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浅析ESD 防护与ESD 防护器件
leiditechsh | 2020-02-08 22:40:30    阅读:19   发布文章

中心议题:

• 静电释放的危害和ESD 保护的重要性

• 相对于压敏MOV和聚合物PESD硅基ESDESD 保护方面的比较优势

解决方案:

•硅基ESD采用硅芯片技术,可以得到比MOV 更小的元件封装尺寸

•硅基ESD有更低的箝制电压、更低的漏电以及更快的响应速度

•硅基ESD比MOV和PESD 的寿命长,在整个产品有效期内性能也保持的更好

日常生活中,ESD (Electro-Static Discharge,静电放电)对于我们来说是一种常见的现象,然而对电子产品而言,ESD 往往是致命的——它可能导致元器件内部线路受损,直接影响产品的正常使用寿命,甚至造成产品的损坏。因此,ESD 防护一直以来都是工程师们的工作重点。对于刚开始职业生涯的电子工程师而言,在掌握专业技能之前通常都要接受一些ESD相关知识的培训,足见ESD 防护的地位与重要性。

图1 电子显微镜下IC 内部损毁的照片

一般,ESD 保护一般通过两种途径来实现,第一种方法是避免ESD 的发生;第二种方法则是通过片内或片外集成内部保护电路或专用ESD 保护器件,从而避免ESD 发生后将被保护器件损坏。

避免ESD 的发生:

避免ESD 发生的方法多出现于产品交付客户以前,即研发、生产等过程。因为在这些阶段,IC、电路板等静电敏感器件可能裸露在外(如生产工过程中的SMT 制程),IC 因ESD 而损坏的可能远大于有外壳保护的成品。表1 几种不同类型器件的静电敏感程度。

零件种类

敏感程度V

零件种类

敏感程度V

零件种类

敏感程度V

CMOS

250-3000

BJT

380-7000

Schottky Diode

300-2500

Mosfet

100-200

OP-AMP

190-2500



表1

一般而言,避免ESD 的方法可分为以下几类:

• Surround(包围):静电敏感元器件都以抗静电材料包装,或使用有盖的抗静电容器储放;而在静电敏感区域(如SMT 制程)工作的人员,则还要穿着静电服。

• Ground(接地):将工作环境中的人员及设备通过不同的地线接地;

• Impound(排除):排除所有工作区域内的非抗静电材质;此外,可在对静电极为敏感工作站位增加离子风扇以中和产品表面所带静电。

图2 使用离子风扇并将静电桌布接地以避免ESD

另一方面,湿度亦是一个重要的考量因素。适宜的湿度可降低ESD 发生的机率。(见表2)

这也是电子制造厂为何多在南方建厂的原因之一。

表2 湿度对于ESD 的影响

ESD 保护器件与保护电路

虽然上述避免ESD 发生的方法有着很理想的效果,不过对于终端用户显然不太适合——举例来说,我们不可能在使用手机之前先戴上静电手环,通话结束后将手机放到静电袋中以避免ESD。事实上,由于用户鲜有机会接触到产品内部的元器件及电路板,因此也不需要如此严格的ESD 防护措施,但这并不意味着ESD 的问题不存在——首先,ESD 可以输入/输出连接器(如USB 接口、充电器接口、SIM 卡插槽等)为路径进入电路中的各种元件;其次,随着电子产品,特别是消费电子产品向着轻薄化发展,导致内部IC 的外形尺寸不断减小,其自身ESD 防护能力亦不断减弱。所以,工程师在设计时通常加入ESD 保护器件,而很多IC 内部也有片上ESD 保护电路。

图3 在用户端,ESD 可能由电子设备的各种接口进入,并对内部芯片造成损伤片上ESD 保护电路。

图3

相信所有人都希望ESD 防护能完全地集成到IC 芯片内部,因为这样会节省的板级空间,减少系统成本并降低设计与布线的复杂度。但从目前情况来看,前景并不乐观。如今,IC 制程工艺的进步成了片上ESD 保护的一大难题。一方面,工艺的进步虽提升IC 的性能与集成度并降低功耗与尺寸,但由于栅极氧化层厚度越来越薄,IC 自身的ESD 防护能力反而降低。另一方面,随着IC 尺寸的不断减小,由于受到空间的限制,因此保护能力有限。

图4 随着IC 面积的不断减小,很难在IC 中集成ESD 保护电路。

ESD 保护器件

由于IC上ESD 保护电路能力有限,为保证整个系统有较好的ESD 防护能力,外部ESD 保护器件是必不可少的。比较常见的有硅基ESD,聚合物PESD和压敏MOV。

硅基ESD:VB击穿电压可以低到3.5V;

VC钳位电压可以低到3.8V;

IPP抗浪涌能力可以达100A;

Cp电容可以低到0.2PF;

反应速度小于1nS;

封装尺寸可以小到0201尺寸;

封装样式可以多到20多个引脚;

寿命和IC 一样长。

聚合物PESD:VB击穿电压最低5V;

VC钳位电压常规40V;

无IPP抗浪涌能力;

Cp电容可以低到0.02PF;

反应速度小于20nS;

封装尺寸可以小到0201尺寸;

封装样式不能多样化,一般是2个脚的二极管。

寿命短,自身容易氧化。

压敏MOV:VB击穿电压最低5V;

VC钳位电压常规40V;

无IPP抗浪涌能力;

Cp电容可以低到0.02PF;

反应速度小于25nS;

封装尺寸可以小到0402尺寸;

封装样式不能多样化,一般是2个脚的二极管。

寿命短,自身容易氧化。

电子产品轻薄化的发展趋势使其对ESD 防护要求越来越高,MOV 渐渐有些力不从心,硅基ESD二极管则开始崭露头角。

结语

ESD 是一个“看似很小的大问题”,一个产品ESD 防护的好坏直接影响到该产品的良品率及寿命。科研人员对ESD 防护的研究从未停止过,相信在不久的未来,会有更好的材料、更新的技术来帮助我们应对ESD 所带来的困扰。

上海雷卯电子科技有限公司

胡工:18016225001


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