静电保护标准化解决方案

摘要：  静电放电(ESD)会给电子设备带来软损伤或硬损伤这样破坏性的后果，但是随着消费者对产品的小型化和功能多样化的追求，这一问题变得更加突出。ESD会造成手机工作异常、死机，甚至损坏手机，因而当今的设计工程师必须考虑如何为设备提供最有效的ESD保护，同时满足系统尺寸和成本的要求。

关键字：  ESD保护器件，  CMOS芯片，  ESD，  静电抑制器

静电放电(ESD)会给电子设备带来软损伤或硬损伤这样破坏性的后果，但是随着消费者对产品的小型化和功能多样化的追求，这一问题变得更加突出。首先，外形尺寸的减小将使得集成电路(IC)变得更加脆弱;其次，伴随功能多样化增加的输入输出接口为ESD的进入提供了路径。以手机为例，屏幕、摄像头、扬声器、听筒、耳机插口、键区、MIC、USB接口、音量键、T-Flash卡、SIM卡等都可能成为ESD的进入点。ESD会造成手机工作异常、死机，甚至损坏手机，因而当今的设计工程师必须考虑如何为设备提供最有效的ESD保护，同时满足系统尺寸和成本的要求。

我们认为，将ESD保护器件放置在连接器或端口处是最为有效的方法之一，能够在ESD进入芯片之前有效抑制ESD事件的发生，这同时也是强制性ESD抑制标准IEC 61000-4-2的要求。这是由于有效的ESD保护无法完全集成到CMOS芯片当中了，现有的半导体工艺下，原来在1.5μm工艺的芯片面积上只占几十分之一(获得2kV ESD保护)的ESD保护器件的面积已经无法容纳于现在只有几个纳米的芯片之中，因此必须考虑其它的解决办法。

GcDiode与市场几大类ESD保护器件的比较

ESD保护元件的作用是转移来自敏感元件的ESD应力，使电流流过保护元件而非敏感元件，同时维持敏感元件上的低电压;ESD保护元件还应具有低泄漏和低电容特性，不会降低电路功耗;不会对高速信号造成损害，在多重应力作用下保护元件的功能不会下降。

GcDiode静电抑制器是AEM近几年发展起来的专用静电保护器件，与市场上TVS、聚合物、压敏电阻等专用ESD保护元件实现技术各不相同，具有钳位低(钳位电压<30V) 、低容值(<0.25pF) 、快速响应(<1ns) 、低漏导(< 0.1nA) 、承受高能量、高稳定性和耐温特性等特点;与TVS一样采用电压钳位的方式进行保护，区别于聚合物的消弧(crowbar)保护策略。这种玻璃陶瓷基体与功能层高温共烧的独石结构，基于隧道效应的工作机理，在经受瞬时高压时，会立即将能量释放出去，实现对ESD传导为主吸收为辅的耗散能量方式，有效抑制性能劣化。事实上，与硅材料的TVS、高分子的聚合物以及多层金属氧化物的压敏电阻相比，在ESD保护器件的几大特性上可以用六维图可以很形象的说明。如下图

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玻璃陶瓷的GcDiode静电抑制器与压敏、聚合物一样支持双向保护，TVS可支持单向或双向保护，GcDiode在多重应力下仍然可保持强大的性能，而压敏电阻和聚合物则会随着使用次数的增多性能下降。传统的压敏电阻虽然在成本上具有一定优势，采用的是物理吸收原理，因此每经过一次ESD事件，材料就会受到一定的物理损害，形成无法恢复的漏电通道;高分子聚合物材料在使用过程中同样存在磨损问题且耐高温和耐老化的能力比不上陶瓷的ESD。实验数据表明GcDide在承受ESD几千次的静电打击中，漏电流一直保持在1nA以下，对设备几乎不产生能量损耗;而对高速信号线路的保护方面，与高分子聚合物一样，容值做到了极低，对信号的上升沿/下降沿不产生失真影响，无疑是最佳选择。

ESD保护器件性能测试

当采用IEC61000-4-2 Level4 8kV的正/负输入脉冲时， ESD元件能够在30ns的响应时间内达到很低的钳制电压。从高速示波器现场展示的针对静电典型波形的钳制电压曲线来看，GcDiode可以在极短时间内触发(<1ns)将输入的大电压拉低钳制到30V左右，在所有非PN结半导体制程产品中，对静电的触发反应时间和钳位都效果显著，钳位电压略高于PN结的TVS。事实上这个30V左右的电压由于产品的快速导通电流的释放，低于电路瞬态极限受限电压(获得2kV ESD保护IC)而平稳耗散能量。性能测试典型波形情况：

压敏电阻的曲线则下降得非常缓慢，几乎花了100ns才使电压降下来，并且无法达到GcDiode静电抑制器的效果。这表明TVS器件在响应时间和钳制性能方面均优于压敏电阻。

高分子聚合物的触发电压和钳位效果一般。

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玻璃陶瓷的GcDiode最接近基于硅材料PN结的TVS钳制性能。

ESD保护器件必须能够在IEC 61000-4-2标准条件下存续，同时承受应力期间需维持低电压。

历经市场的检验中，我们认为GcDiode静电抑制器代表了AEM倡导的静电保护标准化的解决方案:

1.双向低容值适合所有接口信号线路的良好应用;

2.低漏电流，有效控制元件功耗;

3.非PN结半导体制程产品中，具有最佳的保护特性及稳定性;

4.产品系列规格少，通用性强，便于客户选型及物料管理，为客户提供静电防护标准化方案;

5.具有极佳的性价比。