避免ESD方法的种类及保护器件与保护电路分析

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

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

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（资料来源：安森美半导体）

ESD保护器件

由于片上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。比较常见的有陶瓷电容、齐纳二极管、肖特基二极管、MLV（Multi-Layer Varistor，多层变阻器）和TVS（Transient Voltage Suppresser瞬态电压抑制器）。

MLV是一种基于ZnO压敏陶瓷材料，采用特殊的制造和处理工艺而制得的高性能电路保护元件，其伏安特性符合I=kVa，能够为受保护电路提供双向瞬态过压保护。MLV的工作原理是利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。目前，MLV在很多领域得到了广泛的应用，如手机、机顶盒、复印机等等。

图5 MLV的内部结构示意图

电子产品轻薄化的发展趋势使其对ESD防护要求越来越高，MLV渐渐有些力不从心，TVS二极管则开始崭露头角。TVS通常并联于被保护电路，当瞬态电压超过电路的正常工作电压时，二极管发生雪崩，为瞬态电流提供通路，使内部电路免遭超额电压的击穿或超额电流的过热烧毁。当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管自动回复高阻状态，整个回路进入正常电压。由于TVS二极管的结面积较大，使得它具有泄放瞬态大电流的优点，具有理想的保护作用。 改进后的TVS二极管还具有适应低压电路（＜5 V）的特点，且封装集成度高，适用于在印制电路板面积紧张的情况下使用。

图6 TVS二极管结构与特征电流

与MLV相比，不难看出TVS有如下优势：

体积：MLV的性能完全由其内部材质决定，因此很难在减小尺寸的同时保持或提高性能，封装尺寸从0402到1206。而TVS采用硅芯片技术，可以得到比MLV更小的元件封装尺寸（如图7所示）。

图7 TVS元件与0402封装可变电阻尺寸比较，蓝色为建议焊接面积 （资料来源：安森美半导体）

性能：TVS有更低的箝制电压、更低的漏电以及更快的响应速度（如图8所示）

图8 TVS有着更低的钳制电压

寿命：由于工作原理不同，TVS与MLV的寿命也不尽相同。安森美半导体亚太区市场营销副总裁麦满权做了一个形象的比喻：“TVS的原理就好像太极，把接收到的能量快速的转移到接地端，所以它的寿命几乎就是无限的。而可变电阻就好像一个人在不停的挨打，它把能量都由自己来承受吸收，因此，寿命是有限的，而且随使用时间的增加，性能会慢慢下降。”

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。

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