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靜電防護和多層壓敏電阻
發布者:admin 發布時間:2012-8-4 18:04:33 閱讀:8245次 【字體:

 1.前言

靜電(ESD)的研究由來已久,但是從來沒有像現在這樣受到工業界的重視,主要的原因是現在的電子設備越來越小型化、通訊設備傳輸工作電壓越來越低和通信頻率的越來越高。特別是隨著集成電路集成度增加,靜電也越來越顯示出它的危害性。靜電的發生是隨時隨處的,從靜電敏感設備的生產、裝配、運輸到應用的每一個環節,都有可能遭受靜電的破壞。專家估計,ESD的對工業產品的破壞占到總數的8~33%,每年大約有幾十億美元的損失1,我國通訊行業每年由靜電危害造成的損失高達幾億元人民幣2.所破壞的產品從一個簡單的二極管到上百美元的設備。下圖是美國的半導體協會在1993年對半導體產品損壞的一個原因調查,調查的結果顯示,ESD是半導體產品損壞的頭號殺手。

在

圖1:靜電破壞成為半導體設備失效的第一殺手來自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首本文主要從靜電產生的機理,防護的原理和多層壓敏電阻技術特點及其發展競爭的態勢來探討靜電的防護和多層壓敏電阻的發展。

2.靜電的工業標準和破壞的機理靜電的產生是基于摩擦生電的機理,當兩種不同的物體相互接觸和分離時,由于兩種物體表面電子活性的不同,會使一種物體帶正電,而另一種物體帶負電,典型的例子就是耳熟能詳的毛皮和橡膠的摩擦生電。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([email protected])以及3.8A(200VMM)。這三種模型中最常見,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人體帶電(正電或者負電)時,接觸電子設備,人身上的電荷向設備轉移的情況。模擬波形產生的電路原理圖和設備圖如圖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:人體模型的產生原理和設備示意圖。國際電工協會(IEC)在標準IEC61000-4-2中規定了靜電波形的形狀,這個靜電波形也是被絕大部分標準所承認,比如美國軍標MIL-STD-883E和國標GB/T17626.2。其中在電子設備的靜電?;ぶ?,IEC61000-4-2是被廣泛引用的一個標準。

圖4:IEC61000-4-2中規定的靜電波形在這個標準中規定了靜電測試的不同等級,請見下表1。

表1:IEC61000-4-2中規定的靜電測試等級

其中接觸放電測試方法是靜電放電測試中的首選,只有在接觸放電有問題時,才考慮空氣放電。之所以規定不同的放電等級,是考慮在不同的靜電放電情況,比如在半導體和IC的?;ぶ?,2KV的放電標準是經常被引用的。在實際的IC設計中,要考慮靜電放電的防護問題,其中一種方法是IC內自己做了防護,一般是1KV或者2KV的靜電防護標準,但是這樣會占用寶貴的IC空間,所以就有了第二種靜電防護方法,即芯片外防護,芯片外防護的另一個重要的原因就是實際的靜電等級遠大于2KV,在一些汽車標準中,可能達到25KV的靜電放電等級。靜電放電對設備的破壞形式有兩種5,一種是所謂的災難性破壞(Catastrophic Failure),這種破壞對設備的表現為不能正常工作,或者某些節點的擊穿等,一般這種破壞的設備或器件能很容易檢測出來?;褂幸恢制蘋到兇鑾痹詰鈉蘋擔↙atent Defect),這種破壞一般表現為靜電能量較小,不足以使設備立即失效,僅僅表現為工作不穩定等,或者干脆就沒有外在的特異表現。但是這種破壞卻最危險,輕則縮短設備的使用壽命,重則對以后的系統甚至人身產生危害,同時一般因為問題表現不明顯,給檢測帶來了困難,更糟糕的是維修人員一般把這種問題歸咎為材料不良或者設計缺陷等其它原因,對問題的解決抱有僥幸心理,直到災難的發生。

3.靜電的防護

靜電的防護是一個系統工程,從靜電的產生、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,但是因為靜 電破壞的復雜性,至今還沒有一個很好的方法去完全解決靜電問題。如果因為靜電的防護去請教100個靜電專家,得到的答案可能是100個不同的答案。但是這也不代表我們對靜電問題束手無策,在靜電?;さ墓討?,我們只要遵循一個原則: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,就能很好的進行靜電的釋放6。在靜電?;さ姆椒ㄖ?,最常用的就是在被?;さ納璞噶蕉瞬⒘桓齬繆貢;て骷?,當靜電超過某個安全閾值,?;て骷鞔?,把過電流釋放到安全地。

正如圖4所示靜電波形,靜電有以下幾個特點。

1)發生的時間特別短,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。如果考慮到靜電防護的對象主要對IC電路,即對工作電壓低,傳輸頻率高和較窄管腳布線的?;?,還要求?;て骷哂刑氐悖?

3)低的擊穿電壓。

4)極低電容。

下圖是Littlefuse對被?;ど璞復淦德視氡;て骷縟蕕囊桓齬叵低?。

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Litttlefuse相應的產品可知,電容為3pF的?;て骷苡迷詿淦德適?00Mbps的傳輸頻率?;ど?。而超過480Mbps,就只能用電容小于1pF的?;て骷?,否則,?;て骷投愿咂蕩湫藕龐薪洗蟮乃鷙?,使傳輸波形失真。

符合靜電防護的器件通常有多層壓敏電阻(MLV),TVS二極管兩種。其中TVS二極管因為較大的結面積使能承受較大的沖擊能量,但是因為封裝尺寸較大,價格較高等因素,使得TVS二極管并不比MLV更占優勢,同時因為TVS二極管的電容很難做到1pF以下,從而在480Mbps以上的頻率應用上并不合適。而多層壓敏電阻因為以下特點使得特別適合靜電?;?。

1)極快反應時間,通常小于1ns.

2)小尺寸,現在村田公司和松下公司已經有了

0201的產品。

3)極高的能量處理能力。因為采用疊層技術,使得通流能力大大加強。

4)極低的價格。

5)低的觸發動作電壓,最小的?;げ歡韉繆掛丫攪?V的量級。

6)雙向導通功能,因為瞬間的電壓可能是正電壓,也可能是負電壓。

下圖是Littlefuse的3pF的MLV在USB接口?;ぶ械囊桓齙湫陀τ檬道?。通用于一般的過電壓?;て骷?,MLV的用法相當簡單,只要把MLV并聯在被?;さ納璞噶蕉思純?,在本例中,在每根數據線上并聯一個MLV完成對USB接口的?;?。

圖6:MLV在USB防護中的應用實例

5.MLV技術特點和種類。

多層壓敏電阻的技術并不是什么新技術,實際上最早在20世紀70年代后期,美國電腦電氣公司率先采用類似獨石陶瓷電容器生產工藝制成了疊層壓敏電阻器。這種技術跟市場上流行的多層電容的技術是一致的,因為采用了疊層技術,所以使得MLV的通流能力大大加強。下圖是一個多層壓敏電阻結構示意圖和的金相圖。

圖7:多層壓敏電阻結構示意圖和金相圖多層壓敏電阻從參數設定上非常簡單,從上圖可以看出,多層壓敏電阻相當于很多單層的壓敏電阻并聯在一起,所以對同一種材料來說,擊穿電壓就由單層的厚度決定,而電容則是跟疊層數直接成正比。如果要得到小的電容值,一個是減少層數,還有一個就是把單層的厚度變小,所以擊穿電壓就勢必變大。

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

正是因為壓敏電阻的這種IV非線性特征,使得壓敏電阻在外加電壓升高到某個值時,變成低阻狀態,從而?;ど璞該饈芄繆溝乃鷙?。但是也應該看到,這種多層結構目前能達到的最低電容通常是2pF的量級,比如Littlefuse的MLN、MLA等系列產品,而另外一類產品,也稱為MLV系列,比如BournsMLC系列產品。實際上這種產品和Litttlefuse的Pulseguard產品一樣,是基于在某種基底材料上(比如Littlefuse用聚合物,而Bourns用陶瓷材料)沉積某種靜電吸收材料,因為沉積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系列可以達到0.5pF,而Littlefuse的Pulseguard材料更是號稱能達到0.025pF9,10,11.除了上面提到的兩大類MLV靜電防護器件,MLV防護器件還向集成化發展,做成多個MLV陣列的形式是最普通的集成方式,比如Epcos系列,就是把四個獨立的MLV集成在一個器件上,同時進行4線?;?。Litttlfuse的SP系列,最多能進行18個器件的集成。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,漸漸成為了本行業的技術發展趨勢。比如AVX公司把MLV與濾波器集成在一起做成TransFeed系列產品,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,內含兩只壓敏電阻器和一種短路裝置。該產品用于電信中心局和用戶線一側的通信設備?;?2。

4.MLV市場和全球競爭態勢。

多層壓敏電阻器因為其自身的優點可以對IC及其它靜電敏感設備進行?;?,防止因靜電放電、浪涌及其它瞬態電流而造成對它們的損壞,所以其應用范圍十分廣泛,主要應用領域有三個:手機、汽車電子和計算機技術。下表是Paumanok對該應用在2003年的調查結果。

圖9:多層壓敏電阻的主要應用領域實際上多層壓敏電阻的應用遠遠不止上面說的三種,在數碼相機、MP3、機頂盒、PDA、醫療器械、GPS導航系統和衛星發射接受設備中都有多層壓敏的應用。多層壓敏電阻在中國大陸的需求總量,據Epcos估計在2007年將會達到1400萬歐元。

圖10:Epcos對2007年中國大陸壓敏電阻需求量的估計

根據無源器件專業市場調研公司

PAUMANOK的調查,在2003年多層壓敏電阻的銷售已經達到了75億只的規模。今后幾年全球市場的年增長率將保持在15%,而銷售額每年將增長11%。雖然多層壓敏電阻的市場需求非常強勁,但是因為技術門檻并不高,所以競爭非常激烈。下圖是在2003年參與競爭的國際上重要供應商。

圖11:多層壓敏電阻供應商在2003年的銷售額在臺灣也有大量的供應商,如下表所示。

圖12:多層壓敏電阻臺灣地區部分供應商除了以上提到的供應商,在臺灣還有像佳邦、國巨和立昌等也陸續加入了競爭。雖然在國外和臺灣多層壓敏電阻的生產已經批量并且技術成熟,但是在國內大陸,卻剛剛處于起步階段,只有深圳順絡、廣東風華、河南金冠和常州星翰等具有生產能力,從目前的情況看,因為知名度和技術等原因,國內企業被市場認可的程度并不高。而據中國電子元件行業協會信息中心估計,2004年國內對多層壓敏電阻的需求達到23億只,而到2005年則至少達到26億只的規模,但是我們在2005年國內的生產能力卻只有區區2億只,需求的90%以上依靠進口13,巨大的需求和遠遠落后的生產能力形成巨大的反差,這一差距隨著電子工業的快速增長而加大。國內發展多層壓敏電阻的任務任重而道遠。

 
 

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