靜電防護(hù)和多層壓敏電阻
1.前言
靜電（ESD）的研究由來(lái)已久，但是從來(lái)沒(méi)有像現(xiàn)在這樣受到工業(yè)界的重視，主要的原因是現(xiàn)在的電子設(shè)備越來(lái)越小型化、通訊設(shè)備傳輸工作電壓越來(lái)越低和通信頻率的越來(lái)越高。特別是隨著集成電路集成度增加，靜電也越來(lái)越顯示出它的危害性。靜電的發(fā)生是隨時(shí)隨處的，從靜電敏感設(shè)備的生產(chǎn)、裝配、運(yùn)輸?shù)綉?yīng)用的每一個(gè)環(huán)節(jié)，都有可能遭受靜電的破壞。專家估計(jì)，ESD的對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的破壞占到總數(shù)的8~33%，每年大約有幾十億美元的損失1，我國(guó)通訊行業(yè)每年由靜電危害造成的損失高達(dá)幾億元人民幣2.所破壞的產(chǎn)品從一個(gè)簡(jiǎn)單的二極管到上百美元的設(shè)備。下圖是美國(guó)的半導(dǎo)體協(xié)會(huì)在1993年對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)品損壞的一個(gè)原因調(diào)查，調(diào)查的結(jié)果顯示，ESD是半導(dǎo)體產(chǎn)品損壞的頭號(hào)殺手。
圖1：靜電破壞成為半導(dǎo)體設(shè)備失效的第一殺手來(lái)自Intel的資料表明，在引起電腦故障的諸多因 素中，EOS/ESD是最大的隱患，將近一半的電腦故障都是由EOS/ESD引起的3。
圖2：ESD是電腦故障的罪魁禍?zhǔn)妆疚闹饕獜撵o電產(chǎn)生的機(jī)理，防護(hù)的原理和多層壓敏電阻技術(shù)特點(diǎn)及其發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)的態(tài)勢(shì)來(lái)探討靜電的防護(hù)和多層壓敏電阻的發(fā)展。
2.靜電的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和破壞的機(jī)理靜電的產(chǎn)生是基于摩擦生電的機(jī)理，當(dāng)兩種不同的物體相互接觸和分離時(shí)，由于兩種物體表面電子活性的不同，會(huì)使一種物體帶正電，而另一種物體帶負(fù)電，典型的例子就是耳熟能詳?shù)拿ず拖鹉z的摩擦生電。在靜電的研究中，有三種靜電的模型：（1）第一種就是所謂的人體模型（HBM），（2）帶電體模型（CMD），（3）機(jī)器模型（MM）。其中人體模型為脈沖衰減電路，后兩者為周期震蕩衰減電路。三種模型的典型峰值電流分別為：
1.3A(2,000VHBM)、15A(@4pF">1000VCDM@4pF)以及3.8A(200VMM)。這三種模型中最常見(jiàn)，也是最被重視的模型是所謂的人體模型，這種模型模擬的是當(dāng)人體帶電（正電或者負(fù)電）時(shí)，接觸電子設(shè)備，人身上的電荷向設(shè)備轉(zhuǎn)移的情況。模擬波形產(chǎn)生的電路原理圖和設(shè)備圖如圖3所示。通常充電的電容是100pF，而放電電阻一般取1.5K歐姆。
圖3：人體模型的產(chǎn)生原理和設(shè)備示意圖。國(guó)際電工協(xié)會(huì)(IEC)在標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2中規(guī)定了靜電波形的形狀，這個(gè)靜電波形也是被絕大部分標(biāo)準(zhǔn)所承認(rèn)，比如美國(guó)軍標(biāo)MIL-STD-883E和國(guó)標(biāo)GB/T17626.2。其中在電子設(shè)備的靜電保護(hù)中，IEC61000-4-2是被廣泛引用的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。
圖4：IEC61000-4-2中規(guī)定的靜電波形在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了靜電測(cè)試的不同等級(jí)，請(qǐng)見(jiàn)下表1。
表1：IEC61000-4-2中規(guī)定的靜電測(cè)試等級(jí)
其中接觸放電測(cè)試方法是靜電放電測(cè)試中的首選，只有在接觸放電有問(wèn)題時(shí)，才考慮空氣放電。之所以規(guī)定不同的放電等級(jí)，是考慮在不同的靜電放電情況，比如在半導(dǎo)體和IC的保護(hù)中，2KV的放電標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)常被引用的。在實(shí)際的IC設(shè)計(jì)中，要考慮靜電放電的防護(hù)問(wèn)題，其中一種方法是IC內(nèi)自己做了防護(hù)，一般是1KV或者2KV的靜電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，但是這樣會(huì)占用寶貴的IC空間，所以就有了第二種靜電防護(hù)方法，即芯片外防護(hù)，芯片外防護(hù)的另一個(gè)重要的原因就是實(shí)際的靜電等級(jí)遠(yuǎn)大于2KV，在一些汽車標(biāo)準(zhǔn)中，可能達(dá)到25KV的靜電放電等級(jí)。靜電放電對(duì)設(shè)備的破壞形式有兩種5，一種是所謂的災(zāi)難性破壞（Catastrophic Failure），這種破壞對(duì)設(shè)備的表現(xiàn)為不能正常工作，或者某些節(jié)點(diǎn)的擊穿等，一般這種破壞的設(shè)備或器件能很容易檢測(cè)出來(lái)。還有一種破壞叫做潛在的破壞（Latent Defect），這種破壞一般表現(xiàn)為靜電能量較小，不足以使設(shè)備立即失效，僅僅表現(xiàn)為工作不穩(wěn)定等，或者干脆就沒(méi)有外在的特異表現(xiàn)。但是這種破壞卻最危險(xiǎn)，輕則縮短設(shè)備的使用壽命，重則對(duì)以后的系統(tǒng)甚至人身產(chǎn)生危害，同時(shí)一般因?yàn)閱?wèn)題表現(xiàn)不明顯，給檢測(cè)帶來(lái)了困難，更糟糕的是維修人員一般把這種問(wèn)題歸咎為材料不良或者設(shè)計(jì)缺陷等其它原因，對(duì)問(wèn)題的解決抱有僥幸心理，直到災(zāi)難的發(fā)生。
3.靜電的防護(hù)
靜電的防護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，從靜電的產(chǎn)生、靜電的積累、靜電的釋放、靜電釋放的路徑的選擇 和釋放靜電的量的控制全方位考慮，但是因?yàn)殪o 電破壞的復(fù)雜性，至今還沒(méi)有一個(gè)很好的方法去完全解決靜電問(wèn)題。如果因?yàn)殪o電的防護(hù)去請(qǐng)教100個(gè)靜電專家，得到的答案可能是100個(gè)不同的答案。但是這也不代表我們對(duì)靜電問(wèn)題束手無(wú)策，在靜電保護(hù)的過(guò)程中，我們只要遵循一個(gè)原則：靜電的積累必然有靜電的釋放，所以我們只要給靜電選好放電的路徑和放電的去處即放電地，就能很好的進(jìn)行靜電的釋放6。在靜電保護(hù)的方法中，最常用的就是在被保護(hù)的設(shè)備兩端并聯(lián)一個(gè)過(guò)電壓保護(hù)器件，當(dāng)靜電超過(guò)某個(gè)安全閾值，保護(hù)器件擊穿，把過(guò)電流釋放到安全地。
正如圖4所示靜電波形，靜電有以下幾個(gè)特點(diǎn)。
1）發(fā)生的時(shí)間特別短，在0.7~1ns之間。
2）雖然總體能量不大，但是瞬間電壓的峰值特別大，到了千伏甚至幾十千伏量級(jí)。如果考慮到靜電防護(hù)的對(duì)象主要對(duì)IC電路，即對(duì)工作電壓低，傳輸頻率高和較窄管腳布線的保護(hù)，還要求保護(hù)器件具有特點(diǎn)：
3）低的擊穿電壓。
4）極低電容。
其中圖的頂端橫軸顯示的是傳輸頻率，單位是Mbps/s，縱軸顯示的是Littlefuse的器件。查對(duì)Litttlefuse相應(yīng)的產(chǎn)品可知，電容為3pF的保護(hù)器件能用在傳輸頻率是400Mbps的傳輸頻率保護(hù)上。而超過(guò)480Mbps，就只能用電容小于1pF的保護(hù)器件了，否則，保護(hù)器件就對(duì)高頻傳輸信號(hào)有較大的損耗，使傳輸波形失真。
符合靜電防護(hù)的器件通常有多層壓敏電阻（MLV），TVS二極管兩種。其中TVS二極管因?yàn)檩^大的結(jié)面積使能承受較大的沖擊能量，但是因?yàn)榉庋b尺寸較大，價(jià)格較高等因素，使得TVS二極管并不比MLV更占優(yōu)勢(shì)，同時(shí)因?yàn)門VS二極管的電容很難做到1pF以下，從而在480Mbps以上的頻率應(yīng)用上并不合適。而多層壓敏電阻因?yàn)橐韵绿攸c(diǎn)使得特別適合靜電保護(hù)。
1）極快反應(yīng)時(shí)間，通常小于1ns.
2）小尺寸，現(xiàn)在村田公司和松下公司已經(jīng)有了0201的產(chǎn)品。
3）極高的能量處理能力。因?yàn)椴捎茂B層技術(shù)，使得通流能力大大加強(qiáng)。
4）極低的價(jià)格。
5）低的觸發(fā)動(dòng)作電壓，最小的保護(hù)不動(dòng)作電壓已經(jīng)到了3V的量級(jí)。
6）雙向?qū)üδ?，因?yàn)樗查g的電壓可能是正電壓，也可能是負(fù)電壓。
下圖是Littlefuse的3pF的MLV在USB接口保護(hù)中的一個(gè)典型應(yīng)用實(shí)例。通用于一般的過(guò)電壓保護(hù)器件，MLV的用法相當(dāng)簡(jiǎn)單，只要把MLV并聯(lián)在被保護(hù)的設(shè)備兩端即可，在本例中，在每根數(shù)據(jù)線上并聯(lián)一個(gè)MLV完成對(duì)USB接口的保護(hù)。
圖6：MLV在USB防護(hù)中的應(yīng)用實(shí)例
5.MLV技術(shù)特點(diǎn)和種類
多層壓敏電阻的技術(shù)并不是什么新技術(shù)，實(shí)際上最早在20世紀(jì)70年代后期，美國(guó)電腦電氣公司率先采用類似獨(dú)石陶瓷電容器生產(chǎn)工藝制成了疊層壓敏電阻器。這種技術(shù)跟市場(chǎng)上流行的多層電容的技術(shù)是一致的，因?yàn)椴捎昧睡B層技術(shù)，所以使得MLV的通流能力大大加強(qiáng)。下圖是一個(gè)多層壓敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖和的金相圖。
圖7：多層壓敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖和金相圖多層壓敏電阻從參數(shù)設(shè)定上非常簡(jiǎn)單，從上圖可以看出，多層壓敏電阻相當(dāng)于很多單層的壓敏電阻并聯(lián)在一起，所以對(duì)同一種材料來(lái)說(shuō)，擊穿電壓就由單層的厚度決定，而電容則是跟疊層數(shù)直接成正比。如果要得到小的電容值，一個(gè)是減少層數(shù)，還有一個(gè)就是把單層的厚度變小，所以擊穿電壓就勢(shì)必變大。
多層壓敏電阻的工作原理相同于普通插腳式的壓敏電阻，其IV曲線如下圖所示。
圖8：壓敏電阻的IV曲線圖8
正是因?yàn)閴好綦娮璧倪@種IV非線性特征，使得壓敏電阻在外加電壓升高到某個(gè)值時(shí)，變成低阻狀態(tài)，從而保護(hù)設(shè)備免受過(guò)電壓的損害。但是也應(yīng)該看到，這種多層結(jié)構(gòu)目前能達(dá)到的最低電容通常是2pF的量級(jí)，比如Littlefuse的MLN、MLA等系列產(chǎn)品，而另外一類產(chǎn)品，也稱為MLV系列，比如BournsMLC系列產(chǎn)品。實(shí)際上這種產(chǎn)品和Litttlefuse的Pulseguard產(chǎn)品一樣，是基于在某種基底材料上（比如Littlefuse用聚合物，而B(niǎo)ourns用陶瓷材料）沉積某種靜電吸收材料，因?yàn)槌练e材料的體積大幅度減小，從而使得電容值小于1pF.比如Bourns的MLC系列可以達(dá)到0.5pF,而Littlefuse的Pulseguard材料更是號(hào)稱能達(dá)到0.025pF9，10，11.除了上面提到的兩大類MLV靜電防護(hù)器件，MLV防護(hù)器件還向集成化發(fā)展，做成多個(gè)MLV陣列的形式是最普通的集成方式，比如Epcos系列，就是把四個(gè)獨(dú)立的MLV集成在一個(gè)器件上，同時(shí)進(jìn)行4線保護(hù)。Litttlfuse的SP系列，最多能進(jìn)行18個(gè)器件的集成。除了同類MLV器件的集成，還有的公司把其他的一些功能元件與MLV集成在一起，漸漸成為了本行業(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。比如AVX公司把MLV與濾波器集成在一起做成TransFeed系列產(chǎn)品，還有的公司把MLV與多層壓敏電阻集成在一起。EPCOS公司推出了T4NA230XFV集成浪涌抑制器，內(nèi)含兩只壓敏電阻器和一種短路裝置。該產(chǎn)品用于電信中心局和用戶線一側(cè)的通信設(shè)備保護(hù)12。
4.MLV市場(chǎng)和全球競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)
多層壓敏電阻器因?yàn)槠渥陨淼膬?yōu)點(diǎn)可以對(duì)IC及其它靜電敏感設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，防止因靜電放電、浪涌及其它瞬態(tài)電流而造成對(duì)它們的損壞，所以其應(yīng)用范圍十分廣泛，主要應(yīng)用領(lǐng)域有三個(gè)：手機(jī)、汽車電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)。下表是Paumanok對(duì)該應(yīng)用在2003年的調(diào)查結(jié)果。
圖9：多層壓敏電阻的主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嶋H上多層壓敏電阻的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止上面說(shuō)的三種，在數(shù)碼相機(jī)、MP3、機(jī)頂盒、PDA、醫(yī)療器械、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星發(fā)射接受設(shè)備中都有多層壓敏的應(yīng)用。多層壓敏電阻在中國(guó)大陸的需求總量，據(jù)Epcos估計(jì)在2007年將會(huì)達(dá)到1400萬(wàn)歐元。
圖10：Epcos對(duì)2007年中國(guó)大陸壓敏電阻需求量的估計(jì)
根據(jù)無(wú)源器件專業(yè)市場(chǎng)調(diào)研公司
PAUMANOK的調(diào)查，在2003年多層壓敏電阻的銷售已經(jīng)達(dá)到了75億只的規(guī)模。今后幾年全球市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率將保持在15%，而銷售額每年將增長(zhǎng)11%。雖然多層壓敏電阻的市場(chǎng)需求非常強(qiáng)勁，但是因?yàn)榧夹g(shù)門檻并不高，所以競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。下圖是在2003年參與競(jìng)爭(zhēng)的國(guó)際上重要供應(yīng)商。
圖11：多層壓敏電阻供應(yīng)商在2003年的銷售額在臺(tái)灣也有大量的供應(yīng)商，如下表所示。
圖12：多層壓敏電阻臺(tái)灣地區(qū)部分供應(yīng)商除了以上提到的供應(yīng)商，在臺(tái)灣還有像佳邦、國(guó)巨和立昌等也陸續(xù)加入了競(jìng)爭(zhēng)。雖然在國(guó)外和臺(tái)灣多層壓敏電阻的生產(chǎn)已經(jīng)批量并且技術(shù)成熟，但是在國(guó)內(nèi)大陸，卻剛剛處于起步階段，只有深圳順絡(luò)、廣東風(fēng)華、河南金冠和常州星翰等具有生產(chǎn)能力，從目前的情況看，因?yàn)橹群图夹g(shù)等原因，國(guó)內(nèi)企業(yè)被市場(chǎng)認(rèn)可的程度并不高。而據(jù)中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)信息中心估計(jì)，2004年國(guó)內(nèi)對(duì)多層壓敏電阻的需求達(dá)到23億只，而到2005年則至少達(dá)到26億只的規(guī)模，但是我們?cè)?005年國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)能力卻只有區(qū)區(qū)2億只，需求的90%以上依靠進(jìn)口13，巨大的需求和遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后的生產(chǎn)能力形成巨大的反差，這一差距隨著電子工業(yè)的快速增長(zhǎng)而加大。國(guó)內(nèi)發(fā)展多層壓敏電阻的任務(wù)任重而道遠(yuǎn)。
下載文檔
