CN110603620A - 具有静电放电保护的电路板安装开关 - Google Patents

Abstract

一种为保护印刷电路板(PCB)上的敏感的电子器件免受无意的放电的损坏而提供的静电放电保护装置。该保护装置形成为在接触面和PCB之间的介于中间的结构并且利用PCB使用的同一地面。当发生静电放电时，该放电被朝向PCB引导并且被引导至PCB上的至少一个接地点以避免对敏感的组件的损坏。

Description

具有静电放电保护的电路板安装开关

技术领域

本发明涉及保护电子组件避免受到无意中的静电放电的损坏，并且更特别地，涉及通过控制在放电发生期间所采用的电流路径的方向来将放电引导到印刷电路板所使用的地面来保护电子器件中的印刷电路板上的组件(诸如开关)避免受到静电放电的损坏。

背景技术

静电放电(ESD)经常被描述为电力在两个带电物体之间的流动。当具有不同电位的物体彼此靠近时可发生ESD并且ESD可包括可见的火花的产生。ESD的一个示例为当人员触碰导电物体时静电的放电。

ESD是销售半导体装置的电子器件制造商要面对的主要问题。半导体装置通常对于静电的存在敏感并且不注意的放电能够导致电子器件的严重损坏。例如，在检视ESD在电子装置上的影响时，人员可表示为100pF的电容(储电装置)并且可充电至4000至35000伏特的电压。当人员触碰目标时，该储存的能量可通过该目标释放。尽管传输的能量通常非常少，该电压仍能够损坏敏感的电子器件。

实际上不可能防止任何级别和所有级别的ESD。然而，已经采取两种通常的方法来解决该问题。

第一种方法为增加电弧必须行进的长度以到达底层的包括敏感电子组件的印刷电路板(PCB)，使得桥接气隙所需的电压必须相对较高。因此，将ESD的保护提供到某些阈值的的最简单的方式为保持PCB距离潜在的放电源尽可能远。由于结构限制(PCB相对于ESD电位放置的位置)，该方法在有效性上受到限制。

已经提供第二种方法：提供试图保护PCB的绝缘屏障。例如，若固体塑料的屏障放置于PCB和潜在的放电源之间，对于潜在的ESD的路径的电阻将远大于气隙。

这些解决方案都寻求通过增加接地电阻来防止任何ESD和所有的ESD到达PCB，从而ESD很难通过装置发生。然而，在能够发生非常高的电压(高达35000伏特)的情况下，由于防止在如此高的电位下放电所需的绝缘材料相对于其应该保护的相对低的成本的部件变得笨重且非常昂贵，这种方法取得了有限的成功。类似地，用于尤其在相对小的空间中实际实施需用于有效绝缘的气隙距离过大，组件的尺寸不能增加到需用于防止所有ESD的尺寸。因此导致尽管防止了一些ESD，装置仍承受由高ESD电压导致的损坏。最终导致电子组件的损坏或损毁。

其他理念寻求将ESD完全引导离开装置，实际上，提供了一种携带电力远离敏感的组件的低电阻路径。例如，美国第8,008,589号专利文献(以下简称为专利‘589)公开了一种电子开关装置，该装置包括防ESD装置。专利‘589教导了“在电子开关装置的表面上提供导电元件”，其中“由于更高的导电性，使用者的指尖处的电荷总是转移到金属元件并且并不穿透塑料面。”(第2栏第1-3行以及第8-11行)。专利‘589还教导了“接地连接件可以按需设计并且通过接地连接件以聚集的方式带走电荷”使得“由于电荷并不被引入到电子开关装置的精密电路中，有效避免了对实质电气或电子的开关装置的损坏。”(第2栏第11-18行)。特别地，专利‘589教导了“金属元件可靠地确保不会有电荷不受控制地穿透例如电子开关装置的塑料面并且损坏电路。”(第2栏第28-30行)

然而，专利‘589的限制在于，其再次寻求放置或停止任何ESD到达其寻求保护的印刷电路板(PCB)，这是不可能的。专利‘589的关键特征为“电荷通过接地连接件从环4带走。”(第2栏第48-49行)尽管专利‘589可能有助于减少ESD到达PCB的频率，该构造不能完全防止ESD到达PCB。PCB上的电子器件本质上为电子电路并且内在地应用电子路径。PCB本质具有将电力朝其吸引以寻找接地路径的倾向。类似地，取决于环境和空气条件，非常高的电压能够沿不期望的路径行进。尽管可能提供将ESD引导远离敏感电子器件的路径，但是在许多不同的条件下不可能完全控制ESD的路径。在该系统的情况下向PCB的放电仍会导致对敏感电子器件的损坏。

美国第9,072,161号专利文献(以下简称为专利‘161)为另一种寻求防止任何ESD到达PCB的系统。如之前陈述的，以稳定且可靠的方式来实现几乎是不可能的。例如，专利‘161教导了使用“位于基底层的顶面上并且能够至少覆盖敏感区域的静电屏蔽层...以及用于至少覆盖静电屏蔽层的绝缘层。”(第2栏第18-22行)专利‘161与专利‘589遇到的问题相同，即使在PCB的各个部分顶部提供屏障并且该屏障设计为将电荷载离敏感的电子器件，仍不可能完全防止任何ESD到达PCB。

美国第2016/0242331号专利申请公开(以下简称为申请‘331)为寻求保护PCB免受ESD损坏的另一种系统。申请‘331采用如之前设计的同样有缺陷的方法，即“防止ESD渗入PCB内部”(123段)

因此需要的是一种提供改进的ESD保护的系统，该系统并不会遇到如上讨论的问题。

发明内容

因此，本发明的一个目标在于提供一种系统来防止由于ESD导致PCB的组件发生损坏。

本发明的另一个目标在于提供一种系统，与已知的系统中教导的将ESD引导远离PCB相反，该系统将ESD朝PCB引导。

本发明的另一个目标在于提供一种系统，该系统在PCB本身上提供用于ESD到达由PCB使用的相同地面的路径，以避免对PCB上任何敏感的电子器件的损坏。

在一个构造中，提供开关，开关包括机械组件，该组件用于将ESD引导至与开关相关联PCB上的的控制点。

应当理解的是，电力将沿最小电阻的路径移动。然而，路径的电阻可基于多种因素改变，这些因素包括：环境条件和空气条件。这就是现有寻求完全防止任何ESD到达PCB的系统有效性受限的原因。因此，本发明寻求将任何ESD引向PCB，并且提供用于PCB本身上的电流到由PCB使用的相同地面的路径。

通过金属组件(ESD装置)将ESD引向PCB，该金属组件安装在PCB周围并且具有向下朝向PCB上的接触点延伸的“腿部”。在这样的开关构造中，PCB必须相对靠近开关的顶部安装在。这意味着ESD开始的位置(个体触碰开关顶部的位置)到PCB本身之间的距离过小，不能在所有情况下防止ESD(电弧)。应当理解的是，当开关组装好时，ESD装置可与其他组件一起机械地配合。ESD装置位于PCB上方以形成介于中间的结构组件来“捕获”源自接触面的任何ESD并且将电能引向PCB上的特定位置，以通过由PCB上的电子器件使用的接地连接件来消除该电能。在实践中，已经观察到的是，由于用于ESD的结构和移动路径，保护级别超过30KV。

该构造的主要优点在于，允许PCB非常靠近开关的顶部，开关的顶部为人员将实际触碰开关来操作开关的位置。尽管缺乏与ESD面之间的距离或缺少介于中间的稳健的绝缘材料，仍可达到非常高级别的ESD保护。

在一些构造中，电子装置提供为电子开关，包括安装到包括塑料材料的基底内的PCB。电子开关还可包括致动机构(也由塑料材料形成)，致动机构提供为移动到与PCB接触来致动开关。ESD装置可安装在致动机构的顶部周围或上方并且随后在电子开关的顶部上方安装盖。在该结构中，应当预见的是，盖可与基地机械地互锁。

ESD装置的该特定构造可取决于PCB的构造而变化。然而，当PCB形状大致为矩形时，对于ESD重要的是至少沿PCB的纵向长度的一部分延伸。ESD装置将典型地包括框架，框架将绕盖的顶部的接触面的周界延伸，从而当人员触碰接触面时，若发生静电放电，电流被朝向ESD装置拖动。由于ESD装置由金属材料制成，这将呈现对于电流的接近零欧姆的电阻(由于至少一个腿部将从框架直接朝向由PCB使用的接地点延伸)。以此种方式，静电放电被拖动到ESD装置并且被引导至PCB地面。无论环境条件如何，用于ESD装置的地面为PCB地面，该地面消除了电荷跳动至PCB本身以在PCB中移动并且损坏PCB上的电子器件的能力。

对于本申请，如下术语和定义适用于：

术语“第一”和“第二”用来将一个元件、组、数据、目标或物体与另一个区分开，并且并不用于指定时间上的相对位置或设置。

在此使用的术语“联接的”、“联接至”、“与...联接”、“连接的”、“连接至”、以及“与...连接”均代表两个或更多器件、设备、组件、系统、子系统和/或装置之间的关系，构成以下关系中的一者或多者：(a)连接，直接或通过一个或多个其他器件、组件、系统、子系统或装置的连接；(b)通信关系，无论是直接通信还是通过一个或多个其他器件、设备、组件、系统、子系统、或装置的通信；和/或(c)功能关系，在其中器件、组件、系统、子系统、或装置中的一者或多者的操作部分或整体地取决于器件、组件、系统、子系统、或装置中的任一一者或多者的操作。

在一个构造中，提供一种能够捕获且引导静电放电的电子装置，该装置包括：印刷电路板，印刷电路板包括位于其上的电子器件；致动面，致动面具有周界并且构造成被接触来致动电子器件；以及静电放电装置，静电放电装置包括绕致动面的周界延伸的框架，静电放电装置包括从框架延伸并且接触印刷电路板的至少一个腿部。电子装置设置为使得至少一个腿部的远端位于由印刷电路板使用的接地连接件附近，并且在对象接触致动面并且静电放电发生的情况下，静电放电被拖动到静电放电装置的框架并且通过至少一个腿部被向下拖动到PCB的接地连接件。

在另一个构造中，提供一种能够捕获并且引导静电放电的电子开关，该电子开关包括：印刷电路板，印刷电路板包括位于其上的电子器件；基底，印刷电路板保持在基底内；以及盖，盖包括具有周界并且构造成被接触来致动电子开关的致动面。电子开关还包括：致动机构，致动机构在盖和PCB之间延伸并且可朝向PCB轴向移动，其中当压下致动面时，致动机构朝向PCB移动以致动开关；以及静电放电装置，静电放电装置包括绕致动面的周界延伸并且安装在致动机构上方的框架，静电放电装置包括从框架延伸并且接触印刷电路板的至少一个腿部。电子开关设置为使得至少一个腿部与由印刷电路板使用的接地连接件电接触，并且在个体接触盖并且发生静电放电的情况下，静电放电被引到静电放电装置的框架并且通过至少一个腿部被向下引到PCB的接地连接件。

从如下附图和详细描述的考量中，本发明的其他目标和其具体特征和优点将更为清楚。

附图说明

图1示出了置于PCB上方以将ESD朝向PCB引出从而消除ESD的ESD组件；

图2为使用根据图1的ESD组件的开关装置的分解视图；

图3为使用根据图2的ESD组件的开关装置的组装后的视图；

图4示出了在没有包括在根据图2的开关装置中的ESD组件的情况下ESD将移动的路径；

图5示出了在具有包括在根据图2的开关装置中的ESD组件的情况下ESD将移动的路径。

具体实施方式

现参考附图，其中相同的附图标记在附图中代表相应的结构。

图1示出了ESD装置120(金属组件)如何以介于中间的形式置于PCB110上方的。图2为可能使用ESD装置120的电子摇臂开关200的分解视图，图3为电子摇臂开关200的组装后的视图。

图1大体上示出了ESD装置120可能是如何构造并且相对于PCB110如何定位的。尽管ESD装置120的结构、功能和操作将与电子摇臂开关200连同讨论，本领域中的技术人员将要领会的是，存在许多不同的电子装置能够有效地使用ESD装置120。

如下示例的存在为了进一步示出和解释本发明，并且就任何方面来说并不应当被视作限制性的。类似地，描述和附图并不提供为成比例的，而是提供为进一步解释和示出本发明的创新特征。

参考图2和图3，示出了电子摇臂开关200。电子摇臂开关200能够捕获和引导可能由于人员与盖130的接触面132接触而发生的静电放电。可以看出，PCB110安装到基底140内。基底140可包括模塑塑料材料并且可设置有安装凸起142和侧壁144。以此种方式，电子摇臂开关200可由紧固件(例如螺钉)通过安装凸起142安装到表面上。

PCB110实质上可包括任何类型的印刷电路板，印刷电路包括位于其结构中或其结构上的电子器件。在一个构造中，PCB110通过广泛已知的连接机构(包括但不限制于卡扣连接件(snap connection)、摩擦配合、紧固件等)连接至基底140。

图2和图3中还示出了致动机构150。致动机构150位于PCB110和接触面132之间。在操作中，使用者可压下接触面132的第一部分131或接触面132的第二部分133。压下接触面131任一侧的将导致被压下的一侧朝向PCB110向下旋转致动机构150的一侧，从而摇臂开关200被致动。基底140被塑形为接收并且保持致动机构150。特别地，基底140允许致动机构150以跷跷板动作(teeter-totter action)旋转，从而摇臂开关的其中一侧被致动。

盖130也形成在可塑性材料上并且设计为包括侧壁134，侧壁134与基底140的侧壁144接合。在一个构造中，每个侧壁134都包括用于接收侧壁144的远端146的凹口136。盖130和基底140之间的连接可包括例如：与切口结合的凸起或任何其他适合的连接方法。类似地，应当预见的是，一旦盖与基底连接，可以形成防水密封，这可包括密封件(未示出)的使用。

图1中更清晰可见的是ESD装置120。ESD装置120包括框架122，在一个构造中，框架122的尺寸可大致相应于PCB110的中心区域。框架122还可能可选择地包括开口124。第一腿部126和第二腿部126’从框架122延伸。第一腿部126和第二腿部126’连接至框架122的相对两侧并且大致平行于彼此且大致垂直于框架122延伸。应当预见的是，ESD装置120可包括提供对电流的极低电阻的金属材料。

多个臂128从第一腿部126延伸，多个臂128大致平行于彼此并且大致垂直于第一腿部126延伸。参考图1可见的，ESD装置120可形成为单个整体的结构。参考多个臂128，每个臂包括连接至第一腿部126的近端和终止于与第一腿部126距离最远处的远端。观察每个臂128，还可见的是顶部边缘127限定了臂128的顶部部分并且底部边缘129限定了臂128的底部部分。另外，臂128的近端大于远端，使得底部边缘129并不与顶部边缘127平行。换种方式描述从腿部126延伸的臂128的边缘为：顶部边缘127彼此共面并且底部边缘彼此共面，然而，顶部边缘127并不与底部边缘共面。

第一腿部126和第二腿部126’均从框架122向下朝向PCB110延伸。第一腿部126和第二腿部126’中的每个都终止于可包括点的远端，该终止的位置分别邻近PCB上的接地连接点114、114’。应当预见的是，通过使用由PCB使用的相同地面，避免了尝试将静电放电从PCB移走的技术，而是将电荷引向PCB并且将电荷引到由PCB使用的相同地面。可以看出，第一腿部126和第二腿部126’的末端终止处不会与接地连接点114，114’实际上物理接触。这允许开关组件的旋转。类似地，接地连接点114，114’彼此物理上分隔，然而保持在联接至由PCB110使用的共同地面的相同电位。

如之前所述，ESD装置120可包括金属材料或合金。材料将主要选自具有良好导电性的导体，这是由于静电放电将把ESD装置120的长度视作基本为零欧姆电阻路径，以将任何电荷沿ESD装置120吸引到地面。该电阻应当计算为空气电阻，等于静电放电必须经过以到达ESD装置120的距离。ESD装置120的位置提供为确保静电放电能够带到PCB的任何路径的电阻都远大于能够带到ESD装置120的路径的电阻。

类似地，基底140和致动机构150均可包括塑料、复合材料并且盖130还可包括大致为导电绝缘体的可塑性材料。

现参考图4和图5，图4示出了不使用ESD装置120的电子摇臂开关。在该瞬间，可见的是一旦人员触碰盖130的上表面，静电放电可克服由开关构造呈现的电阻。在该情况下，塑料的电阻大于空气，因此放电将以“Z”形路径绕盖130的侧壁134穿过空气移动、向上并越过基底140的侧壁144的边缘，随后以最直接的路径至电气接地(electrical ground)。在该情况中，PCB将为最接近的路径从而静电放电将对PCB产生电弧。这反过来能够导致PCB上敏感的电子器件的严重损坏(由于非常高的电压流经PCB到达地面)。

该不期望的静电放电的原因是由于开关的构造为PCB与开关的致动面相对接近。这种紧密接近降低了电弧通过PCB到达地面的电阻。环境和空气中的变化还可对通过PCB到达地面的电阻产生不利的影响。特别是在潮湿的外部环境的情况中。

参考图5，示出了同一类型的开关，然而，安装了ESD装置120。如可见的，静电放电(以加粗虚线示出)仍在具有ESD装置120的开关中发生，然而，静电放电不再流经PCB并且损坏PCB，电流的行进路径为穿过空气的“Z”形状路径并且随后电流“跳动”到臂128的远端并且行进到腿部126并且向下到达接地连接件114。

因此，通过创建电阻大幅降低的路径，ESD装置120能够将放电引导到PCB上的点处，PCB的组件不会被损坏。该路径的电阻可通过电弧需要穿过空气的长度、或通过(减少的)气隙与金属组件的电阻之和来计算。金属的电阻明显低于空气的电阻，因此出于计算电流结构中电阻最小的路径的目的，仅需要考虑气隙的电阻(由于金属实际上以零欧姆路径计算)。

本构造提供的一个显著的优点在于允许PCB非常靠近开关的顶部定位(人员实际上接触开关的表面来操作开关)。即使接触面到PCB的距离最小、即使在及其不同的环境条件下也能提供超过30KV的ESD保护。这是由于介于中间的ESD装置和ESD装置的多个腿部相对于PCB100使用的同一地面的定位。

尽管参考各部分、特征等的特别设置已经描述了本发明，这些描述并不旨在于穷尽所有可能的设置或特征，并且对于本领域中的技术人员来说，许多其他修改和变化将会是确实可行的。

Claims (25)

1.一种能够捕获并且引导静电放电的电子装置，包括：

印刷电路板，所述印刷电路板包括位于其上的电子器件并且包括接地连接件；

致动面，所述致动面构造成被接触来致动所述电子装置；

静电放电装置，所述静电放电装置包括位于所述致动面附近的框架，所述静电放电装置包括至少一个腿部，所述至少一个腿部具有联接至所述框架的近端和位于所述印刷电路板上的接地点附近的远端；

所述印刷电路板上的所述接地点电连接至所述接地连接件；

其中在物体接触所述致动面并且发生静电放电的情况中，所述静电放电通过所述至少一个腿部被向下引到所述印刷电路板(PCB)上的接地点。

2.根据权利要求1所述的电子装置，还包括第一组的至少两个臂，所述第一组的至少两个臂包括联接至所述至少一个腿部的近端，所述第一组的至少两个臂平行于彼此延伸并且垂直于所述至少一个腿部延伸，所述第一组的至少两个臂沿所述致动面的长度延伸。

3.根据权利要求2所述的电子装置，其中所述第一组的至少两个臂的近端大于所述第一组的至少两个臂的远端。

4.根据权利要求3所述的电子装置，其中所述第一组的至少两个臂构造为每个臂具有顶部边缘和底部边缘，其中所述顶部边缘与所述底部边缘不平行。

5.根据权利要求2所述的电子装置，其中所述至少一个腿部包括第一腿部以及所述接地点包括第一接地点，所述装置还包括：

平行于所述第一腿部延伸的第二腿部，所述第二腿部具有近端和远端；以及

所述印刷电路板上的第二接地点，所述第二接地点电连接至所述接地连接件；

其中所述第二腿部的近端连接至所述框架并且所述第二腿部的远端位于所述第二接地点附近。

6.根据权利要求5所述的电子装置，其中用于所述第一腿部和所述第二腿部的所述接地连接件设置在所述印刷电路板上的不同位置。

7.根据权利要求5所述的电子装置，还包括第二组的至少两个臂，所述第二组的至少两个臂平行于彼此延伸并且垂直于所述第二腿部延伸，所述第二组的至少两个臂沿所述致动面的长度延伸。

8.根据权利要求7所述的电子装置，其中所述第二组的至少两个臂的近端大于所述第二组的至少两个臂的远端。

9.根据权利要求8所述的电子装置，其中所述第二组的至少两个臂构造为每个臂具有顶部边缘和底部边缘，其中顶部边缘与底部边缘不平行。

10.根据权利要求9所述的电子装置，其中所述第一组的至少两个臂的底部边缘与所述第二组的至少两个臂的底部边缘不共面。

11.根据权利要求1所述的电子装置，还包括基底，其中所述PCB保持在所述基底内。

12.根据权利要求11所述的电子装置，其中所述基底包括塑料材料。

13.根据权利要求11所述的电子装置，其中所述基底包括至少一个侧壁以及至少一个安装凸起。

14.根据权利要求11所述的电子装置，其中所述电子装置包括摇臂开关，所述摇臂开关包括致动机构，所述致动机构位于所述致动面和所述PCB之间，所述致动面包括第一部分和第二部分，使得压下所述致动面的第一部分将导致所述致动机构的第一部分朝所述PCB旋转以及压下所述致动面的第二部分将导致所述致动机构的第二部分朝所述PCB旋转。

15.根据权利要求14所述的电子装置，其中所述静电放电装置安装在所述致动机构上方。

16.根据权利要求11所述的电子装置，其中所述致动面包括盖，所述盖机械地联接至所述基底，使得所述致动机构和所述静电放电装置夹在所述盖和所述基底之间。

17.根据权利要求1所述的电子装置，其中所述静电放电装置包括金属材料。

18.一种能够捕获且引导静电放电的电子摇臂开关，包括：

印刷电路板，所述印刷电路板包括位于其上的电子器件；

基底，所述印刷电路板保持在所述基底内；

盖，所述盖包括致动面并且构造成被接触以致动电子开关；

致动机构，所述致动机构位于所述致动面和所述印刷电路板(PCB)之间，所述致动面包括第一部分和第二部分，使得压下所述致动面的第一部分将导致所述致动机构的第一部分朝所述PCB旋转以及压下所述致动面的第二部分将导致所述致动机构的第二部分朝所述PCB旋转；

静电放电装置，所述静电放电装置包括框架，所述框架位于所述致动面附近并且包括至少一个腿部，所述至少一个腿部具有联接至所述框架的近端以及位于所述印刷电路板上的接地点附近的远端；

所述印刷电路板上的所述接地点电连接至接地连接件；

其中在物体触碰所述盖并且发生静电放电的情况中，所述静电放电通过所述至少一个腿被向下引到所述PCB上的所述接地点。

19.根据权利要求18所述的电子摇臂开关，其中所述至少一个腿部包括第一腿部以及所述接地点包括第一接地点，所述开关还包括：

平行于所述第一腿部延伸的第二腿部，所述第二腿部具有近端和远端；以及

所述印刷电路板上的第二接地点，所述第二接地点电连接至所述接地连接件；

其中所述第二腿部的近端连接至所述框架并且所述第二腿部的远端位于所述第二接地点附近。

20.根据权利要求19所述的电子摇臂开关，还包括：

第一组的至少两个臂，所述第一组的至少两个臂平行于彼此延伸并且垂直于所述第一腿部延伸；以及

第二组的至少两个臂，所述第二组的至少两个臂在近端处联接至所述第二腿部，所述第二组的至少两个臂平行于彼此延伸并且垂直于所述第二腿部延伸；

其中所述第一组的至少两个臂和所述第二组的至少两个臂沿所述盖的长度延伸。

21.根据权利要求20所述的电子摇臂开关，其中所述第一组的至少两个臂和所述第二组的至少两个臂的近端分别大于所述第一组的至少两个臂和所述第二组的至少两个臂的远端。

22.根据权利要求21所述的电子摇臂开关，其中所述第一组的至少两个臂和所述第二组的至少两个臂中的每个臂构造为具有顶部边缘和底部边缘，其中顶部边缘与底部边缘不平行。

23.根据权利要求19所述的电子摇臂开关，其中第一接地点和第二接地点设置在所述印刷电路板上的不同位置。

24.根据权利要求18所述的电子摇臂开关，其中所述静电放电装置包括金属材料。

25.根据权利要求18所述的电子摇臂开关，其中所述基底包括至少一个侧壁和至少一个安装凸起。