靜電和靜電放電（ESD）在我們的日常生活中無處不在，尤其是當(dāng)手持電子設(shè)備向輕薄小巧方向發(fā)展而且產(chǎn)品功能不斷增加時(shí)，它們的輸入/輸出端口也隨之增多，導(dǎo)致靜電放電進(jìn)入系統(tǒng)并干擾或損壞集成電路，因此如何進(jìn)行有效的ESD保護(hù)已成為電子設(shè)備制造商面對(duì)的重要課題。
ESD成IC設(shè)計(jì)又一挑戰(zhàn)
對(duì)電子器件來說，一次我們無法察覺的輕微靜電放電就可能對(duì)其造成嚴(yán)重的損傷。泰科電子瑞侃電路保護(hù)產(chǎn)品應(yīng)用工程董告訴《中國(guó)電子報(bào)》記者，據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過60%的IC失效都源于ESD。
隨著超大規(guī)模集成電路工藝的高速發(fā)展，特征尺寸已經(jīng)到深亞微米階段，大大提高了集成電路的性能及運(yùn)算速度，但隨著器件尺寸的減小，對(duì)可靠性的要求也越來越高。
高集成度意味著單元線路會(huì)越來越窄，耐受靜電放電的能力越來越差，此外大量新發(fā)展起來的特種器件所使用的材料也都是靜電敏感材料，從而讓電子元器件，特別是半導(dǎo)體材料器件對(duì)于生產(chǎn)、組裝和維修等過程環(huán)境的靜電控制要求越來越高。而靜電放電對(duì)器件可靠性的危害變得越來越顯著。ESD經(jīng)常發(fā)生并影響到所有手持設(shè)備，必須對(duì)IC加以保護(hù)，因?yàn)槠渲写蠖鄶?shù)無法承受高于2kV的ESD。
在目前ESD保護(hù)很受關(guān)注的情況下，IC設(shè)計(jì)對(duì)ESD更加敏感，ESD自然成為設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)。安森美半導(dǎo)體公司亞太區(qū)市場(chǎng)營(yíng)銷副總裁麥滿權(quán)認(rèn)為，設(shè)計(jì)人員必須使IC盡可能提供zui有效的ESD保護(hù)，而又要為額外的保護(hù)元件提供電路板空間。電子電路的輸入/輸出連接器為ESD的進(jìn)入提供了路徑。以手機(jī)為例，音量鍵、語音鍵、智能鍵、充電器插口、配件連接端口、揚(yáng)聲器、鍵區(qū)、擴(kuò)音器、SIM卡、電池接頭等都可能成為ESD的進(jìn)入點(diǎn)，使之輕松到達(dá)電路及電壓敏感型元件。當(dāng)進(jìn)入的ESD電壓足夠高時(shí)，就會(huì)在IC器件的電介質(zhì)上產(chǎn)生電弧，在門氧化物層燒出顯微鏡可見的孔洞，造成器件的*損壞。
麥滿權(quán)表示，人們?cè)?jīng)嘗試將ESD保護(hù)與CMOS芯片集成在一起。但是隨著半導(dǎo)體工藝向65nm以下轉(zhuǎn)移，原來在1.5μm工藝的芯片面積上只占幾十分之一（獲得2kVESD保護(hù)）的ESD保護(hù)電路已經(jīng)無法容納于現(xiàn)在只有幾個(gè)納米的芯片之中了。在65nm工藝下，ESD保護(hù)電路的面積甚至超出了整個(gè)芯片的面積。相反，工藝越來越精細(xì)，對(duì)需要ESD保護(hù)的要求就越高。因此，有效的ESD保護(hù)已不能*集成到CMOS芯片當(dāng)中了。
此外，對(duì)電子設(shè)備來說，外部保護(hù)器件可以更有效地防止ESD輕松進(jìn)入電路及電壓敏感型元件。強(qiáng)制性ESD抑制標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2要求保護(hù)器件應(yīng)放置在連接器或端口處，以便在ESD進(jìn)入電路板之前有效抑制ESD損害的發(fā)生。
尺寸縮小凸顯ESD問題
NXP半導(dǎo)體公司TamimP.Sidiki博士表示，過去的幾十年中，集成電路特征尺寸持續(xù)小型化的趨勢(shì)推動(dòng)半導(dǎo)體廠商不斷地改進(jìn)芯片性能，減小功耗，并通過將越來越多的晶體管集成到一顆芯片上來降低成本。亞微米電路的小型化雖然具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但卻也有一個(gè)非常顯著的缺點(diǎn)：需要集成足夠強(qiáng)大的ESD保護(hù)電路。
隨著技術(shù)工藝的進(jìn)步，ESD保護(hù)電路所需的相對(duì)面積在增加。原因在于ESD保護(hù)隨二級(jí)管的面積而變化，而這些二極管無法與晶體管邏輯功能所需的尺寸同比例縮小。顯然，對(duì)于非常*的工藝來說，集成足夠強(qiáng)大的ESD保護(hù)電路有著物理和經(jīng)濟(jì)上的局限。*的芯片總是力圖在功耗和速度上達(dá)到*化，而并非在ESD保護(hù)上。ESD保護(hù)電路的*化會(huì)使芯片的其他參數(shù)超過允許范圍。
更小的特征尺寸（溝道長(zhǎng)度）和相關(guān)的更薄更小的柵極氧化層使zui大柵級(jí)電壓（如CMOS90在1.5V以下）和漏源極電壓下降（如CMOS90<1.6V）。這種芯片對(duì)于超電壓非常敏感，尤其對(duì)在很低的ESD電平上就能破壞亞微米電路的ESD放電極為敏感。同樣地，如果消費(fèi)類電子/計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的想制造兼容CE標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，并且想避免由ESD和其他放電問題引起的高返修率，外部主板級(jí)ESD保護(hù)成為一種必需?？偟膩碚f，今天的ESD問題如不解決，今后應(yīng)用到更小的功能尺寸時(shí)，這個(gè)問題就會(huì)變得相當(dāng)棘手。
廠商產(chǎn)品特點(diǎn)各異
ESD市場(chǎng)越來越被看好，引起了眾多廠商的關(guān)注。雖然每個(gè)廠商所采取的策略各不相同，但其產(chǎn)品都各具特色。
泰科電子瑞侃電路保護(hù)推出的ESD保護(hù)產(chǎn)品的特點(diǎn)主要是電容比較小，比較適合高速通信，在MDI的保護(hù)上應(yīng)用比較適合。除了推出單個(gè)的產(chǎn)品，公司更希望給客戶介紹整體方案。
安森美半導(dǎo)體將ESD保護(hù)市場(chǎng)劃分為三個(gè)部分，在標(biāo)準(zhǔn)ESD保護(hù)方面，安森美半導(dǎo)體有ESD5Z5.0、ESD9X5.0S、NZL6V8AXV3、ESD3.3D等通用產(chǎn)品；在高速ESD保護(hù)領(lǐng)域有剛剛推出的ESD9C5.0S和ESD7C5.0D，TVS電容僅為6pF；在第三個(gè)有待開發(fā)的市場(chǎng)，安森美半導(dǎo)體采用創(chuàng)新的技術(shù)研制出了更小電容值的產(chǎn)品。
恩智浦半導(dǎo)體綜合應(yīng)用分立元件產(chǎn)品線總兼副總裁FransScheper表示，纖薄型手持設(shè)備現(xiàn)在非常流行，隨著消費(fèi)者對(duì)超薄移動(dòng)設(shè)備時(shí)尚、輕便和更長(zhǎng)電池壽命的崇尚，手持設(shè)備還會(huì)變得越來越薄。因此，整機(jī)廠商對(duì)ESD保護(hù)也越來越嚴(yán)格。為此，恩智浦半導(dǎo)體推出了突破性的EMI濾波器，它具有業(yè)界zui高的ESD保護(hù)水平——可承受±30kV的接觸電壓，該濾波器采用了恩智浦獲獎(jiǎng)的超薄無鉛封裝（UTLP）。
Maxim擁有100多種集成了ESD保護(hù)電路的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和獨(dú)立的ESD保護(hù)器件，能夠承受±15kV人體模式、IEC1000-4-2氣隙放電模式和±8kVIEC1000-4-2接觸放電模式的沖擊。公司提供具有ESD保護(hù)功能的RS-232收發(fā)器，省去了外部二極管、TransZorbs和電容，有效地降低了系統(tǒng)成本和電路板尺寸。
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ESD損傷分類及防護(hù)
ESD對(duì)電子產(chǎn)品造成的破壞和損傷有突發(fā)性損傷和潛在性損傷兩種。突發(fā)性損傷指器件被嚴(yán)重?fù)p壞，功能喪失。這種損傷一般能在生產(chǎn)過程的質(zhì)量檢測(cè)工序中檢查出來，因此比較容易防范。而潛在性損傷指器件部分被損，功能尚未喪失，且在生產(chǎn)過程中不易被檢測(cè)出來，但在使用過程中會(huì)使產(chǎn)品變得不穩(wěn)定，因而對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量形成更大的危害。
目前，防止ESD對(duì)集成電路帶來損傷的方法主要有兩種：*種是從元件自身考慮，即提高電路本身對(duì)ESD的防護(hù)能力，也就是ESD保護(hù)器件及電路的設(shè)計(jì)；第二種是從環(huán)境方面考慮，即加強(qiáng)制造、封裝、測(cè)試、組裝及運(yùn)輸?shù)拳h(huán)境的靜電放電防護(hù)，減少靜電來源等。
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