集成電路微型化發(fā)展，ESD防護(hù)需跟上

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）不論是消費(fèi)電子領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域還是汽車領(lǐng)域，在任何電子電路中，ESD防護(hù)都是至關(guān)重要的一環(huán)。任何器件，都可能在一次靜電沖擊下被損壞，電子系統(tǒng)如何解決ESD問題一直都是挑戰(zhàn)。

ESD帶來的器件損傷

日常生活中，我們經(jīng)常會(huì)碰到靜電現(xiàn)象，尤其是在干燥的時(shí)候。靜電會(huì)在瞬間給人造成一次電擊，過程短暫但是痛感明顯。在現(xiàn)在電子設(shè)備無處不在環(huán)境里，人與電子設(shè)備的接觸經(jīng)常能構(gòu)成一個(gè)完整靜電放電ESD場(chǎng)景。

最常見的莫過于消費(fèi)電子設(shè)備——PC和平板。這些電子設(shè)備往往配有很多接口，如USB、HDMI等等。在使用這些設(shè)備時(shí)，人體與接口之間很容易產(chǎn)生ESD。如果設(shè)備本身的ESD防護(hù)做得不夠到位，則通過接口連接產(chǎn)生的高壓ESD沖擊會(huì)導(dǎo)致大電流峰值直接流入集成電路，造成損壞。雖然這個(gè)ESD沖擊對(duì)人體來說可能感知不到，但這些產(chǎn)生的尖峰電壓電流足以對(duì)電子設(shè)備帶來不可逆的損壞，對(duì)于敏感的集成電路，這絕對(duì)是致命的瞬態(tài)沖擊。

這只是終端與用戶之間發(fā)生的ESD現(xiàn)象，其實(shí)從電子設(shè)備裝配到板級(jí)焊接，過程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都有著ESD風(fēng)險(xiǎn)。

ESD帶來的器件潛在損傷又很難檢測(cè)到，電子設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)的各種故障極大可能都和靜電損壞相關(guān)。ESD損壞因此也被認(rèn)為是電子產(chǎn)品質(zhì)量最大的潛在殺手，ESD防護(hù)也成為電子產(chǎn)品質(zhì)量控制的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)。

必不可少的ESD防護(hù)

從半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展開始，ESD損壞就已經(jīng)出現(xiàn)了。隨著芯片向微型化發(fā)展加速，高集成度的IC中ESD問題更是越來越普遍。在所有IC的制造階段，都會(huì)配置嵌入式的ESD器件來保證IC能夠順利制造出來。

為了保護(hù)敏感電路免受ESD的影響，ESD保護(hù)二極管被連接到接口和集成電路之間的每條信號(hào)線上。在ESD發(fā)生的時(shí)候，ESD保護(hù)二極管會(huì)被擊穿，并產(chǎn)生一個(gè)低阻抗路徑，通過將電流轉(zhuǎn)移到地面來限制峰值電壓和電流，避免峰值電流直接流入IC，從而保護(hù)集成電路。

嵌入式器件級(jí)的ESD結(jié)構(gòu)可以提供基礎(chǔ)的ESD防護(hù)，這種防護(hù)當(dāng)然希望ESD保護(hù)器件的鉗位電壓越低越好，這樣下游電路才能盡可能少地暴露在擊穿環(huán)境下。

不過IEC后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)中的電路模型通常會(huì)使用離散的獨(dú)立瞬態(tài)電壓抑制二極管也就是TVS。PMIC或者MCU單元中集成的器件級(jí)的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)雖然有效，但面對(duì)系統(tǒng)級(jí)的ESD有時(shí)候并不能防護(hù)到位，獨(dú)立TVS成本會(huì)更低一些，同時(shí)也能設(shè)計(jì)得離接口更近，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)級(jí)的ESD更為有效。

TVS受到反向瞬態(tài)高能量時(shí)候能夠吸收能量，對(duì)后級(jí)電路形成有效的保護(hù)。具體來說就是當(dāng)有瞬時(shí)過壓脈沖時(shí)，TVS的電流急驟增加而反向電壓則上升到鉗位電壓值，并保持在這一水平上。尤其是雙極性的TVS，無論來自反向還是來自正向的ESD脈沖都能即時(shí)做出保護(hù)，一旦加在它兩端的干擾電壓超過鉗位電壓就會(huì)立刻被抑制掉。

器件級(jí)的ESD防護(hù)在系統(tǒng)層面不如獨(dú)立TVS更可靠，而且隨著終端應(yīng)用的快速發(fā)展，不同場(chǎng)景對(duì)TVS的ESD也提出了更高的要求，尤其是小型化需求。如何在縮小封裝的同時(shí)保證防護(hù)性能，也是TVS發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)。

小結(jié)

集成電路節(jié)點(diǎn)工藝技術(shù)正在變得越來越小，更高集成度的器件也更容易受到ESD損壞的影響，在系統(tǒng)級(jí)防護(hù)層面合適地使用獨(dú)立的TVS是提升高集成度IC可靠性的重要一環(huán)。