淺析ESD防護(hù)與ESD防護(hù)器件

　　日常生活中，ESD (Electro-Static Discharge，靜電放電)對于我們來說是一種常見的現(xiàn)象，然而對電子產(chǎn)品而言，ESD往往是致命的——它可能導(dǎo)致元器件內(nèi)部線路受損，直接影響產(chǎn)品的正常使用壽命，甚至造成產(chǎn)品的損壞。因此，ESD防護(hù)一直以來都是工程師們的工作重點。對于剛開始職業(yè)生涯的電子工程師而言，在掌握專業(yè)技能之前通常都要接受一些ESD相關(guān)知識的培訓(xùn)，足見ESD防護(hù)的地位與重要性。 

　
圖1 電子顯微鏡下IC內(nèi)部損毀的照片

　　一般，ESD保護(hù)一般通過兩種途徑來實現(xiàn)，第一種方法是避免ESD的發(fā)生；第二種方法則是通過片內(nèi)或片外集成內(nèi)部保護(hù)電路或?qū)Ｓ肊SD保護(hù)器件，從而避免ESD發(fā)生后將被保護(hù)器件損壞。

避免ESD的發(fā)生

　　避免ESD發(fā)生的方法多出現(xiàn)于產(chǎn)品交付客戶以前，即研發(fā)、生產(chǎn)等過程。因為在這些階段，IC、電路板等靜電敏感器件可能裸露在外（如生產(chǎn)工過程中的SMT制程），IC因ESD而損壞的可能遠(yuǎn)大于有外殼保護(hù)的成品。

　
表1 幾種不同類型器件的靜電敏感程度

　　一般而言，避免ESD的方法可分為以下幾類：

　　Surround（包圍）：靜電敏感元器件都以抗靜電材料包裝，或使用有蓋的抗靜電容器儲放；而在靜電敏感區(qū)域（如SMT制程）工作的人員，則還要穿著靜電服。

　　Ground（接地）：將工作環(huán)境中的人員及設(shè)備通過不同的地線接地；

　　Impound（排除）：排除所有工作區(qū)域內(nèi)的非抗靜電材質(zhì)；此外，可在對靜電極為敏感工作站位增加離子風(fēng)扇以中和產(chǎn)品表面所帶靜電。
 
　
圖2  使用離子風(fēng)扇并將靜電桌布接地以避免ESD

　　另一方面，濕度亦是一個重要的考量因素。適宜的濕度可降低ESD發(fā)生的機(jī)率。（見表2）這也是電子制造廠為何多在南方建廠的原因之一。

　
表2 濕度對于ESD的影響

ESD保護(hù)器件與保護(hù)電路

　　雖然上述避免ESD發(fā)生的方法有著很理想的效果，不過對于終端用戶顯然不太適合——舉例來說，我們不可能在使用手機(jī)之前先戴上靜電手環(huán)，通話結(jié)束后將手機(jī)放到靜電袋中以避免ESD。事實上，由于用戶鮮有機(jī)會接觸到產(chǎn)品內(nèi)部的元器件及電路板，因此也不需要如此嚴(yán)格的ESD防護(hù)措施，但這并不意味著ESD的問題不存在——首先，ESD可以輸入/輸出連接器（如USB接口、充電器接口、SIM卡插槽等）為路徑進(jìn)入電路中的各種元件；其次，隨著電子產(chǎn)品，特別是消費電子產(chǎn)品向著輕薄化發(fā)展，導(dǎo)致內(nèi)部IC的外形尺寸不斷減小，其自身ESD防護(hù)能力亦不斷減弱。所以，工程師在設(shè)計時通常加入ESD保護(hù)器件，而很多IC內(nèi)部也有片上ESD保護(hù)電路。

　
圖3 在用戶端，ESD可能由電子設(shè)備的各種接口進(jìn)入，并對內(nèi)部芯片造成損傷

片上ESD保護(hù)電路

　　相信所有人都希望ESD防護(hù)能完全地集成到IC芯片內(nèi)部，因為這樣會節(jié)省的板級空間，減少系統(tǒng)成本并降低設(shè)計與布線的復(fù)雜度。但從目前情況來看，前景并不樂觀。如今，IC制程工藝的進(jìn)步成了片上ESD保護(hù)的一大難題。一方面，工藝的進(jìn)步雖提升IC的性能與集成度并降低功耗與尺寸，但由于柵極氧化層厚度越來越薄，IC自身的ESD防護(hù)能力反而降低。另一方面，隨著IC尺寸的不斷減小，由于受到空間的限制，因此保護(hù)能力有限。

　
圖4 隨著IC面積的不斷減小，很難在IC中集成ESD保護(hù)電路（資料來源：安森美半導(dǎo)體）

ESD保護(hù)器件

　　由于片上ESD保護(hù)電路能力有限，為保證整個系統(tǒng)有較好的ESD防護(hù)能力，外部ESD保護(hù)器件是必不可少的。比較常見的有陶瓷電容、齊納二極管、肖特基二極管、MLV(Multi-Layer Varistor，多層變阻器)和TVS（Transient Voltage Suppresser瞬態(tài)電壓抑制器）。

　　MLV是一種基于ZnO壓敏陶瓷材料，采用特殊的制造和處理工藝而制得的高性能電路保護(hù)元件，其伏安特性符合I=kVa，能夠為受保護(hù)電路提供雙向瞬態(tài)過壓保護(hù)。MLV的工作原理是利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實現(xiàn)對后級電路的保護(hù)。目前，MLV在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如手機(jī)、機(jī)頂盒、復(fù)印機(jī)等等。

　
圖5 MLV的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

　　電子產(chǎn)品輕薄化的發(fā)展趨勢使其對ESD防護(hù)要求越來越高，MLV漸漸有些力不從心，TVS二極管則開始嶄露頭角。TVS通常并聯(lián)于被保護(hù)電路，當(dāng)瞬態(tài)電壓超過電路的正常工作電壓時，二極管發(fā)生雪崩，為瞬態(tài)電流提供通路，使內(nèi)部電路免遭超額電壓的擊穿或超額電流的過熱燒毀。當(dāng)瞬時脈沖結(jié)束以后，TVS二極管自動回復(fù)高阻狀態(tài)，整個回路進(jìn)入正常電壓。由于TVS二極管的結(jié)面積較大，使得它具有泄放瞬態(tài)大電流的優(yōu)點，具有理想的保護(hù)作用。 改進(jìn)后的TVS二極管還具有適應(yīng)低壓電路（＜5 V）的特點，且封裝集成度高，適用于在印制電路板面積緊張的情況下使用。

　
 圖6  TVS二極管結(jié)構(gòu)與特征電流

　　與MLV相比，不難看出TVS有如下優(yōu)勢：

　體積：MLV的性能完全由其內(nèi)部材質(zhì)決定，因此很難在減小尺寸的同時保持或提高性能，封裝尺寸從0402到1206。而TVS采用硅芯片技術(shù)，可以得到比MLV更小的元件封裝尺寸（如圖7所示）。

　
圖7  TVS元件與0402封裝可變電阻尺寸比較，藍(lán)色為建議焊接面積 （資料來源：安森美半導(dǎo)體）

　性能：TVS有更低的箝制電壓、更低的漏電以及更快的響應(yīng)速度（如圖8所示）

　
圖8  TVS有著更低的鉗制電壓

　壽命：由于工作原理不同，TVS與MLV的壽命也不盡相同。安森美半導(dǎo)體亞太區(qū)市場營銷副總裁麥滿權(quán)做了一個形象的比喻：“TVS的原理就好像太極，把接收到的能量快速的轉(zhuǎn)移到接地端，所以它的壽命幾乎就是無限的。而可變電阻就好像一個人在不停的挨打，它把能量都由自己來承受吸收，因此，壽命是有限的，而且隨使用時間的增加，性能會慢慢下降?！?/P>

結(jié)語

　　ESD是一個“看似很小的大問題”，一個產(chǎn)品ESD防護(hù)的好壞直接影響到該產(chǎn)品的良品率及壽命。科研人員對ESD防護(hù)的研究從未停止過，相信在不久的未來，會有更好的材料、更新的技術(shù)來幫助我們應(yīng)對ESD所帶來的困擾。