ot;display: block;">有三股力量正在推動(dòng)電路保護(hù)技術(shù)的蓬勃發(fā)展:首先,無(wú)論是手機(jī)還是工業(yè)電信設(shè)備,為了實(shí)現(xiàn)可靠的系統(tǒng)操作,研發(fā)工程師都要特別注意保護(hù)那些提供系統(tǒng)功能的復(fù)雜IC；其次,工藝的精細(xì)化令I(lǐng)C對(duì)沖擊和靜電放電(ESD)的敏感度不斷提高；最后,眾多市場(chǎng)都正在對(duì)銷(xiāo)往該地的電子產(chǎn)品設(shè)立強(qiáng)制性的安規(guī)認(rèn)證,而過(guò)壓保護(hù)也被列為其中重要的一項(xiàng)。正如
安森美半導(dǎo)體保護(hù)產(chǎn)品業(yè)務(wù)總監(jiān)Gary Straker不久前在上海所言:“無(wú)論是便攜消費(fèi)產(chǎn)品、計(jì)算機(jī)外設(shè)、電信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、汽車(chē)電子還是工業(yè)設(shè)備,其對(duì)電路保護(hù)的需求都在日益上升。”
Straker是在安森美半導(dǎo)體宣布成立上海電路保護(hù)應(yīng)用測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的新聞發(fā)布會(huì)上發(fā)表上述言論的。為了滿(mǎn)足不斷上升的電路保護(hù)需求以及協(xié)助在此方面缺乏經(jīng)驗(yàn)的亞洲用戶(hù)、特別是中國(guó)用戶(hù),這家電源半導(dǎo)體大廠(chǎng)不久前在上海開(kāi)設(shè)了美國(guó)亞利桑那州菲尼克斯之外的全球第二家電路保護(hù)應(yīng)用測(cè)試實(shí)驗(yàn)室。“新的實(shí)驗(yàn)室將主要為手機(jī)和DSL調(diào)制解調(diào)器等便攜消費(fèi)產(chǎn)品和電信設(shè)備提供過(guò)壓保護(hù)解決方案。”Straker介紹。
ESD保護(hù)與技術(shù)難題
談到ESD保護(hù),首先要介紹的便是瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)、壓敏電阻以及聚合物(Polymer)三種器件。事實(shí)上,它們正是ESD保護(hù)領(lǐng)域的三大技術(shù)。其中,TVS和壓敏電阻采用的是電壓箝位的方式,而內(nèi)含導(dǎo)電粒子的聚合物則利用的是消弧保護(hù)的原理。與其他兩種器件相比,聚合物的應(yīng)用范圍還比較小,僅用于電容較低的場(chǎng)合(小于1pF)。另外,聚合物的體積還會(huì)隨著箝位電壓的提高而增大。很顯然,這同半導(dǎo)體器件日益縮小的趨勢(shì)背道而馳。
聚合物的上述劣勢(shì)令壓敏電阻和TVS成為最常見(jiàn)的兩種ESD保護(hù)方案。壓敏電阻的電阻值會(huì)隨著電壓的不同而發(fā)生變化。當(dāng)所承受的電壓超過(guò)額定值時(shí),其電阻會(huì)急劇下降到近似短路的狀態(tài),將靜電電壓引入變阻器并以熱能的形式釋放出來(lái)。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是成本相對(duì)較低,缺點(diǎn)卻是每經(jīng)過(guò)一次ESD沖擊,器件的物理結(jié)構(gòu)就會(huì)受到一定程度的損傷,從而發(fā)生器件老化的問(wèn)題。相比之下,利用了二極管雪崩短路的TVS卻不存在這一困擾:當(dāng)瞬態(tài)電壓超過(guò)箝位電壓后,二極管發(fā)生雪崩,瞬態(tài)大電流將從與被保護(hù)器件并聯(lián)的二極管中流過(guò),避免了內(nèi)部電路被大電壓擊穿或被大電流燒毀的可能。當(dāng)然,TVS的優(yōu)點(diǎn)還不止這些,小型化的封裝、較低的箝位低壓都足以令其他技術(shù)甘拜下風(fēng)。這令其比其他器件擁有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,特別是高端便攜設(shè)備的接口電路。
高速應(yīng)用中的ESD保護(hù)器件
不過(guò),隨著更多低壓器件以及高頻電路技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的TVS已經(jīng)越來(lái)越無(wú)法滿(mǎn)足相關(guān)應(yīng)用的需要。以手機(jī)為例,隨著高速數(shù)據(jù)線(xiàn)對(duì)ESD保護(hù)的需求日益上升,這個(gè)已經(jīng)成為ESD保護(hù)應(yīng)用大戶(hù)的領(lǐng)域開(kāi)始對(duì)ESD保護(hù)器件供應(yīng)商提出了新的要求。“與鍵盤(pán)、按鈕、側(cè)鍵、充電線(xiàn)、電池觸點(diǎn)等傳統(tǒng)大功率ESD應(yīng)用不同,為了不造成高頻失真,USB1.1、、FM天線(xiàn)、SIM卡、攝像頭等高速數(shù)據(jù)應(yīng)用以及和RF天線(xiàn)等超高速數(shù)據(jù)應(yīng)用都要求保證盡可能低的系統(tǒng)電容值。”安森美半導(dǎo)體分立產(chǎn)品部ESD/TVS保護(hù)技術(shù)市場(chǎng)工程師Lon Robinson指出,“比如,前者要求的系統(tǒng)最大電容值在40pF以下,后者更是要求系統(tǒng)電容值低于5pF甚至低至。無(wú)疑,留給ESD器件的可回旋余地就更小了。”
Robinson道出了所有ESD保護(hù)器件供應(yīng)商都在面對(duì)的一項(xiàng)挑戰(zhàn)——美國(guó)防靜電協(xié)會(huì)(ESDA)2006年發(fā)布的一項(xiàng)研究報(bào)告已經(jīng)指出,隨著半導(dǎo)體器件特征尺寸的降低,IC內(nèi)氧化層擊穿電壓正在不斷下降。報(bào)告稱(chēng),為了確保ESD電壓不超過(guò)氧化層的擊穿電壓,外部ESD保護(hù)器件必須將其箝位至更低的電壓。“然而就目前而言,市場(chǎng)上大部分ESD保護(hù)器件的箝位能力與電容值還是成反比的——隨著電容值的降低,ESD器件啟動(dòng)保護(hù)機(jī)制的電壓值不但沒(méi)有降低,反而在不斷上升。這導(dǎo)致許多器件在高頻場(chǎng)合根本無(wú)法達(dá)到保護(hù)IC免受ESD電壓破壞的目的。”Robinson說(shuō)。
ESD9L的創(chuàng)新三管結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)創(chuàng)新
很顯然,如果繼續(xù)糾纏于以往的技術(shù),要解決ESD保護(hù)器件中電容值與靜電箝位能力這對(duì)無(wú)法調(diào)和的矛盾是不太現(xiàn)實(shí)的——結(jié)構(gòu)創(chuàng)新或許是個(gè)不錯(cuò)的主意——通過(guò)他們的努力,安森美的研發(fā)工程師已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。具體思路是:將超低電容二極管和大功率TVS置于同一裸片上,通過(guò)集成的方式來(lái)獲得箝位能力與電容值的雙重優(yōu)勢(shì)。按照這個(gè)想法,該公司在去年11月宣布推出一款型號(hào)為ESD9L的新型ESD保護(hù)器件。
據(jù)稱(chēng),這款于主要面向手機(jī)應(yīng)用的ESD保護(hù)器件不僅擁有的超低電容,足以應(yīng)付(480 Mbps)和HDMI( Gbps)等高速應(yīng)用。另外,盡管其擁有電容業(yè)界最小的電容值,但是ESD保護(hù)能力卻不遜于任何大電容器件。安森美出示的資料顯示,該器件能將15kV的ESD波形在數(shù)納秒(ns)之內(nèi)迅速箝位至7V以下。最后,在提高鉗位性能的同時(shí),ESD9L還盡力保持了極小的裸片尺寸,使其能夠適合尺寸僅為1.0×0.6×的SOD-923封裝。至此,它不僅完全克服了傳統(tǒng)TVS低電容同箝位能力不可兼得的問(wèn)題,還憑借超小型封裝成為手機(jī)、MP3播放器、PDA和數(shù)碼相機(jī)等空間受限型產(chǎn)品的高速應(yīng)用理想解決方案。
簡(jiǎn)單來(lái)講,ESD9L可以被看作是兩個(gè)整流二極管和一個(gè)齊納二極管組成的三管結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2):齊納二極管與一個(gè)整流二極管組成一路,另外一個(gè)整流二極管組成一路,分別作為不同方向電流的通路。由于涉及到技術(shù)機(jī)密,Robinson拒絕透露如何利用這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)低箝位電壓與超低電容的原理,不過(guò)他表示,三管結(jié)構(gòu)并沒(méi)有增加系統(tǒng)工程師的應(yīng)用難度。“ESD9L與單齊納二極管的性能是完全一樣的,工程師可放心使用。”他說(shuō)。
Robinson還在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了演示,對(duì)ESD9L與包括同類(lèi)硅器件、壓敏電阻以及聚合物在內(nèi)的各類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)器件進(jìn)行了正、負(fù)脈沖作用下ESD保護(hù)能力的截屏比較,結(jié)果證明了該器件強(qiáng)大的ESD保護(hù)能力(結(jié)果比較見(jiàn)圖3)。
安森美的ESD9L新器件解決了電容與箝位電壓之間的矛盾
作者:王彥
