靜電防護(hù)和多層壓敏電阻
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時(shí)間：2008-11-05
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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(zhuān)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。
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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。
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圖2：ESD是電腦故障的罪魁禍?zhǔn)?/p> |
本文主要從靜電產(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。
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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)。
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| 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) |
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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(chē)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(zhuān)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。
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