【導(dǎo)讀】ESD保護(hù)元件的對(duì)比分析及大電流性能鑒定。為了給電子系統(tǒng)提供ESD保護(hù)，可以從不同的角度來(lái)著手。一種方法是在半導(dǎo)體芯片內(nèi)建ESD保護(hù)架構(gòu)。不過(guò)，日趨縮小的CMOS芯片已經(jīng)越來(lái)越不足以承受進(jìn)行內(nèi)部2 kV等級(jí)的ESD保護(hù)所需要的面積。
在人們的日常工作生活中，靜電放電(ESD)現(xiàn)象可謂無(wú)處不在，瞬間產(chǎn)生的上升時(shí)間低于納秒(ns)、持續(xù)時(shí)間可達(dá)數(shù)百納秒且高達(dá)數(shù)十安培的電流，會(huì)對(duì)手機(jī)、筆記本電腦等電子系統(tǒng)造成損傷。
對(duì)于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言，如果沒(méi)有采取適當(dāng)?shù)腅SD保護(hù)措施，所設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品就會(huì)有遭到損傷的可能。因此，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要課題便是確保使其能夠承受ESD的沖擊，并繼續(xù)正常工作。
ESD保護(hù)方法
為了給電子系統(tǒng)提供ESD保護(hù)，可以從不同的角度來(lái)著手。一種方法是在半導(dǎo)體芯片內(nèi)建ESD保護(hù)架構(gòu)。不過(guò)，日趨縮小的CMOS芯片已經(jīng)越來(lái)越不足以承受進(jìn)行內(nèi)部2 kV等級(jí)的ESD保護(hù)所需要的面積。安森美半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品部亞太區(qū)市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁麥滿權(quán)指出：真正有效的ESD保護(hù)是不能完全集成到CMOS芯片之中的。
其次，也可以在物理電路設(shè)計(jì)方面下功夫，較敏感的電路元件應(yīng)該盡量遠(yuǎn)離通孔或接縫處，如果可能的話，線纜連接器的接地應(yīng)該要在系統(tǒng)信號(hào)引腳接觸前先連接到系統(tǒng)的接地，通過(guò)這樣的方式，線纜上所發(fā)生的放電事件就比較不會(huì)造成干擾或破壞。
此外，軟件也能夠?yàn)镋SD設(shè)計(jì)作出貢獻(xiàn)。系統(tǒng)連接的感測(cè)器比較容易受到ESD的沖擊，造成接口電路的鎖住情況，而能夠感測(cè)鎖住情況的軟件則可以用來(lái)重置接口電路且無(wú)須操作人員的接入。
不過(guò)，總是有部分電路點(diǎn)較為敏感，同時(shí)也很難與外部隔離。因此，最有效的方法是使用保護(hù)元件來(lái)將電流導(dǎo)離較敏感的元件。也就是在電子系統(tǒng)的連接器或端口處放置ESD保護(hù)元件，使得電流流經(jīng)保護(hù)元件，且不流經(jīng)敏感元件，以維持敏感元件的低電壓，使其免受ESD應(yīng)力影響，進(jìn)入有效控制ESD事件的發(fā)生，如圖1所示。當(dāng)然，合格的ESD元件必須具有低泄漏和低電容，且在多重應(yīng)力作用下功能不下降，從而不降低電路的功能。
圖1：典型的ESD保護(hù)元件應(yīng)用電路圖
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常見(jiàn)ESD保護(hù)元件分類(lèi)
安森美半導(dǎo)體來(lái)自美國(guó)的ESD保護(hù)專(zhuān)家Robert Ashton博士說(shuō)，一般而言，ESD保護(hù)元件的分類(lèi)可以通過(guò)其保護(hù)策略與方向性來(lái)進(jìn)行，主要包括壓敏電阻、聚合物和瞬態(tài)電壓抑 制器(TVS)等，如表1所示。在這幾種保護(hù)元件中，壓敏電阻在低電壓時(shí)，呈現(xiàn)出高電阻，其中的每個(gè)小型二極管兩端的電壓都相當(dāng)?shù)?，同時(shí)電流也相當(dāng)小；而在較高電壓時(shí)，其中的獨(dú)立二極管開(kāi)始導(dǎo)通，同時(shí)壓敏電阻的電阻會(huì)下降。從表1中我們也可以看出壓敏電阻為雙向保護(hù)元件。而對(duì)于帶導(dǎo)電粒子的聚合物而言，在正常電壓下，這些材料擁有相當(dāng)高的電阻，但當(dāng)發(fā)生ESD沖擊時(shí)，導(dǎo)電粒子間的小間隙會(huì)成為突波音隙陣列，從而帶來(lái)低電阻路徑。
瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)則為采用標(biāo)準(zhǔn)與齊納二極管特性設(shè)計(jì)的硅芯片元件。TVS元件主要針對(duì)能夠以低動(dòng)態(tài)電阻承載大電流的要求進(jìn)行優(yōu)化，由于TVS元件通常采用集成電路(IC)方式生產(chǎn)，因此我們可以看到各種各樣的單向、雙向及以陣列方式排列的單芯片產(chǎn)品。
圖2：常見(jiàn)ESD保護(hù)元件分類(lèi)
利用屏幕截圖和TLP進(jìn)行ESD保護(hù)元件的大電流性能鑒定
Ashton博士說(shuō)在正常工作條件下，ESD保護(hù)元件應(yīng)該保持在不動(dòng)作狀態(tài)，同時(shí)不會(huì)對(duì)電子系統(tǒng)的功能造成任何影響，這可以通過(guò)維持低電流以及足以在特定數(shù)據(jù)傳輸速率下維持?jǐn)?shù)據(jù)完整性的低電容值來(lái)達(dá)成。而在ESD應(yīng)力沖擊或者說(shuō)大電流沖擊條件下，ESD保護(hù)元件的第一個(gè)要求就是必須能夠正常工作，要有夠低的電阻以便能夠限制受保護(hù)點(diǎn)的電壓；其次，必須能夠快速動(dòng)作，這樣才能使上升時(shí)間低于納秒的ESD沖擊上升時(shí)間。
眾所周知，對(duì)于電子系統(tǒng)而言，它必須能夠在IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下存續(xù)。雖然大部分的ESD保護(hù)元件都宣稱能夠承受IEC 61000-4-2所指定的應(yīng)力沖擊等級(jí)，如8 kV或第四級(jí)(Class 4)，但業(yè)界卻沒(méi)有公認(rèn)的ESD保護(hù)元件大電流抑制特性測(cè)試的合格標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)此，安森美半導(dǎo)體給出了自己的定義，也就是在±10 kV應(yīng)力電壓 (高于8 kV)測(cè)試下，被測(cè)器件仍然符合其數(shù)據(jù)表規(guī)范，且器件特性沒(méi)有顯著變化。
不過(guò)，要比較不同ESD保護(hù)元件的大電流抑制特性，還需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試鑒定。而通過(guò)對(duì)不同ESD保護(hù)元件施加大電流沖擊所產(chǎn)生的波形的屏幕截圖對(duì)比，是重要的第一步。
圖3： TVS與壓敏電阻在8kV IEC 61000-4-2應(yīng)力沖擊測(cè)試下的輸出波形對(duì)比
圖3的屏幕截圖就是這樣一個(gè)范例。從圖中可以看出，安森美半導(dǎo)體的TVS元件可以迅速將ESD應(yīng)力降低，即從8 kV靜電電壓鉗位到5至6 V的水平；但壓敏電阻的曲線則下降得很慢，而且無(wú)法降到很低的水平。該曲線表明，TVS器件的恢復(fù)時(shí)間非常短，經(jīng)過(guò)TVS器件泄漏到后面電路的能量也非常少，特別適合于便攜式設(shè)備的應(yīng)用。
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而在多重應(yīng)力條件下，兩者的差別就表現(xiàn)得更為突出。由于TVS采用二極管工作原理，受到電擊后，會(huì)立即擊穿，然后關(guān)閉，對(duì)器件沒(méi)有損傷，因此可以說(shuō)沒(méi)有壽命限制。對(duì)于壓敏電阻而言，它采用的是物理吸收原理，每經(jīng)過(guò)一次ESD事件，材料就會(huì)受到一定的物理?yè)p傷，形成無(wú)法恢復(fù)的漏電通道；而且，要達(dá)到更好的吸收效果，就要使用更多的材料，使其體積增加，進(jìn)而限制了在今天小型化產(chǎn)品當(dāng)中的應(yīng)用。
有鑒于此，安森美半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品部亞太區(qū)市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁麥滿權(quán)先生打了一個(gè)比方，也就是在ESD保護(hù)方面，壓敏電阻保護(hù)施展的是“少林功夫”，用“身體(壓敏電阻)”去硬扛，會(huì)讓自己“很受傷”，而TVS耍的是“太極拳”，在ESD應(yīng)力沖擊IC之前，就將沖擊力給“引導(dǎo)開(kāi)”或“消減掉”。
兩相對(duì)比，其結(jié)果是在施加1,000次8kV IEC 61000-4-2 ESD脈沖條件下，安森美半導(dǎo)體的TVS元件的漏電流小于0.1 µA，而壓敏電阻在少于20個(gè)ESD脈沖下漏電流就會(huì)超過(guò)100 µA。由此可見(jiàn)，在重復(fù)ESD應(yīng)用作用下，TVS仍能維持極高的性能，而壓敏電阻的性能會(huì)隨之下降，聚合物也面臨著跟壓敏電阻類(lèi)似的問(wèn)題。
不過(guò)，用示波器對(duì)不同保護(hù)元件在ESD應(yīng)力沖擊測(cè)試下的大電流抑制特性或者說(shuō)是I-V曲線進(jìn)行屏幕截圖對(duì)比也存在不足之處。首先便是這種屏幕截圖上的V(t)與I(t)的變化非常復(fù)雜，且并不能測(cè)量擊穿電壓、維持電壓、維持電流以及二次擊穿電流等基礎(chǔ)參數(shù)，而通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的分析可以找到電路設(shè)計(jì)和工藝的弱點(diǎn)。
圖4：時(shí)域反射(TDR) TLP測(cè)試的結(jié)構(gòu)示意圖
在這種情況下，采用傳輸線路脈沖(TLP)方法就是很好的下一步。所謂的TLP測(cè)試，就是一種利用矩形短脈沖(50~200 ns)來(lái)測(cè)量ESD保護(hù)元件的電流-電壓特性曲線的方法。這個(gè)短脈沖用來(lái)模擬作用于保護(hù)元件的短ESD脈沖，而恒定阻抗的傳輸線路可以生成恒定幅度的方波。
TLP測(cè)試通過(guò)方波測(cè)試脈沖加到待測(cè)器件(DUT)的兩個(gè)引腳之間進(jìn)行測(cè)試。TLP測(cè)試前要先對(duì)電路中的傳輸線路充電，測(cè)試時(shí)將被測(cè)器件接入，傳輸線路通過(guò)被測(cè)器件放電。改變電路和輸入電壓和傳輸線路的長(zhǎng)度可以模擬在不同能量中的ESD脈沖，從而得到器件的ESD大電流抑制能力。TLP測(cè)試先從小電壓脈沖開(kāi)始，隨后連續(xù)增加直到獲得足夠多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以作出完整的I-V曲線。通常測(cè)試脈沖的幅度會(huì)加大到使DUT徹底損傷為止，作而獲得其精確的允許最大脈沖電流。
總的來(lái)看，ESD保護(hù)元件的TLP測(cè)試方法優(yōu)勢(shì)突出，不僅可以確認(rèn)屏幕截圖數(shù)據(jù)，還可用于解析ESD保護(hù)元件的基礎(chǔ)參數(shù)，非常適用于對(duì)不同保護(hù)元件進(jìn)行對(duì)比。
圖5：不同ESD保護(hù)元件的TLP測(cè)試I-V曲線
結(jié)合ESD脈沖測(cè)試和TLP測(cè)試，我們可以得出結(jié)論，在不同ESD保護(hù)元件中，TVS元件，特別是安森美半導(dǎo)體的TVS元件的大電流導(dǎo)電率極佳，且在重復(fù)應(yīng)力條件下仍能維持優(yōu)異性能，不存在壓敏電阻或聚合物那樣的使用增多后會(huì)出現(xiàn)性能下降的問(wèn)題；至于其在電容方面的不足，也隨著新的低電容設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，而消除了早前的大電容問(wèn)題。
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不同便攜應(yīng)用的ESD保護(hù)解決方案
按照TVS電容與傳輸速率的不同，安森美半導(dǎo)體將便攜應(yīng)用的ESD保護(hù)元件市場(chǎng)劃分為三個(gè)區(qū)域。第一是標(biāo)準(zhǔn)ESD保護(hù)，滿足大功率(高于100瓦)、最低鉗位電壓要求，適用于鍵區(qū)、按鈕、電池接頭、充電器接口、旁鍵等的保護(hù)，TVS電容在1,000 pF至100 pF之間；在這方面，安森美半導(dǎo)體有ESD5Z5、ESD9X等單向通用TVS產(chǎn)品。
第二是高速ESD保護(hù)，要求數(shù)據(jù)傳輸率更快、低電容，應(yīng)用于USB1.1、USB2.0FS、FM天線、SIM卡和音頻線路等，TVS電容在40 pF至5 pF；在這方面，安森美半導(dǎo)體提供了ESD9C和ESD7C等單向TVS、ESD5B和ESD9B雙向TVS、NUP4202和NUP2202等單向ESD保護(hù)陣列，以及NUP4xV、NUP8010和NUP5120等雙向ESD保護(hù)陣列。
第三個(gè)是超高速ESD保護(hù)，如USB2.0HS、HDMI、RF天線等，TVS電容在5pF以下，電容值與鉗位相反，不可用傳統(tǒng)TVS技術(shù)。這方面，客戶可以選擇安森美半導(dǎo)體的ESD9單向TVS(電容小于2 pF)、ESD11和ESD9雙向TVS(電容小于0.5 pF)、NUP4212和NUP8012單向ESD保護(hù)陣列，以及NUP4214雙向ESD保護(hù)陣列。
圖6：多層壓敏電阻(MLV) 與安森美半導(dǎo)體的TVS硅芯片技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)對(duì)比
安森美半導(dǎo)體的ESD保護(hù)解決方案擁有眾多優(yōu)勢(shì)，如領(lǐng)先業(yè)界的超小封裝、符合各種規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)異性能、可靠的質(zhì)量及更長(zhǎng)的使用壽命等；此外，安森美半導(dǎo)體還不斷研發(fā)，以提供更先進(jìn)的ESD保護(hù)解決方案。
總結(jié)
要對(duì)電子系統(tǒng)進(jìn)行ESD保護(hù)設(shè)計(jì)，最有效的方法還是在連接器和端口處放置外部保護(hù)元件。在壓敏電阻、聚合物和TVS這幾種常見(jiàn)保護(hù)元件中，前兩者分別在經(jīng)濟(jì)性和低電容方面占有優(yōu)勢(shì)，但TVS則擁有極佳的導(dǎo)電率，并且在多重應(yīng)用作用下仍能維持強(qiáng)勁性能。安森美半導(dǎo)體提供一系列采用先進(jìn)封裝、擁有極佳性能的TVS元件，分別面向大功率、高速率和超高速率等應(yīng)用領(lǐng)域，全方面滿足客戶的高性能ESD保護(hù)需求。
