ESD保護元件的對比分析及大電流性能鑒定

在人們的日常工作生活中，靜電放電(ESD)現象可謂無處不在，瞬間產生的上升時間低于納秒(ns)、持續時間可達數百納秒且高達數十安培的電流，會對手機、筆記本電腦等電子系統造成損傷。
　　
對于電子系統設計人員而言，如果沒有采取適當的ESD保護措施，所設計的電子產品就會有遭到損傷的可能。因此，電子系統設計中的一項重要課題便是確保使其能夠承受ESD的沖擊，并繼續正常工作。

議題內容：

• ESD保護方法
• 常見ESD保護元件分類
• 不同便攜應用的ESD保護解決方案

解決方案：

• 第一是標準ESD保護，滿足大功率(高于100瓦)
• 第二是高速ESD保護，要求數據傳輸率更快
• 第三個是超高速ESD保護

ESD保護方法
　　
為了給電子系統提供ESD保護，可以從不同的角度來著手。一種方法是在半導體芯片內建ESD保護架構。不過，日趨縮小的CMOS芯片已經越來越不足以承受進行內部2kV等級的ESD保護所需要的面積。安森美半導體標準產品部亞太區市場營銷副總裁麥滿權指出：真正有效的ESD保護是不能完全集成到CMOS芯片之中的！
　　
其次，也可以在物理電路設計方面下功夫，較敏感的電路元件應該盡量遠離通孔或接縫處，如果可能的話，線纜連接
器的接地應該要在系統信號引腳接觸前先連接到系統的接地，通過這樣的方式，線纜上所發生的放電事件就比較不會造成干擾或破壞。
　　
此外，軟件也能夠為ESD設計作出貢獻。系統連接的感測器比較容易受到ESD的沖擊，造成接口電路的鎖住情況，而能夠感測鎖住情況的軟件則可以用來重置接口電路且無須操作人員的接入。
　　
不過，總是有部分電路點較為敏感，同時也很難與外部隔離。因此，最有效的方法是使用保護元件來將電流導離較敏感的元件。也就是在電子系統的連接器或端口處放置ESD保護元件，使得電流流經保護元件，且不流經敏感元件，以維持敏感元件的低電壓，使其免受ESD應力影響，進入有效控制ESD事件的發生，如圖1所示。當然，合格的ESD元件必須具有低泄漏和低電容，且在多重應力作用下功能不下降，從而不降低電路的功能。

圖1：典型的ESD保護元件應用電路圖
　　
常見ESD保護元件分類
　　
安森美半導體來自美國的ESD保護專家RobertAshton博士說，一般而言，ESD保護元件的分類可以通過其保護策略與方向性來進行，主要包括壓敏電阻、聚合物和瞬態電壓抑制器(TVS)等，如表1所示。在這幾種保護元件中，壓敏電阻在低電壓時，呈現出高電阻，其中的每個小型二極管兩端的電壓都相當低，同時電流也相當小；而在較高電壓時，其中的獨立二極管開始導通，同時壓敏電阻的電阻會下降。從表1中我們也可以看出壓敏電阻為雙向保護元件。而對于帶導電粒子的聚合物而言，在正常電壓下，這些材料擁有相當高的電阻，但當發生ESD沖擊時，導電粒子間的小間隙會成為突波音隙陣列，從而帶來低電阻路徑。
　　
瞬態電壓抑制器(TVS)則為采用標準與齊納二極管特性設計的硅芯片元件。TVS元件主要針對能夠以低動態電阻承載大電流的要求進行優化，由于TVS元件通常采用集成電路(IC)方式生產，因此我們可以看到各種各樣的單向、雙向及以陣列方式排列的單芯片產品。　
　　　
表1：常見ESD保護元件分類

利用屏幕截圖和TLP進行ESD保護元件的大電流性能鑒定
　　
Ashton博士說在正常工作條件下，ESD保護元件應該保持在不動作狀態，同時不會對電子系統的功能造成任何影響，這可以通過維持低電流以及足以在特定數據傳輸速率下維持數據完整性的低電容值來達成。而在ESD應力沖擊或者說大電流沖擊條件下，ESD保護元件的第一個要求就是必須能夠正常工作，要有夠低的電阻以便能夠限制受保護點的電壓；其次，必須能夠快速動作，這樣才能使上升時間低于納秒的ESD沖擊上升時間。

眾所周知，對于電子系統而言，它必須能夠在IEC61000-4-2標準測試條件下存續。雖然大部分的ESD保護元件都宣稱能夠承受IEC61000-4-2所指定的應力沖擊等級，如8kV或第四級(Class4)，但業界卻沒有公認的ESD保護元件大電流抑制特性測試的合格標準。對此，安森美半導體給出了自己的定義，也就是在±10kV應力電壓(高于8kV)測試下，被測器件仍然符合其數據表規范，且器件特性沒有顯著變化。
　　
不過，要比較不同ESD保護元件的大電流抑制特性，還需要對其進行測試鑒定。而通過對不同ESD保護元件施加大電流沖擊所產生的波形的屏幕截圖對比，是重要的第一步。


圖3：TVS元件與壓敏電阻在8kVIEC61000-4-2應力沖擊測試下的輸出波形對比

圖3的屏幕截圖就是這樣一個范例。從圖中可以看出，安森美半導體的TVS元件可以迅速將ESD應力降低，即從8kV靜電電壓鉗位到5至6V的水平；但壓敏電阻的曲線則下降得很慢，而且無法降到很低的水平。該曲線表明，TVS器件的恢復時間非常短，經過TVS器件泄漏到后面電路的能量也非常少，特別適合于便攜式設備的應用。

而在多重應力條件下，兩者的差別就表現得更為突出。由于TVS采用二極管工作原理，受到電擊后，會立即擊穿，然后關閉，對器件沒有損傷，因此可以說沒有壽命限制。對于壓敏電阻而言，它采用的是物理吸收原理，每經過一次ESD事件，材料就會受到一定的物理損傷，形成無法恢復的漏電通道；而且，要達到更好的吸收效果，就要使用更多的材料，使其體積增加，進而限制了在今天小型化產品當中的應用。
　　
有鑒于此，安森美半導體標準產品部亞太區市場營銷副總裁麥滿權先生打了一個比方，也就是在ESD保護方面，壓敏電阻保護施展的是“少林功夫”，用“身體(壓敏電阻)”去硬扛，會讓自己“很受傷”，而TVS耍的是“太極拳”，在ESD應力沖擊IC之前，就將沖擊力給“引導開”或“消減掉”。
　　
兩相對比，其結果是在施加1,000次8kVIEC61000-4-2ESD脈沖條件下，安森美半導體的TVS元件的漏電流小于0.1μA，而壓敏電阻在少于20個ESD脈沖下漏電流就會超過100μA。由此可見，在重復ESD應用作用下，TVS仍能維持極高的性能，而壓敏電阻的性能會隨之下降，聚合物也面臨著跟壓敏電阻類似的問題。
　　
不過，用示波器對不同保護元件在ESD應力沖擊測試下的大電流抑制特性或者說是I-V曲線進行屏幕截圖對比也存在不足之處。首先便是這種屏幕截圖上的V(t)與I(t)的變化非常復雜，且并不能測量擊穿電壓、維持電壓、維持電流以及二次擊穿電流等基礎參數，而通過對這些參數的分析可以找到電路設計和工藝的弱點。

圖4：時域反射(TDR)TLP測試的結構示意圖
　　
在這種情況下，采用傳輸線路脈沖(TLP)方法就是很好的下一步。所謂的TLP測試，就是一種利用矩形短脈沖(50~200ns)來測量ESD保護元件的電流-電壓特性曲線的方法。這個短脈沖用來模擬作用于保護元件的短ESD脈沖，而恒定阻抗的傳輸線路可以生成恒定幅度的方波。
　　
TLP測試通過方波測試脈沖加到待測器件(DUT)的兩個引腳之間進行測試。TLP測試前要先對電路中的傳輸線路充電，測試時將被測器件接入，傳輸線路通過被測器件放電。改變電路和輸入電壓和傳輸線路的長度可以模擬在不同能量中的ESD脈沖，從而得到器件的ESD大電流抑制能力。TLP測試先從小電壓脈沖開始，隨后連續增加直到獲得足夠多的數據點，以作出完整的I-V曲線。通常測試脈沖的幅度會加大到使DUT徹底損傷為止，作而獲得其精確的允許最大脈沖電流。
　　
總的來看，ESD保護元件的TLP測試方法優勢突出，不僅可以確認屏幕截圖數據，還可用于解析ESD保護元件的基礎參數，非常適用于對不同保護元件進行對比。

圖5：不同ESD保護元件的TLP測試I-V曲線
　　
結合ESD脈沖測試和TLP測試，我們可以得出結論，在不同ESD保護元件中，TVS元件，特別是安森美半導體的TVS元件的大電流導電率極佳，且在重復應力條件下仍能維持優異性能，不存在壓敏電阻或聚合物那樣的使用增多后會出現性能下降的問題；至于其在電容方面的不足，也隨著新的低電容設計的出現，而消除了早前的大電容問題。
　　
不同便攜應用的ESD保護解決方案
　　
按照TVS電容與傳輸速率的不同，安森美半導體將便攜應用的ESD保護元件市場劃分為三個區域。第一是標準ESD保護，滿足大功率(高于100瓦)、最低鉗位電壓要求，適用于鍵區、按鈕、電池接頭、充電器接口、旁鍵等的保護，TVS電容在1,000pF至100pF之間；在這方面，安森美半導體有ESD5Z5、ESD9X等單向通用TVS產品。
　　
第二是高速ESD保護，要求數據傳輸率更快、低電容，應用于USB1.1、USB2.0FS、FM天線、SIM卡和音頻線路等，TVS電容在40pF至5pF；在這方面，安森美半導體提供了ESD9C和ESD7C等單向TVS、ESD5B和ESD9B雙向TVS、NUP4202和NUP2202等單向ESD保護陣列，以及NUP4xV、NUP8010和NUP5120等雙向ESD保護陣列。

第三個是超高速ESD保護，如USB2.0HS、HDMI、RF天線等，TVS電容在5pF以下，電容值與鉗位相反，不可用傳統TVS技術。這方面，客戶可以選擇安森美半導體的ESD9單向TVS(電容小于2pF)、ESD11和ESD9雙向TVS(電容小于0.5pF)、NUP4212和NUP8012單向ESD保護陣列，以及NUP4214雙向ESD保護陣列。

圖6：多層壓敏電阻(MLV)與安森美半導體的TVS硅芯片技術發展趨勢對比
　　
安森美半導體的ESD保護解決方案擁有眾多優勢，如領先業界的超小封裝、符合各種規范及標準的優異性能、可靠的質量及更長的使用壽命等；此外，安森美半導體還不斷研發，以提供更先進的ESD保護解決方案。

要對電子系統進行ESD保護設計，最有效的方法還是在連接器和端口處放置外部保護元件。在壓敏電阻、聚合物和TVS這幾種常見保護元件中，前兩者分別在經濟性和低電容方面占有優勢，但TVS則擁有極佳的導電率，并且在多重應用作用下仍能維持強勁性能。安森美半導體提供一系列采用先進封裝、擁有極佳性能的TVS元件，分別面向大功率、高速率和超高速率等應用領域，全方面滿足客戶的高性能ESD保護需求。