedoch sicherstellen, dass Sie ausreichende Abstandshalter verwenden, sodass andere Bauteile nicht zerdrückt oder am Gehäuse kurzgeschlossen werden, wenn das PCB eingebaut wird.

Die Verwendung einer Gehäuseschraube kann Ihnen helfen, Ihr PCB an Ihrem externen Gehäuse zu erden, und dann für die Erdung in den Boden zu sorgen.

Darüber hinaus macht eine Erdung mit einer Gehäuseschraube ESD-Grounding effektiver, wenn Sie Suppressordioden an Eingängen verwenden. Denken Sie daran, die Gehäuseerdung von der digitalen und analogen Masse zu trennen, indem Sie induktive Bauteile verwenden. Auf diese Weise wird eine Entladung zur Erde nicht ungewollt mit all Ihren anderen Bauteilen geteilt.

Falls Sie High-Speed-Schaltungen entwerfen, wissen Sie bereits, dass sich die Performance-Optimierung hier schwieriger gestaltet. Dies gilt insbesondere, wenn sich Ihr Routing über mehrere Masseflächen wie ein Gehäuse und eine PCB-Lage erstreckt. Im besten Fall können Sie die Chassis-Erdung direkt mit einem Erdungspunkt verbinden können. Falls dies nicht möglich ist, sollten Sie sämtliche Masseflächen eng miteinander gekoppelt haben. Dies wird dabei helfen, etwaige Verschiebungen des Massepotenzials um wichtige Bauteile herum zu verringern.

Wenn Sie einen Erdungspunkt für Ihr Chassis verwenden, empfiehlt Texas Instruments, dass Sie diesen „direkt neben“ der Masse Ihres TVS und der Masse der zu erwartenden ESD-Quelle (meist eine Steckverbinder-Abschirmung am Eingang) platzieren.

Bei der Installation, Reinigung oder Inspektion eines PCB können Finger trotz eigentlich guter Absichten viel unbeabsichtigten Schaden verursachen.

Die Integration eines guten ESD-Grounding kann Ihr Design vor jeder Menge Schäden schützen, die durch ungelenke oder neugierige Finger entstehen, auch wenn diese die besten Absichten haben. Obwohl das Ganze Ihren Plan für Ihr Gehäuse und Abstandshalter noch komplexer macht, kann es Ihnen letztendlich viel Zeit mit Blick auf eine Überarbeitung Ihres Designs ersparen. Ein PCB-Tool, das Ihnen bei der Bewältigung dieser zusätzlichen Komplexität behilflich sein kann, ist die 3D-Abstandsprüfung von Altium. Indem Sie Altium den physischen Aufbau Ihrer Platine und Ihres Gehäuses überlassen, können Sie sich auf das übrige Design konzentrieren. Sie können jetzt direkt mit Altium loslegen und es auf Anhieb richtig machen!