中心議題：
- ESD基礎(chǔ)知識(shí)
- ESD帶來(lái)的損壞
- SESD保護(hù)器件為高速I/O接口提供保護(hù)
便攜設(shè)備的持續(xù)小型化與功能提升相結(jié)合，使得系統(tǒng)需要更強(qiáng)有力的保護(hù)以免受ESD事件引起的損壞。ESD瞬態(tài)事件可能破壞設(shè)備的運(yùn)行或者導(dǎo)致潛在的損害和安全問題。小體積、低電容的SESD器件提供了一種簡(jiǎn)單的、高性價(jià)比成本效益的解決方案。
智能手機(jī)的廣泛興起和其種類繁多的應(yīng)用、更快的網(wǎng)絡(luò)速度、以及更加實(shí)惠的數(shù)據(jù)計(jì)劃現(xiàn)已經(jīng)使移動(dòng)社交網(wǎng)絡(luò)比桌面社交網(wǎng)絡(luò)更加流行。同時(shí)，許多便攜設(shè)備已經(jīng)演變成小型多功能性的計(jì)算設(shè)備，已經(jīng)能夠執(zhí)行非常多樣化的任務(wù)。
為滿足日益復(fù)雜的移動(dòng)用戶的需求，便攜設(shè)備的設(shè)計(jì)導(dǎo)致更多的輸入/輸出(I/O)互連的集成。更高的電流密度、更小的晶體管幾何形狀、以及有限的用于芯片保護(hù)的可用空間都將導(dǎo)致增加電子元件對(duì)諸如靜電放電(ESD)等瞬態(tài)電氣過載事件的敏感性。對(duì)于這些有高數(shù)據(jù)流的應(yīng)用，減少這些瞬態(tài)情況的事件的影響以防止現(xiàn)場(chǎng)輸入和設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)損壞是一種重要的設(shè)計(jì)考量。
傳統(tǒng)上的ESD保護(hù)一般有各種齊納二極管、金屬氧化物可變電阻(MOV)和瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)。然而，由于USB3.0、HDMI 1.3/1.4、eSATA接口、Display Port和數(shù)字視頻接口(DVI)的高數(shù)據(jù)傳輸速率，傳統(tǒng)保護(hù)器件的寄生阻抗可能會(huì)扭曲和惡化信號(hào)的完整性。
最新一代的硅ESD(SESD)保護(hù)器件可在空間受限的便攜式電子產(chǎn)品和手機(jī)中提供一種合適的ESD保護(hù)解決方案，可以幫助設(shè)備通過IEC61000-4–2的第4級(jí)測(cè)試。這些器件較前一代元件小大約70%。其低電容、低插損和高線性度的電容與頻率比，也有利于最大限度地減少信號(hào)衰減。
ESD基本知識(shí)
一個(gè)ESD事件是在兩個(gè)帶有不同靜電電位的物體之間發(fā)生的能量相互傳遞，通過接觸、電離放電或火花放電來(lái)完成。材料類型、接觸面積、分離速度、相對(duì)濕度和其他因素影響著由摩擦產(chǎn)生的電荷總量。一旦在一種材料中有電荷出現(xiàn)，它就會(huì)變成一個(gè)“靜電”電荷。這些電荷可能從材料中轉(zhuǎn)移，激發(fā)ESD事件的發(fā)生。
靜電的主要來(lái)源大多數(shù)是絕緣體和典型的合成材料，例如：乙烯樹脂、塑料工作平臺(tái)、絕緣鞋、成型的木制椅子、透明粘膠帶、氣泡袋和不直接接地的焊錫烙鐵。
如圖1所示：這是一個(gè)典型的ESD的特性曲線。為了模擬此類接觸放電事件，一臺(tái)ESD發(fā)生器產(chǎn)生了一個(gè)ESD脈沖到正處于測(cè)試的器件上。這類測(cè)試的特點(diǎn)是極短的上升時(shí)間和低于100ns的脈沖持續(xù)時(shí)間，是一個(gè)低能量的靜電脈沖。這些放電事件產(chǎn)生的電壓水平可能極高，因?yàn)樗鼈兊碾姾墒遣粫?huì)輕易通過其表面或向其他物體分散。
圖1、ESD發(fā)生器模擬的典型8KV的ESD脈沖。
最常見的ESD來(lái)源有：
- 帶電的人體—— 一個(gè)人在走路或者有其他動(dòng)作的時(shí)候則可能帶電，如果人身上的電荷通過一個(gè)金屬物體、如一件工具釋放時(shí)， ESD的破壞會(huì)變得特別嚴(yán)重。
- 與地毯摩擦的電纜——如果一條帶電的電纜插入到任何一個(gè)帶電觸點(diǎn)時(shí)，一次ESD瞬間放電很可能發(fā)生。
- 操作聚乙烯袋—— 電子產(chǎn)品在滑入或者滑出包裝袋或者包裝管槽時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生靜電電荷，因?yàn)樵O(shè)備的外殼和/或金屬引線與容器的表面發(fā)生了多次接觸和分離。
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ESD帶來(lái)的損壞
ESD事故的產(chǎn)生和電子設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境相關(guān)。瞬態(tài)發(fā)生環(huán)境差別很大，在汽車電子系統(tǒng)、機(jī)載或船載設(shè)備、空間系統(tǒng)、工業(yè)設(shè)備或者消費(fèi)產(chǎn)品中有著實(shí)質(zhì)性的差異。
隨著筆記本電腦、手機(jī)和其他移動(dòng)設(shè)備越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，用戶在電纜連接和斷開時(shí)將有更大可能觸摸到I / O連接器的引腳。在正常工作條件下，觸摸一個(gè)暴露的端口或接口，可以導(dǎo)致超過30kV以上靜電的放電。
小尺寸的半導(dǎo)體器件由于不能承受過高的電壓、過高電流或者是兩者的結(jié)合而被損壞，過高的電壓可能會(huì)導(dǎo)致柵氧化層被擊穿，而過高的電流會(huì)造成接合點(diǎn)發(fā)生故障和金屬連線熔化。
SESD保護(hù)器件為高速I/O接口提供保護(hù)
由于IC制造商已經(jīng)采用了更高頻率I/O接口互聯(lián)，他們繼續(xù)縮減晶體管的最小尺寸、互連及其器件中的二氧化硅(SiO2)絕緣層，這導(dǎo)致了在更低能量水平下發(fā)生擊穿損壞的可能性的增加，使得ESD保護(hù)成為首要的設(shè)計(jì)考慮因素。
基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2，大多數(shù)的電子設(shè)備必須滿足抵御最低8kV的接觸放電或者15kV的空氣放電。不幸的是，許多半導(dǎo)體器件無(wú)法承受這一級(jí)別的靜電沖擊，并可能會(huì)造成永久性損壞。為了提高其生存能力，系統(tǒng)中必須設(shè)計(jì)芯片外的額外保護(hù)電路。
在高速I / O接口的ESD保護(hù)設(shè)計(jì)中有兩個(gè)主要的設(shè)計(jì)考慮因素：
- 高速I / O接口的ESD保護(hù)電路必須足夠強(qiáng)大，以能夠有效地保護(hù)內(nèi)部電路的薄柵氧化層免受ESD沖擊帶來(lái)?yè)p壞。
- 由于ESD保護(hù)器件的寄生效應(yīng)對(duì)高速電路性能降低的影響需要最小化。
分立元件走向小型化的趨勢(shì)仍在繼續(xù)，這經(jīng)常給設(shè)計(jì)師帶來(lái)困難和耗時(shí)的工程樣機(jī)制作和返修挑戰(zhàn)，以及生產(chǎn)工藝的控制問題。TE電路保護(hù)部新的SESD器件滿足了高速應(yīng)用的必然需求，也能夠幫助解決裝配和制造挑戰(zhàn)。
如圖2所示：SESD元件用于轉(zhuǎn)移具有潛在破壞性的電荷，使其遠(yuǎn)離敏感的電路，并幫助保護(hù)系統(tǒng)免于故障。通過將硅器件的優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)的表面貼裝技術(shù)(SMT)無(wú)源器件封裝配置相結(jié)合，它們比傳統(tǒng)的半導(dǎo)體封裝的ESD器件更容易安裝和維修。
圖2、SESD器件有助于保護(hù)敏感電路免受ESD的損害。
除了它們的小尺寸外，SESD的雙向操作性可以方便地放置到印刷電路板上，沒有方向的約束并消除了極性檢查的需要。不同于在器件底部采用焊盤的傳統(tǒng)ESD二極管，被動(dòng)元件式的封裝在器件安放在PCB上后，也可以方便地實(shí)現(xiàn)焊接檢查。
ChipSESD的8x20?μs 波形的額定浪涌電流為2A，以及額定等級(jí)10kV的ESD接觸放電。其低漏電流(最大1.0μA)降低了功耗和快速響應(yīng)時(shí)間(<1ns)可以幫助設(shè)備通過IEC61000-4–2標(biāo)準(zhǔn)的第4級(jí)測(cè)試。4.0pF(0201封裝)和4.5pF(0402封裝)的輸入電容值，使其適合用于保護(hù)以下設(shè)備：
- 移動(dòng)電話和便攜式電子設(shè)備
- 數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)
- 計(jì)算機(jī)I/O端口
- 鍵盤、低電壓直流電線、揚(yáng)聲器、耳機(jī)和麥克風(fēng)
小結(jié)
便攜設(shè)備的持續(xù)小型化與功能提升相結(jié)合，使得系統(tǒng)需要更強(qiáng)有力的保護(hù)以免受ESD事件引起的損壞。ESD瞬態(tài)事件可能破壞設(shè)備的運(yùn)行或者導(dǎo)致潛在的損害和安全問題。小體積、低電容的SESD器件提供了一種簡(jiǎn)單的、高性價(jià)比成本效益的解決方案。
