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靜電防護小常識
發布時間:2011-6-28 瀏覽次數:1659次

 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象,然而對電子產品而言, ESD 往往是致命的 —— 它可能導致元器件內部線路受損,直接影響產品的正常使用壽命,甚至造成產品的損壞。因此, ESD 防護一直以來都是工程師們的工作重點。對于剛開始職業生涯的電子工程師而言,在掌握專業技能之前通常都要接受一些 ESD 相關知識的培訓,足見 ESD 防護的地位與重要性。  

 

 
1 電子顯微鏡下 IC 內部損毀的照片

  一般, ESD 保護一般通過兩種途徑來實現,第一種方法是避免 ESD 的發生;第二種方法則是通過片內或片外集成內部保護電路或專用 ESD 保護器件,從而避免 ESD 發生后將被保護器件損壞。

避免 ESD 的發生

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

 
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):將工作環境中的人員及設備通過不同的地線接地;

   Impound (排除):排除所有工作區域內的非抗靜電材質;此外,可在對靜電極為敏感工作站位增加離子風扇以中和產品表面所帶靜電。
 
 
使用離子風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 發生的機率。(見表 2 )這也是電子制造廠為何多在南方建廠的原因之一。

 
2 濕度對于 ESD 的影響

ESD 保護器件與保護電路

  雖然上述避免 ESD 發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之前先戴上靜電手環,通話結束后將手機放到靜電袋中以避免 ESD 。事實上,由于用戶鮮有機會接觸到產品內部的元器件及電路板,因此也不需要如此嚴格的 ESD 防護措施,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)為路徑進入電路中的各種元件;其次,隨著電子產品,特別是消費電子產品向著輕薄化發展,導致內部 IC 的外形尺寸不斷減小,其自身 ESD 防護能力亦不斷減弱。所以,工程師在設計時通常加入 ESD 保護器件,而很多 IC 內部也有片上 ESD 保護電路。

 
3 在用戶端, ESD 可能由電子設備的各種接口進入,并對內部芯片造成損傷

片上 ESD 保護電路

  相信所有人都希望 ESD 防護能完全地集成到 IC 芯片內部,因為這樣會節省的板級空間,減少系統成本并降低設計與布線的復雜度。但從目前情況來看,前景并不樂觀。如今, IC 制程工藝的進步成了片上 ESD 保護的一大難題。一方面,工藝的進步雖提升 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,因此保護能力有限。

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

ESD 保護器件

  由于片上 ESD 保護電路能力有限,為保證整個系統有較好的 ESD 防護能力,外部 ESD 保護器件是必不可少的。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 ) TVS Transient Voltage Suppresser 瞬態電壓抑制器)。

   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元件,其伏安特性符合 I=kVa ,能夠為受保護電路提供雙向瞬態過壓保護。 MLV 的工作原理是利用壓敏電阻的非線性特性,當過電壓出現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,從而實現對后級電路的保護。目前, MLV 在很多領域得到了廣泛的應用,如手機、機頂盒、復印機等等。

 
5 MLV 的內部結構示意圖

  電子產品輕薄化的發展趨勢使其對 ESD 防護要求越來越高, MLV 漸漸有些力不從心, TVS 二極管則開始嶄露頭角。 TVS 通常并聯于被保護電路,當瞬態電壓超過電路的正常工作電壓時,二極管發生雪崩,為瞬態電流提供通路,使內部電路免遭超額電壓的擊穿或超額電流的過熱燒毀。當瞬時脈沖結束以后, TVS 二極管自動回復高阻狀態,整個回路進入正常電壓。由于 TVS 二極管的結面積較大,使得它具有泄放瞬態大電流的優點,具有理想的保護作用。 改進后的 TVS 二極管還具有適應低壓電路(< 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。

 
 
6  TVS 二極管結構與特征電流

  與 MLV 相比,不難看出 TVS 有如下優勢:

  體積: MLV 的性能完全由其內部材質決定,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 1206 。而 TVS 采用硅芯片技術,可以得到比 MLV 更小的元件封裝尺寸(如圖 7 所示)。

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

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

 
8  TVS 有著更低的鉗制電壓

  壽命:由于工作原理不同, TVS MLV 的壽命也不盡相同。安森美半導體亞太區市場營銷副總裁麥滿權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。

結語

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

 

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