多功能手机的ESD保护方法

多功能手机的ESD保护方法

ESD保护实例

手机的功能正在不断增加，除了以往的通话、发送电子邮件、摄像等功能外，还可通过FeliCa等非接触IC卡享受各种服务，而且可以播放音乐、收看数字电视等。随着功能的增加，手机会更容易受到人体静电放电的影响，由ESD引起的手机误操作或损坏的可能性将会增大。

例如，在翻盖式手机中，液晶屏和主机之间通过软电缆进行连接，转轴部的空隙之间容易产生放电，一旦高压加载到软电缆上，图像就会锁死，并且用作背光的白光LED也会被损坏。

之所以说随着手机功能的增加，ESD所带来的故障也会增多，主要是因为增加功能之后，与外部交换信息的输入/输出接口的数量就会随之增加。一旦有高电压进入这些接口部位，危险性就很大。另外，存储卡的插拔以及数据传输连接器等的插拔更为频繁，也导致ESD的危险性增加。因为插拔时，人体内积聚的电荷可能会对连接器放电。

随着危险性的增加，手机终端对ESD的抵抗力也日渐降低。其中一个原因就是电路的驱动电压越来越低。此外，因为手机设计时过分追求轻薄化与外观，使得用来针对ESD放电的接地电位不稳定，也导致了手机对ESD的抵抗力降低。

ESD保护不是新增功能，对于手机设计师来说却都认为是很棘手的事情。但是，考虑到产品上市之后可能发生的问题，设计师就必须采取恰当的措施。因此，EDS保护在手机设计中也成为了一项重要的工作。

需要进行ESD保护的部位包括通过电缆与外部相连的连接器、 SIM卡与存储卡等的连接器、键盘以及翻盖式手机转轴的空隙部位。这些部位以往都是采用二极管(齐纳二极管)或压敏电阻来进行ESD保护。但是，有时还需要在相同部位滤除EMI。因此，以欧洲生产的手机为主，越来越多的手机将倒装芯片用作ESD保护器件，这类芯片里还集成了由电容与电阻组成的EMI滤波器。

压敏电阻与二极管是ESD保护器件常用的两种方式，这两类器件的生产厂商正在致力于以下几方面的研究开发：在减小封装面积的同时实现多种功能，提高ESD保护性能，支持高速信号，降低成本(见图1)。

对于增加功能来说，除了压敏电阻与二极管方面的开发工作，厂商们同时还致力于开发多条信号线的保护以及能够集成EMI滤波器的器件。

对信号线进行保护时，通常会采用硅二极管。如果使用压敏电阻，1个器件大概可以保护4条信号线；但如果采用二极管，目前已经可以保护8条~12条信号线。这种方法已被欧洲厂商频繁采用。在诺基亚公司的Nokia E65里，硅二极管就应用在电路板之间的连接器、摄像头模块的连接器及外部接口等部位。

而压敏电阻易于使用，并具有价格方面的优势，因此被大量应用于日本的手机产品中。

硅衬底上的多功能集成

与ESD保护元件一样，EMI滤波器已经成为各类接口不可或缺的部件。这两个功能的集成化对于减小封装面积具有很大意义。最近，很多超薄手机中都使用了软电缆，而这类电缆有时起到天线的作用，会产生辐射噪声。用来消除噪声的低通滤波器就是EMI滤波器，它与ESD保护元件一样，需要放置在外部信号输入端。既然他们都被放在同一部位，设计师自然就会考虑将其进行集成。

在采用二极管方式时，在硅衬底上除了二极管之外，还将集成由电阻、电容组成的EMI滤波器。意法半导体公司与NXP半导体公司已经开始提供相关产品，该类产品将4~8条信号线的保护电路集成到硅衬底上，然后将其封装在倒装芯片上。NXP半导体公司亚州区市场战略经理国府正秀表示： “该产品最近已被正式采用，出货量年年倍增。”

不仅如此，还有产品内置了上拉电阻用于保护存储卡。如意法半导体公司的产品EMIF06-HMC01F2中除了6线保护二极管与EMI滤波器之外，还将上拉电阻集成到具有16个凸点的倒装芯片里(见图2)。芯片尺寸为1.92mm×1.92mm，直径为0.315mm的凸点以0.5mm的间隔分布在芯片上。意法半导体公司APM产品市场主任杉山英辉表示：“在存储卡与USB等保护器件容易实现标准化的地方，可根据具体部位将必要的功能集成在一起，并提供给用户。”

上述多功能器件的面积取决于凸点间距。目前，标准的凸点间距为0.5mm，部分厂商已开发了0.4mm间距的产品，并已投入市场。对于封装厚度，NXP公司表示：“现在，包括凸点在内的产品的高度为0.65mm，今后的目标是降低到0.4mm甚至0.3mm。”此外，通过将芯片倒装，还可将器件与电路板之间的接口进一步减小。今后，不光是要集成用于保护存储卡的EMI滤波器，还要集成电压调节器，并进一步集成周边电路，以提高通用性。

集成电感的压敏电阻

压敏电阻也开始集成EMI滤波器。片式压敏电阻由陶瓷片叠层而成，现在已有由电感与电容叠层烧制的复合器件。许多采用二极管方式的多功能器件都是由电阻与电容组成。对于由电阻与电容组成的滤波器来说，因为阻抗是串联的，所以插入损耗较大，而且很难得到较陡的衰减特性。而压敏电阻中使用电感来取代电阻，插入损耗较小，比较容易得到较陡的截止特性。京瓷、松下电器设备、TDK等公司已经开始销售这类产品。

在进行手机设计时，设计师必须消除用以将液晶屏、摄像头模块与主板相连的软电缆上各种通信带宽(800MHz~2.5GHz)内的无用信号辐射，并要求有较大的衰减特性。而且，如果手机内置有数字电视调谐器，那么，在传输视频信号的同时，还需要确保470MHz~770MHz广播频率具有充分的衰减特性，以抑制其对电视接收信号的影响。在最近的产品中，随着高清显示屏的出现，视频信号的带宽也进一步加大，有的甚至要求确保200MHz左右的高带宽，这种情况更需要强大的衰减特性。因此，采用集成电感元件的滤波器产品将占据有利地位。

为了获得更为陡峭的衰减特性，设计中有时会将L-C滤波器与ESD保护元件集成在一起。这里所说的L-C滤波器是指将电介质形成的电容与磁介质形成的电感烧结而成的EMI滤波器，也包括集成在硅衬底上的器件。需要根据实际情况确定究竟该选用哪种方法。

采用二极管方式的一部分厂商正在研发集成电感的复合器件。美国CMD公司开发的ESD保护元件Preatorian除二极管之外，还集成了由电感与电容组成的EMI滤波器。其形成的电感呈螺旋状线圈。与R-C结构的EMI滤波器相比，L-C结构的EMI滤波器的插入损耗降低了约4dB，并获得了更高的截止频率(见图3)。该公司尚未公布其成本。

图1　提高保护功能、减小封装面积

降低压敏电阻电压

在提高ESD的保护性能方面，由于压敏电阻的工作电压高于二极管的工作电压，所以各厂商也在尝试降低压敏电阻的电压。

TDK公司通过将压敏电阻的工作电压从以往的8V降低到6.8V，抑制了ESD所引起的误动作(见图4)。一般来说，如果减少ZnO粒子的数量就可以降低压敏电阻的电压，但是，流过接地线的漏电流会有所增加。该公司通过改变压敏电阻陶瓷材料所用ZnO中的添加材料成分，不但降低了压敏电阻的电压，还抑制了峰值电流。

图2　用于存储卡的集成型ESD保护元件

图3　通过集成电感，确保低插入损耗与陡峭的衰减特性

为了支持高速信号，各厂商都在致力于降低压敏电阻或二极管方式的ESD保护器件的静态电容。即使插入高速信号线，也不会使信号波形发生畸变。这样，就可以将USB用作手机的标准配置了。

图4　各频段天线的保护措施

图5　使用ESD吸收材料稳定间隙之间的放电

如果仅比较静态电容，压敏电阻方式的产品虽然可以低于1pF ，但此时压敏电阻的电压会比较高。TDK通过在压敏电阻上集成电感，使得该公司的新产品不仅电容小，而且压敏电阻的电压也较低。降低静态电容还提高了截止频率。

天线

很多CMOS芯片的耐压都在200V 以上，但直接连接天线的天线开关等芯片因为使用了GaAs的化合物，其耐压通常低于100V。因此，天线电路的ESD保护就变得很重要。当收发频率高达800MHz 时，如果电容变小，接收信号波形就很容易产生畸变。因此，其ESD保护元件通常不使用二极管与压敏电阻等元件，而是使用电感(见图4)。但是，也有厂商开发出电容非常小的二极管，其电容只有0.8pF，能够被用作频率低于100MHz的FM接收天线的ESD保护器件。

市场上所使用的所有电感都存在两个问题。第一个问题是，如果不采取阻抗匹配，插入损耗就比较大，难以用于实际应用。在一部使用不同频率的手机上，必须针对每个天线进行匹配。有时，匹配的最佳条件很可能无法保证ESD保护的效果。

电感的另一个问题是当静电导致较大的施加电压时，被保护的器件及电路上所施加的电压也较大。峰值电压越高，芯片就越有可能发生误动作，甚至被损坏。

为了解决上述问题，松下电器设备开发了容量为0.1±0.1pF的ESD抑制器ESD Suppressor，其电容比目前最小电容1pF还小1个数量级。该产品可能会应用到GHz带宽的主天线上。也就是说，上述两个问题如今都已得到解决。

该ESD抑制器在氧化铝基板上放置了厚度小于1mm、间隙小于10mm的两块金属薄膜，通常电流无法流过该间隙。但当施加高达几kV的电压时，就有电子通过间隙进行放电。在两片金属薄膜之间还横放了ESD 吸收材料，因而在施加高电压时能实现稳定的放电。这种ESD吸收材料主要由金属粒子与树脂构成。当电压超过某个阈值时，间距非常小的金属粒子之间就导通，让电流流过(见图5)。ESD开发过程中也曾遇到重复测试时特性不稳定的问题，但选择使用含碳量少的树脂之后，就解决了上述问题。上述ESD抑制器已率先用于USB 2.0及HDMI等高速传输线路的ESD保护。据松下电器设备电路元件技术1组开发小组组长井关健介绍：“目前已开始将其用于手机主天线的ESD保护方面，应用范围正在逐渐扩大。”

手机转轴部软电缆的强化接地

ESD保护器件将放电所产生的电流尽快地导向接地,如此一来电流就不会进入到内部电路，电路上就不会加载高电压，半导体器件也就不会损坏。但是，如果接地不稳定，这种方法就不会起作用，对ESD的抵抗力也就较低。在手机里，接地的基准点是电池负极。如果远离该基准点时，接地就不稳定。特别是在翻盖手机中，上下两单元的接地大多是通过软电缆导线连接的。因此，远离基准接地点的上部单元(显示屏)最顶端，对于ESD的保护能力最弱。

图A-1 软电缆上部电路板的接地强化

拆解松下FOMA P904i手机时可以发现，为了强化接地效果，转轴部连接用软电缆的两面都涂上了导电膏(见图A-1中黑色部分)。用其连接上下单元电路板的接地，目的就是强化接地效果。