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静电防护和多层压敏电阻

发布时间:2011/3/28    访问人数:2895次
    1.前言

    静电(ESD)的研究由来已久,但是从来没有像现在这样受到工业界的重视,主要的原因是现在的电子设备越来越小型化、通讯设备传输工作电压越来越低和通信频率的越来越高。特别是随着集成电路集成度增加,静电也越来越显示出它的危害性。静电的发生是随时随处的,从静电敏感设备的生产、装配、运输到应用的每一个环节,都有可能遭受静电的破坏。专家估计,ESD的对工业产品的破坏占到总数的8~33%,每年大约有几十亿美元的损失1,我国通讯行业每年由静电危害造成的损失高达几亿元人民币2.所破坏的产品从一个简单的二极管到上百美元的设备。下图是美国的半导体协会在1993年对半导体产品损坏的一个原因调查,调查的结果显示,ESD是半导体产品损坏的头号杀手。

在


    图1:静电破坏成为半导体设备失效的第一杀手来自Intel的资料表明,在引起电脑故障的诸多因 素中,EOS/ESD是最大的隐患,将近一半的电脑故障都是由EOS/ESD引起的3。

    图2:ESD是电脑故障的罪魁祸首本文主要从静电产生的机理,防护的原理和多层压敏电阻技术特点及其发展竞争的态势来探讨静电的防护和多层压敏电阻的发展。

    2.静电的工业标准和破坏的机理静电的产生是基于摩擦生电的机理,当两种不同的物体相互接触和分离时,由于两种物体表面电子活性的不同,会使一种物体带正电,而另一种物体带负电,典型的例子就是耳熟能详的毛皮和橡胶的摩擦生电。在静电的研究中,有三种静电的模型:(1)第一种就是所谓的人体模型(HBM),(2)带电体模型(CMD),(3)机器模型(MM)。其中人体模型为脉冲衰减电路,后两者为周期震荡衰减电路。三种模型的典型峰值电流分别为:

    1.3A(2,000VHBM)、15A(1000VCDM@4pF)以及3.8A(200VMM)。这三种模型中最常见,也是最被重视的模型是所谓的人体模型,这种模型模拟的是当人体带电(正电或者负电)时,接触电子设备,人身上的电荷向设备转移的情况。模拟波形产生的电路原理图和设备图如图3所示。通常充电的电容是100pF,而放电电阻一般取1.5K欧姆。

    图3:人体模型的产生原理和设备示意图。国际电工协会(IEC)在标准IEC61000-4-2中规定了静电波形的形状,这个静电波形也是被绝大部分标准所承认,比如美国军标MIL-STD-883E和国标GB/T17626.2。其中在电子设备的静电保护中,IEC61000-4-2是被广泛引用的一个标准。

    图4:IEC61000-4-2中规定的静电波形在这个标准中规定了静电测试的不同等级,请见下表1。

表1:IEC61000-4-2中规定的静电测试等级

    其中接触放电测试方法是静电放电测试中的首选,只有在接触放电有问题时,才考虑空气放电。之所以规定不同的放电等级,是考虑在不同的静电放电情况,比如在半导体和IC的保护中,2KV的放电标准是经常被引用的。在实际的IC设计中,要考虑静电放电的防护问题,其中一种方法是IC内自己做了防护,一般是1KV或者2KV的静电防护标准,但是这样会占用宝贵的IC空间,所以就有了第二种静电防护方法,即芯片外防护,芯片外防护的另一个重要的原因就是实际的静电等级远大于2KV,在一些汽车标准中,可能达到25KV的静电放电等级。静电放电对设备的破坏形式有两种5,一种是所谓的灾难性破坏(Catastrophic Failure),这种破坏对设备的表现为不能正常工作,或者某些节点的击穿等,一般这种破坏的设备或器件能很容易检测出来。还有一种破坏叫做潜在的破坏(Latent Defect),这种破坏一般表现为静电能量较小,不足以使设备立即失效,仅仅表现为工作不稳定等,或者干脆就没有外在的特异表现。但是这种破坏却最危险,轻则缩短设备的使用寿命,重则对以后的系统甚至人身产生危害,同时一般因为问题表现不明显,给检测带来了困难,更糟糕的是维修人员一般把这种问题归咎为材料不良或者设计缺陷等其它原因,对问题的解决抱有侥幸心理,直到灾难的发生。

    3.静电的防护

    静电的防护是一个系统工程,从静电的产生、静电的积累、静电的释放、静电释放的路径的选择 和释放静电的量的控制全方位考虑,但是因为静 电破坏的复杂性,至今还没有一个很好的方法去完全解决静电问题。如果因为静电的防护去请教100个静电专家,得到的答案可能是100个不同的答案。但是这也不代表我们对静电问题束手无策,在静电保护的过程中,我们只要遵循一个原则:静电的积累必然有静电的释放,所以我们只要给静电选好放电的路径和放电的去处即放电地,就能很好的进行静电的释放6。在静电保护的方法中,最常用的就是在被保护的设备两端并联一个过电压保护器件,当静电超过某个安全阈值,保护器件击穿,把过电流释放到安全地。

    正如图4所示静电波形,静电有以下几个特点。

    1)发生的时间特别短,在0.7~1ns之间。

    2)虽然总体能量不大,但是瞬间电压的峰值特别大,到了千伏甚至几十千伏量级。如果考虑到静电防护的对象主要对IC电路,即对工作电压低,传输频率高和较窄管脚布线的保护,还要求保护器件具有特点:

    3)低的击穿电压。

    4)极低电容。

    下图是Littlefuse对被保护设备传输频率与保护器件电容的一个关系图。

    其中图的顶端横轴显示的是传输频率,单位是Mbps/s,纵轴显示的是Littlefuse的器件。查对Litttlefuse相应的产品可知,电容为3pF的保护器件能用在传输频率是400Mbps的传输频率保护上。而超过480Mbps,就只能用电容小于1pF的保护器件了,否则,保护器件就对高频传输信号有较大的损耗,使传输波形失真。

    符合静电防护的器件通常有多层压敏电阻(MLV),TVS二极管两种。其中TVS二极管因为较大的结面积使能承受较大的冲击能量,但是因为封装尺寸较大,价格较高等因素,使得TVS二极管并不比MLV更占优势,同时因为TVS二极管的电容很难做到1pF以下,从而在480Mbps以上的频率应用上并不合适。而多层压敏电阻因为以下特点使得特别适合静电保护。

    1)极快反应时间,通常小于1ns.

    2)小尺寸,现在村田公司和松下公司已经有了

    0201的产品。

    3)极高的能量处理能力。因为采用叠层技术,使得通流能力大大加强。

    4)极低的价格。

    5)低的触发动作电压,最小的保护不动作电压已经到了3V的量级。

    6)双向导通功能,因为瞬间的电压可能是正电压,也可能是负电压。

    下图是Littlefuse的3pF的MLV在USB接口保护中的一个典型应用实例。通用于一般的过电压保护器件,MLV的用法相当简单,只要把MLV并联在被保护的设备两端即可,在本例中,在每根数据线上并联一个MLV完成对USB接口的保护。

图6:MLV在USB防护中的应用实例

    5.MLV技术特点和种类。

    多层压敏电阻的技术并不是什么新技术,实际上最早在20世纪70年代后期,美国电脑电气公司率先采用类似独石陶瓷电容器生产工艺制成了叠层压敏电阻器。这种技术跟市场上流行的多层电容的技术是一致的,因为采用了叠层技术,所以使得MLV的通流能力大大加强。下图是一个多层压敏电阻结构示意图和的金相图。

    图7:多层压敏电阻结构示意图和金相图多层压敏电阻从参数设定上非常简单,从上图可以看出,多层压敏电阻相当于很多单层的压敏电阻并联在一起,所以对同一种材料来说,击穿电压就由单层的厚度决定,而电容则是跟叠层数直接成正比。如果要得到小的电容值,一个是减少层数,还有一个就是把单层的厚度变小,所以击穿电压就势必变大。

    多层压敏电阻的工作原理相同于普通插脚式的压敏电阻,其IV曲线如下图所示。

图8:压敏电阻的IV曲线图8

    正是因为压敏电阻的这种IV非线性特征,使得压敏电阻在外加电压升高到某个值时,变成低阻状态,从而保护设备免受过电压的损害。但是也应该看到,这种多层结构目前能达到的最低电容通常是2pF的量级,比如Littlefuse的MLN、MLA等系列产品,而另外一类产品,也称为MLV系列,比如BournsMLC系列产品。实际上这种产品和Litttlefuse的Pulseguard产品一样,是基于在某种基底材料上(比如Littlefuse用聚合物,而Bourns用陶瓷材料)沉积某种静电吸收材料,因为沉积材料的体积大幅度减小,从而使得电容值小于1pF.比如Bourns的MLC系列可以达到0.5pF,而Littlefuse的Pulseguard材料更是号称能达到0.025pF9,10,11.除了上面提到的两大类MLV静电防护器件,MLV防护器件还向集成化发展,做成多个MLV阵列的形式是最普通的集成方式,比如Epcos系列,就是把四个独立的MLV集成在一个器件上,同时进行4线保护。Litttlfuse的SP系列,最多能进行18个器件的集成。除了同类MLV器件的集成,还有的公司把其他的一些功能元件与MLV集成在一起,渐渐成为了本行业的技术发展趋势。比如AVX公司把MLV与滤波器集成在一起做成TransFeed系列产品,还有的公司把MLV与多层压敏电阻集成在一起。EPCOS公司推出了T4NA230XFV集成浪涌抑制器,内含两只压敏电阻器和一种短路装置。该产品用于电信中心局和用户线一侧的通信设备保护12。

    4.MLV市场和全球竞争态势。

    多层压敏电阻器因为其自身的优点可以对IC及其它静电敏感设备进行保护,防止因静电放电、浪涌及其它瞬态电流而造成对它们的损坏,所以其应用范围十分广泛,主要应用领域有三个:手机、汽车电子和计算机技术。下表是Paumanok对该应用在2003年的调查结果。

    图9:多层压敏电阻的主要应用领域实际上多层压敏电阻的应用远远不止上面说的三种,在数码相机、MP3、机顶盒、PDA、医疗器械、GPS导航系统和卫星发射接受设备中都有多层压敏的应用。多层压敏电阻在中国大陆的需求总量,据Epcos估计在2007年将会达到1400万欧元。

图10:Epcos对2007年中国大陆压敏电阻需求量的估计

    根据无源器件专业市场调研公司

    PAUMANOK的调查,在2003年多层压敏电阻的销售已经达到了75亿只的规模。今后几年全球市场的年增长率将保持在15%,而销售额每年将增长11%。虽然多层压敏电阻的市场需求非常强劲,但是因为技术门槛并不高,所以竞争非常激烈。下图是在2003年参与竞争的国际上重要供应商。

    图11:多层压敏电阻供应商在2003年的销售额在台湾也有大量的供应商,如下表所示。

    图12:多层压敏电阻台湾地区部分供应商除了以上提到的供应商,在台湾还有像佳邦、国巨和立昌等也陆续加入了竞争。虽然在国外和台湾多层压敏电阻的生产已经批量并且技术成熟,但是在国内大陆,却刚刚处于起步阶段,只有深圳顺络、广东风华、河南金冠和常州星翰等具有生产能力,从目前的情况看,因为知名度和技术等原因,国内企业被市场认可的程度并不高。而据中国电子元件行业协会信息中心估计,2004年国内对多层压敏电阻的需求达到23亿只,而到2005年则至少达到26亿只的规模,但是我们在2005年国内的生产能力却只有区区2亿只,需求的90%以上依靠进口13,巨大的需求和远远落后的生产能力形成巨大的反差,这一差距随着电子工业的快速增长而加大。国内发展多层压敏电阻的任务任重而道远。

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