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靜電防護小常識
發(fā)布時間:2011/6/28 瀏覽次數(shù):4410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(xiàn)象,然而對電子產(chǎn)品而言, ESD 往往是致命的 —— 它可能導致元器件內(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,足見 ESD 防護的地位與重要性。  

 

 
1 電子顯微鏡下 IC 內(nèi)部損毀的照片

  一般, ESD 保護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)部保護電路或?qū)S?/span> ESD 保護器件,從而避免 ESD 發(fā)生后將被保護器件損壞。

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 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(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扇以中和產(chǎn)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(fā)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(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之前先戴上靜電手環(huán),通話結(jié)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(chǎn)品內(nèi)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(chǎn)品,特別是消費電子產(chǎn)品向著輕薄化發(fā)展,導致內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(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(tǒng)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(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(tài)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(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。目前, MLV 在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應用,如手機、機頂盒、復印機等等。

 
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)于被保護電路,當瞬態(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。當瞬時脈沖結(jié)束以后, TVS 二極管自動回復高阻狀態(tài),整個回路進入正常電壓。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(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 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)。

 
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(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。

結(jié)語

   ESD 是一個 看似很小的大問題 ,一個產(chǎn)品 ESD 防護的好壞直接影響到該產(chǎn)品的良品率及壽命?蒲腥藛T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(shù)來幫助我們應對 ESD 所帶來的困擾。

 

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