PCB 설계 시 ESD 전류가 PCB로 유입되는 것을 방지하는 방법

최근 전자 제품에 대한 ESD 테스트를 진행하고 있습니다. 다양한 제품의 테스트 결과를 통해 ESD가 매우 중요한 테스트라는 것을 알게 되었습니다. 회로 기판 설계가 미흡하면 정전기가 유입되어 제품 고장이나 부품 손상을 초래할 수 있기 때문입니다. 이전에는 ESD가 부품에 손상을 준다는 사실만 알고 있었고, 전자 제품에도 이 정도 주의를 기울여야 할 줄은 몰랐습니다.

ESD는 정전기 방전이라고도 합니다. 정전기는 자연 현상으로, 일반적으로 전기 제품 간의 접촉, 마찰, 유도 및 기타 방법에 의해 발생합니다. 정전기의 특징은 장기간 축적, 고전압(수천 볼트 또는 수만 볼트의 정전기 발생 가능), 소량의 전기, 소량의 전류, 짧은 작동 시간입니다. 전자 제품의 경우, ESD 설계가 제대로 이루어지지 않으면 전자 및 전기 제품이 불안정해지거나 손상될 수 있습니다. ESD 방전 테스트에는 일반적으로 접촉 방전과 기중 방전, 두 가지 방법이 있습니다. 접촉 방전은 테스트 대상 장치에 직접 방전되는 것이고, 기중 방전은 간접 방전이라고도 하며, 인접한 전류 루프에 강한 자기장이 결합되어 발생합니다. 이 두 가지 테스트의 테스트 전압은 일반적으로 2KV~8KV이며, 지역마다 요구 사항이 다릅니다. 따라서 설계 전에 제품이 목표로 하는 PCB 시장을 이해하는 것이 중요합니다. 위의 두 가지 상황은 인체가 전자 제품에 접촉하여 인체 전기화 또는 기타 이유로 작동하지 않을 때 발생하는 기본적인 테스트입니다. 

세계 각 지역의 습도 상황은 다르지만, 동시에 한 지역의 대기 습도가 다르면 발생하는 정전기도 달라집니다. 아래 표는 수집된 데이터를 보여주는데, 습도가 낮아질수록 정전기 발생량이 증가한다는 것을 알 수 있습니다. 이는 겨울철 중국 북부 지역에서 제모 시 정전기로 인한 큰 스파크가 발생하는 이유를 간접적으로 설명해 줍니다. 정전기는 매우 큰 피해를 입히므로 어떻게 보호해야 할까요? 정전기 보호 설계 시에는 일반적으로 세 가지 단계를 거칩니다. 외부 전하가 회로 기판으로 유입되어 손상을 유발하는 것을 방지합니다. 외부 자기장이 회로 기판을 손상시키는 것을 방지합니다. 정전기장으로 인한 위험을 방지합니다.

실제 PCB 회로 설계에서는 정전기 보호를 위해 다음 방법 중 하나 이상을 사용합니다. 

 1. 정전기 보호용 애벌랜치 다이오드 :  이 방법 역시 설계에 흔히 사용되는 방식입니다. 일반적인 방법은 애벌랜치 다이오드를 주요 신호선의 접지에 병렬로 연결하는 것입니다. 이 방법은 애벌랜치 다이오드의 빠른 응답 속도와 안정적인 클램핑 능력을 활용하여 누적된 고전압을 단시간에 소산시켜 회로 기판을 보호합니다. 

 2. 고전압 커패시터를 이용한 회로 보호 :  이 방식에서는 일반적으로 내압이 1.5KV 이상인 세라믹 커패시터를 I/O 커넥터 또는 키 신호 위치에 배치하고, 전선 인덕턴스를 줄이기 위해 전선을 최대한 짧게 유지합니다. 내압이 낮은 커패시터를 사용하면 커패시터가 손상되어 보호 효과가 떨어집니다. 

 3. 회로 보호에 페라이트 비드를 사용하세요 .  페라이트 비드는 ESD 전류를 감쇠시키고 방사를 억제할 수 있습니다. 두 가지 문제가 발생할 경우 페라이트 비드를 사용하는 것이 좋습니다. 

 4. 스파크 갭 방식 :  이 방식은 일체형 소재에서 볼 수 있습니다. 구체적인 방식은 구리판으로 구성된 마이크로스트립 층이 삼각형 구리판으로 이루어져 있으며, 각 구리판의 끝이 서로 정렬되어 있습니다. 삼각형 구리판의 한쪽 끝은 신호선을 연결하고 다른 쪽 끝은 접지선을 연결합니다. 정전기가 발생하면 팁 방전이 발생하여 전기 에너지를 소모합니다. 

 5. LC 필터를 사용하여 회로 보호 :  LC 필터는 회로로 유입되는 고주파 정전기를 효과적으로 감소시킵니다. 인덕턴스 리액턴스는 고주파 ESD가 회로로 유입되는 것을 효과적으로 방지하고, 커패시터는 ESD의 고주파 에너지를 접지로 분로합니다. 동시에 이러한 필터는 신호 에지를 매끄럽게 하고 무선 주파수 영향을 줄여 신호 무결성 성능을 더욱 향상시킵니다. 

 6. 다층 PCB 기판 ESD 보호 :  자금이 허락한다면 다층 기판을 선택하는 것도 ESD를 예방하는 효과적인 방법입니다. 다층 기판에서는 배선 근처에 완전한 접지면이 있기 때문에 ESD가 낮은 임피던스 평면에 더 빠르게 결합되어 주요 신호를 보호할 수 있습니다. 

 7、PCB 라인보드 주변 보호테이프 유지방법 :  이 방법은 일반적으로 조립 및 회로보드 주변 납땜층 없이 배선을 그리는 데 사용됩니다.조건이 허락한다면 배선을 쉘에 연결합니다.동시에 링 안테나를 형성하여 더 큰 문제를 일으키지 않도록 폐쇄 루프를 형성하지 않도록 주의합니다. 

 8. 클램핑 다이오드를 갖춘 CMOS 소자 또는 TTL 소자를 사용한 회로 보호 :  이 방법은 회로 기판을 보호하기 위해 절연 원리를 사용합니다. 이러한 소자에는 클램핑 다이오드 보호 기능이 있으므로 실제 회로 설계에서 설계 복잡성이 줄어듭니다. 

 9. 자주 사용되는 디커플링 커패시터 :  이러한 디커플링 커패시터는 낮은 ESL 및 ESR 값을 가져야 합니다. 저주파 ESD의 경우 디커플링 커패시터는 루프 영역을 줄여야 합니다.