電路板設(shè)計ESD防護器件該如何選擇

ESD (Electro-Static Discharge，靜電放電)可能導(dǎo)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。 靜電的基本物理特性為：吸引或排斥，與大地有電位差，會產(chǎn)生放電電流。這三種特性又對元件產(chǎn)生如下幾種影響： 1．靜電放電電場或電流產(chǎn)生的熱，使元件受傷（潛在損傷）。 2．靜電放電產(chǎn)生的電磁場幅度很大（達幾百伏/米）頻譜極寬（從幾十兆到幾千兆）， 對產(chǎn)器造成干擾甚至損壞（電磁干擾）3．靜電吸附灰塵，降低元件絕緣電阻（縮短壽命）。 4．靜電放電破壞，瞬間高壓使元件受損不能工作(完全破壞)。 靜電對產(chǎn)品損害有哪些特點？ 1. 隨機性 元件甚么情況下會遭受靜電破壞呢?可以這么說，從一個元件產(chǎn)生以 后，一直到它損壞以前，所有的過程都受到靜電的威脅，而這些靜電的產(chǎn)生也具有隨機動性性。其損壞也具有隨機動性性。 2. 潛在性 有些元器件受到靜電損傷后的性能沒有明顯的下降，但多次累加放電 會給器件造成內(nèi)傷而形成隱患。因此靜電對器件的損傷具有潛在性。 3.復(fù)雜性 靜電放電損傷的失效分析工作，因產(chǎn)品的精、細、微小的結(jié)構(gòu)特點而費 時、費事、費錢，要求較高的技術(shù)并往往需要使用掃描電鏡等高精密儀器。即使如此，有些靜電損傷現(xiàn)象也難以與其他原因造成的損傷加以區(qū)別，使人誤把靜電損傷失效當(dāng)作其他 失效。這在對靜電放電損害未充分認(rèn)識之前，常常歸因于早期失效或情況不明的失效，從 而不自覺地掩蓋了失效的真正原因。所以靜電對器件損傷的分析具有復(fù)雜性。 4. 隱蔽性 人體不能直接感知靜電除非發(fā)生靜電放電,但是發(fā)生靜電放電人體也不一 定能有電擊的感覺,這是因為人體能感知的靜電放電電壓為2－3 KV,所以靜電具有隱蔽性。因此我們說ESD防護在我們常用的消費類終端產(chǎn)品，特別是日益增多的各類數(shù)碼產(chǎn)品中體現(xiàn)的尤為重要。而冬天人體產(chǎn)生的靜電非常強烈而且頻繁，當(dāng)我們接觸手機、數(shù)碼相機或MP3等手持設(shè)備時，靜電常常通過人體引入設(shè)備中；而目前的產(chǎn)品廣泛采用大規(guī)模的集成電路，如果沒有專門的靜電防護，輕則引起芯片復(fù)位、數(shù)據(jù)丟失、關(guān)機等現(xiàn)象，重則擊穿芯片造成永久性破壞，給我們的日常生活帶來不必要的麻煩和經(jīng)濟上的損失！因此為保證整個系統(tǒng)有較好的ESD防護能力，外部ESD防護器件是必不可少的。ESD防護器件選擇ESD防護器件通常稱作瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)。ESD TVS器件采用的技術(shù)主要有三種：壓敏電阻、聚合物和硅二極管，每種技術(shù)各有其獨特特性。1．金屬氧化物壓敏電阻(MOV)壓敏電阻在小電流和低電壓下具有高阻抗，但在高電壓和大電流下，它們的阻抗大幅下降，因此它們屬于電壓箝位器件。壓敏電阻是雙向保護器件，具有很寬范圍的電流和電壓保護能力，適用從高壓輸電線路和雷電保護，到到小型ESD表面貼裝器件等應(yīng)用領(lǐng)域。然而，相對于它們的導(dǎo)電率來說，它們電容較大，這意味著它們在高速信號線路保護方面的應(yīng)用受到限制。壓敏電阻在遭受多次應(yīng)力后，性能也會下降，即使遠低于單次應(yīng)力導(dǎo)致的損壞等級。2．聚合物浪涌抑制器聚合物浪涌抑制器件為消弧器件，且總是雙向保護器件。它們的電容很低，對高速應(yīng)用具有吸引力。但是它們的短處是導(dǎo)通電壓高、導(dǎo)通阻抗性能相對較差，遭受多次應(yīng)力時易于性能下降。3．TVS二極管如今大多數(shù)的二極管都是采用硅制造的固態(tài)器件。它們?yōu)殡p端器件，很容易讓一個方向上的電流流過，但在相反方向上，它們呈現(xiàn)高阻抗，直到兩端電壓達到擊穿電壓。二極管本質(zhì)上為單向器件，保護方式為電壓箝位。二極管的特性取決于N區(qū)與P區(qū)的摻雜程度，這兩個區(qū)離結(jié)點的距離遠近不同。調(diào)節(jié)摻雜程度能構(gòu)建反向偏置擊穿電壓在幾百伏到僅幾伏之間的二極管。設(shè)計有明確定義的反向偏置擊穿電壓的二極管，通常稱作齊納二極管?；诙O管的TVS產(chǎn)品擁有其它ESD防護產(chǎn)品所不具備的多用性——可選擇單向和雙向保護?；径O管是單向產(chǎn)品，且是僅有的單向保護元件。串聯(lián)結(jié)合兩個二極管就能輕易地構(gòu)成雙向保護。雙向保護可通過共陰極或共陽極配置來實現(xiàn)。使用一對單向TVS器件便能實現(xiàn)雙向保護性能。市面上有多種基于雙向二極管的TVS器件，這些器件中的兩個二極管均位于同一個封裝，甚至經(jīng)常集成在單個硅襯底上。過去，硅TVS器件由于電容高，在保護低壓高速信號線路方面存在劣勢。然而，近年來的技術(shù)進步消除了這種不利因素。安森美半導(dǎo)體的新產(chǎn)品ESD9L5.0將硅器件保護的優(yōu)勢與高速應(yīng)用要求的低電容結(jié)合在一起。這個產(chǎn)品的特性就像一個簡單的齊納二極管。事實上，ESD9L5.0包含一個擊穿電壓低的齊納二極管和一對擊穿電壓高(因而電容小)的標(biāo)準(zhǔn)二極管。ESD防護器件的比較表1總結(jié)了前面談及的三類TVS器件的基本特性。選擇恰當(dāng)?shù)谋Ｗo器件應(yīng)考慮多種因素，其中關(guān)鍵的決定因素就是被保護電路的特性。對應(yīng)力有不對稱敏感度的電路節(jié)點，可能需要只有TVS二極管產(chǎn)品才能提供的單向保護。高速應(yīng)用要求非常低的電容，這使得使聚合物器件具有吸引力。聚合物器件可以滿足對低電容和保護能力的要求。為了讓聚合物TVS產(chǎn)品可以用在高速應(yīng)用中，，高速節(jié)點需要在瞬態(tài)高壓下工作以導(dǎo)通聚合物TVS，并在導(dǎo)通模式下提供中等阻抗。由于成本低、不要求高壓導(dǎo)通，壓敏電阻常常具有吸引力。如果它們被制造得足夠大以提供具有足夠低的導(dǎo)通阻抗，從而提供充足的保護，那么它們的電容通常對高速應(yīng)用而言就太大了。TVS二極管產(chǎn)品具有很好的箝位能力，如今市場上也有超低電容的TVS產(chǎn)品，甚至適合最高速的應(yīng)用。二極管也頗具吸引力，因為它們能夠用作單向保護器件，匹配當(dāng)今許多高速數(shù)字信號的電壓范圍。