CN104349584A - 一种圆片形静电防护pcb电路板 - Google Patents

一种圆片形静电防护pcb电路板 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电火工品用的一种圆片形微型静电防护PCB电路板，包含PCB绝缘电路板、金属焊盘、金属化过孔、多锯齿形覆铜板。用于装配贴片式静电电子防护器件，用作雷管壳口部封装结构件，用于防护电雷管脚-脚及脚-壳多次静电冲击。所述静电防护PCB电路板通过金属化过孔穿过电雷管脚线实现电路连接和结构连接。本发明的静电防护PCB电路板，不仅有多锯齿形覆铜板组成的放电空气隙构成脚-壳静电放电通道，还有三个异形焊盘用于脚-壳间和脚-脚间并联静电电子防护器件的电路连接。采用本发明的静电防护PCB电路板装配静电电子防护器件构成的防护静电组件，脚-壳和脚-脚防护效果均可以达到抗人体静电50kV以上，且经受多次静电放电冲击不会发生任何性能改变。

Description

一种圆片形静电防护PCB电路板
所属技术领域
本发明专利属于电路板设计，特别是一种适合小尺寸电火工品用的静电防护PCB电路板。
背景技术
在工业电雷管和军用电火工品静电防护设计上，通常采用脚-壳之间增加绝缘材料、提高脚-壳绝缘强度或设置静电泄放通道、形成电流分流回路来提高脚-壳的静电防护效果，而脚-脚的抗静电能力的提高目前主要是通过提高桥丝直径、改变桥丝材料传热性能、提高药剂爆发点等技术途径，来达到工业标准GJB5309.14-2004《静电放电试验》、MIL-DTL-23659F-2010《电起爆器通用设计规范》的抗人体静电500pF、25kV脚-壳放电的静电安全要求，以及达到国家标准GBT8031-2005《工业电雷管》的抗人体静电2000pF、10kV脚-壳放电的静电安全要求,美国桑迪亚实验室《静电泄放危害环境数据库和库存到目标程序推荐基准规范》文献中指出人体走过地毯产生静电电压可高达40kV，军械工程学院学报《人体静电极端值的分析研究》-1991文献中指出《英国防静电通用规范》-1983文献中给出的人体静电电位极端值为50kV，《北京国际静电会议》-1988文献中给出的极端值为30kV-50kV，军械工程学院学报《人体静电瞬态电位测试研究》-1989文献中给出的极端值是60kV，等等。随着爆炸装置和武器系统使用场所的电磁环境恶劣程度的提高，使得静电环境越来越恶劣，原有的电火工品静电防护设计已经面临威胁，要求电火工品的抗静电能力要大幅提高。同时电火工品在使用、运输等过程当中还不可避免的会受到静电的多次冲击作用也是不可忽视的，目前文献报道电火工品主要在脚-壳之间涂导电胶的方式来防护脚-壳静电，但当静电作用3次之后导电胶的防护效果大大降低，甚至会失去防护作用，因此这就要求找到一种能够经受人体静电极端值和静电多次冲击后而静电防护效果不变的方案。
火工品期刊《电火工品抗电磁危害加固技术的研究》-2002文献中指出现有的电火工品静电防护措施有增加脚-壳绝缘材料等，脚-壳间涂导电胶、泄放电容、低通滤波器、齐纳二极管、双极性二极管(肖特基二极管)、半机械保护结构等。其中增加脚-壳绝缘材料措施在小尺寸火工品结构上难以实现，涂导电胶不能满足多次静电冲击，且静电极限值不高于25kV；泄放电容、低通滤波器、齐纳二极管、双极性二极管等电子防护器件的连接结构难以安装在小尺寸电火工品结构上，且抗静电极限值有限(如≤25kV)。
中国专利CN201210540239.9公开的防静电结构是在雷管后端外插一个横向放电金属连接件，尺寸较大，不适用长脚线或小尺寸雷管。金属连接件与雷管脚线之间采用压接方式连接，容易造成电极脱落和防护电路断路，使静电保护电路失效。外插式放电金属连接件提升雷管的制造工艺难度，若在雷管成型后外插易造成意外发火而发生危险，而在雷管成型前外插对于雷管的制造工艺带来很大的不便和麻烦，同时外插横向放电金属连接件会给雷管的使用带来限制，在导弹高过载的情况下外插横向大电路板很容易脱落对系统构成危险，在没有多余的使用空间时外插横向大电路板将给整个系统带来危险。专利并没有说明静电的防护效果。
中国专利CN201220055188.6公开的防静电结构只用于在半导体桥雷管中，并且在防护脚-壳静电时只选用1个尖角放电，由于产品在运输、装配过程中会经过至少3到5人次对产品进行放电，一次放电后对锯齿可能造成熔化变形，从而失去静电防护作用，多次放电冲击后会发生危险；同时所述专利并没有给出防护效果，也没有提出能够进行抗多次静电冲击，更没有提出产品尺寸的大小。
发明内容
为了提高极限静电电压(＞25kV)以及抗多次静电冲击，本发明专利提供了一种适合小尺寸电火工品用的静电防护PCB电路板，该电路板适合安装贴片式TVS管、压敏电阻等防护电子器件，并适合于小于Φ6mm电雷管等电火工品管壳口部结构安装和电路连接。该电路板和静电电子防护器件组合，它不但能够对脚-壳、脚-脚的静电放电进行有效防护，同时还能够经受多次静电冲击，可使敏感型电火工品抗极限静电电压达到50kV以上。
本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案是：
针对最高人体静电电压极端值50kV、最大浪涌电流500A，依此确定静电防护PCB电路板上最大浪涌电流承载能力、电子防护器件最大浪涌电流、箝位电压(击穿电压)，再确定静电防护PCB电路板的布线结构和尺寸。
静电防护PCB电路板的功能兼有固定静电防护器件、固定脚线、提供脚壳间静电泄放空气间隙、与管壳收口结构连接构成口部密封结构。静电防护PCB电路板包括一个圆片形绝缘电路板、三个异形金属焊盘、两个金属放电极、两个金属过孔。
PCB电路板的正面上布置了三个异形金属焊盘，一个较长的矩形焊盘、一个较短的矩形焊盘和一个圆弧形焊盘；较长矩形焊盘的上半部和较短矩形焊盘组成一对电极，用于连接一只贴片式静电防护器件的两极，使静电防护器件与电火工品脚-脚发火回路构成并联电路，形成脚-脚静电泄放通道；较长矩形焊盘的下半部和圆弧形焊盘组成另一对电极，用于连接另一只贴片式静电防护器件的两极，使静电防护器件与电火工品脚-壳发火回路构成并联电路，形成脚-壳间静电泄放通道；只连接一只静电防护器件时则只具备对应静电发火回路的防护功能，如果连接两只静电防护器件时则同时具备电火工品脚-脚、脚-壳静电发火回路的防护功能。
PCB电路板的反面上布置了两个对称形状的锯齿形覆铜板放电极，锯齿形顶角角度为60度，由于产品在运输、装配过程中会经过3到5人次对产品进行放电，一次放电后对锯齿可能发生熔化变形，从而失去防护作用，故设计成多锯齿形，尖角齿数视PCB电路板的直径大小而定，直径越大则齿数越多，约取5～8个尖角，均匀布置，每个尖角与PCB电路板外缘均留有0.3mm的空气间隙，作为静电泄放通道，理论计算其空气间隙的击穿电压为900～1000V，脚-壳间的静电泄放通过脚线、金属化过孔、锯齿形覆铜板放电极、锯齿形尖角、0.3mm空气间隙、金属管壳内壁构成脚-壳间静电泄放回路；另外装入电火工品时锯齿形放电极应朝向电极塞(塑料塞、玻璃塞或陶瓷塞的绝缘材料)一侧，并与电极塞、管壳之间保留一薄层空气间隙作为静电泄放通道；静电泄放空气间隙处不得被涂胶及其它物质填充，放电极位置应安装在尽量远离火工品装药；每个尖角与管壳内壁之间均可构成脚-壳间静电泄放通道，可实现多次静电泄放功能。
贴片式静电防护器件与焊盘之间的电连接可以通过回流焊、烙铁锡焊、导电胶粘接等不同方式的电连接和结构连接，静电防护器件和焊盘之间的结构连接强度与焊盘和PCB电路板之间的结构连接强度应相当；焊盘的面积大小以能可靠焊接或粘接静电防护器件为准，在PCB电路板电路布线面积允许的条件下，焊盘面积越大，越好焊接或粘接。
PCB电路板为绝缘材料，厚度为0.3mm，电路板厚度应保证能够承受浪涌电压不小于脚-壳间击穿电压(如1kV静电电压)的4倍所对应的最小厚度。PCB电路板(1)所用金属焊盘、锯齿形放电极为铜面沉金金属膜电极，焊盘和锯齿形电极厚度为35μm，金属膜电极厚度应保证能够承受最大浪涌电流500A的最小厚度；在PCB电路板结构强度允许的条件下，PCB电路板越薄，越有利于在电雷管结构上的装配。
三个异形焊盘的圆角是为了防止焊盘边角构成尖端放电；焊盘与电路板外缘之间的间距不小于0.5mm，所有金属焊盘之间的间距不小于0.3mm；锯齿尖角距离PCB电路板边缘的间隙为0.3mm，两个覆铜板放电极间距不小于0.5mm。金属化过孔分别与PCB电路板的正面焊盘、反面覆铜板放电极电连接，表面平整，便于焊接或粘接贴片式静电防护器件，并通过焊接或粘接与脚线电连接。
本发明的有益效果是：通过该PCB电路板将两只静电防护器件分别并联在脚-脚、脚-壳回路上，可以同时实现对脚-脚和脚-壳静电放电回路的防护，此外锯齿形放电极提供了脚-壳静电泄放空气隙，它与静电防护器件并联构成脚壳静电防护双重保险作用。通过试验验证得出采用TVS管、压敏电阻对脚-壳防护效果可以提高到抗人体静电50kV以上，比GJB5309.14-2004中静电电压安全性指标(25kV)提高了一倍；采用压敏电阻对脚-脚防护效果可以提高到抗人体静电30kV，采用TVS管对脚-脚防护效果可以提高到抗人体静电50kV以上，在提高脚-脚静电防护效果方面是前人所没有尝试过的；由于所选用TVS管、压敏电阻的特性决定了不管是在脚-壳防护还是在脚-脚防护上都能够经受静电放电的多次冲击而不会发生任何性能改变。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1是静电防护组件电路板布线正面视图。
图2是静电防护组件电路板布线反面视图。
图3是静电防护组件电路板上安装贴片式静电防护器件结构示意图。
图4是玻璃电极塞结构剖面图。
图5是高效静电防护组件电路原理示意图。
具体实施方式
结合图1、图2、图3，防静电片包括一个带两个孔的PCB圆板1、三个金属焊盘2、5、6、两个金属化过孔2、3以及两个带锯齿的覆铜板7、8，带两个孔的PCB板1的两个孔金属化后就形成了两个金属化过孔2、3，孔高上边与金属焊盘高度一致、下边与覆铜板高度一致，在PCB板1上通过金属过孔2连接金属焊盘4和多锯齿的弧形覆铜板7；通过金属过孔3连接金属焊盘5和多锯齿的弧形覆铜板8；两个矩形金属焊盘4、5焊接防护脚-脚压敏电阻或TVS管9的两极，长矩形焊盘4与弧形金属焊盘6焊接防护脚-壳压敏电阻或TVS管10的两极，从而形成了带压敏电阻或TVS管的静电防护组件。样品的电极塞尺寸3.45×3mm，桥丝为10μmPtW合金，产品电阻3～9Ω，发火工作电压12V(6.8μF)，可计算得出正常发火工作时作用在火工品的能量为4.9×10-4J；脚-脚静电临界发火电压18.45kV，脚-壳静电临界发火电压5.29kV。通过PCB板多锯齿的弧形覆铜板可以使脚-壳静电电压提高到35kV；使用ESD12V32D-C型双向TVS管在脚-脚和脚-壳并联时，静电防护能力都能达到50kV。
其中金属焊盘4边缘距PCB圆板的边缘不小于0.5mm，所用金属焊盘间距不小于0.3mm。带多个锯齿的弧形覆铜板7、8，锯齿尖角为60度，锯齿尖距PCB圆板外缘为0.5mm，两个覆铜板7、8间距不小于0.5mm。
值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。

Claims (6)

1.一种圆片形静电防护PCB电路板，包含圆片形PCB绝缘电路板、三个异形金属焊盘、两个锯齿形金属放电极和两个金属化过孔，其特征是PCB电路板尺寸小，直径为3.45mm、4.22mm，厚度0.3mm，所述PCB电路板能够装配2只微型化的贴片式高效静电防护电子器件，并可装配在相同直径的电极塞上和相同内径的雷管壳内，三个异形金属焊盘用于连接2只贴片式静电防护电子器件，同时构成脚-脚和脚-壳静电泄放通道，两个锯齿形金属放电极用于与管壳构成脚-壳静电泄放通道，从而在防护脚-壳静电放电时有双保险作用，金属化过孔用于电路板正面电路和反面电路电连接，同时也用于电路板与电火工品两个脚线的电连接。
2.根据权利要求1所述电火工品用的一种圆片形微型静电防护PCB电路板，其特征在于电路板(1)的正面上布置了三个异形金属焊盘，一个较长的矩形焊盘(4)、一个较短的矩形焊盘(5)和一个圆弧形焊盘(6)；焊盘(4)的上半部和焊盘(5)组成一对电极，用于连接一只贴片式静电防护电子器件(9)的两极，使静电防护电子器件与电火工品脚-脚发火回路构成并联电路，形成脚-脚静电泄放通道；焊盘(4)的下半部和焊盘(6)组成另一对电极，用于连接另一只贴片式静电防护电子器件(10)的两极，使静电防护电子器件与电火工品脚-壳发火回路构成并联电路，形成脚-壳间静电泄放通道；只连接一只静电防护器件时则只具备对应静电发火回路的防护功能，如果连接两只静电防护器件时则同时具备脚-脚、脚-壳静电发火回路的防护功能。
3.根据权利要求1所述电火工品用的一种圆片形微型静电防护PCB电路板，其特征在于圆片形PCB电路板(1)的反面上布置了两个对称形状的锯齿形覆铜板放电极，锯齿形顶角角度为60度，有5～8个尖角，均匀布置，每个尖角与PCB电路板(1)外缘均留有0.3mm的空气间隙，理论计算其空气间隙的击穿电压为900～1000V，脚-壳间的静电泄放通过脚线、金属化过孔、锯齿形覆铜板放电极(7、8)、锯齿形尖角、0.3mm空气间隙、金属管壳内壁构成脚-壳间静电泄放回路；另外PCB电路板装入电雷管时锯齿形放电极应朝向电极塞(塑料塞、玻璃塞或陶瓷塞绝缘材料)一侧，并与电极塞、管壳之间保留一薄层空气间隙作为静电泄放通道；静电泄放空气间隙处不得被涂胶及其它物质填充，放电极位置应安装在尽量远离火工品装药；每个尖角与管壳内壁之间均可构成脚-壳间静电泄放通道，可实现多次静电泄放功能。
4.根据权利要求1所述电火工品用的一种圆片形微型静电防护PCB电路板，其特征在于圆片形PCB电路板(1)为绝缘材料，直径为3.45mm，厚度为0.1～0.3mm，电路板厚度应保证能够承受浪涌电压不小于脚-壳间击穿电压(如1kV静电电压)的4倍所对应的最小厚度，在PCB电路板结构强度允许的条件下，PCB电路板越薄，越有利于在电雷管结构上的装配。
5.根据权利要求1所述电火工品用的一种圆片形微型静电防护PCB电路板，其特征在于圆片形PCB电路板(1)所用金属焊盘、锯齿形放电极为铜面沉金金属膜电极，焊盘和锯齿形电极厚度为35μm，金属膜电极厚度应保证能够承受最大浪涌电流500A的最小厚度。
6.根据权利要求1所述电火工品用的一种圆片形微型静电防护PCB电路板，其特征在于焊盘(4、5、6)的圆角是为了防止焊盘边角构成尖端放电；焊盘与电路板外缘之间的间距不小于0.5mm，所有金属焊盘之间的间距不小于0.3mm；锯齿尖角距离PCB电路板边缘的间隙为0.3mm，构成静电泄放通道，两个覆铜板放电极(7、8)间距不小于0.5mm。金属化过孔分别与PCB电路板的正面焊盘、反面覆铜板放电极电连接，过孔两端表面平整，便于焊接或粘接贴片式静电防护器件，并通过焊接或粘接与脚线电连接。
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