静电防护和多层压敏电阻

　　1.前言

　　静电（ESD）的研究由来已久，但是从来没有像现在这样受到工业界的重视，主要的原因是现在的电子设备越来越小型化、通讯设备传输工作电压越来越低和通信频率的越来越高。特别是随着集成电路集成度增加，静电也越来越显示出它的危害性。静电的发生是随时随处的，从静电敏感设备的生产、装配、运输到应用的每一个环节，都有可能遭受静电的破坏。专家估计，ESD的对工业产品的破坏占到总数的8~33%，每年大约有几十亿美元的损失1，我国通讯行业每年由静电危害造成的损失高达几亿元人民币2.所破坏的产品从一个简单的二极管到上百美元的设备。下图是美国的半导体协会在1993年对半导体产品损坏的一个原因调查，调查的结果显示，ESD是半导体产品损坏的头号杀手。

　　图1：静电破坏成为半导体设备失效的第一杀手来自Intel的资料表明，在引起电脑故障的诸多因 素中，EOS/ESD是最大的隐患，将近一半的电脑故障都是由EOS/ESD引起的3。

　　图2：ESD是电脑故障的罪魁祸首本文主要从静电产生的机理，防护的原理和多层压敏电阻技术特点及其发展竞争的态势来探讨静电的防护和多层压敏电阻的发展。

　　2.静电的工业标准和破坏的机理静电的产生是基于摩擦生电的机理，当两种不同的物体相互接触和分离时，由于两种物体表面电子活性的不同，会使一种物体带正电，而另一种物体带负电，典型的例子就是耳熟能详的毛皮和橡胶的摩擦生电。在静电的研究中，有三种静电的模型：（1）第一种就是所谓的人体模型（HBM），（2）带电体模型（CMD），（3）机器模型（MM）。其中人体模型为脉冲衰减电路，后两者为周期震荡衰减电路。三种模型的典型峰值电流分别为：

　　1.3A(2,000VHBM)、15A(@4pF">1000VCDM@4pF)以及3.8A(200VMM)。这三种模型中最常见，也是最被重视的模型是所谓的人体模型，这种模型模拟的是当人体带电（正电或者负电）时，接触电子设备，人身上的电荷向设备转移的情况。模拟波形产生的电路原理图和设备图如图3所示。通常充电的电容是100pF，而放电电阻一般取1.5K欧姆。

　　图3：人体模型的产生原理和设备示意图。国际电工协会(IEC)在标准IEC61000-4-2中规定了静电波形的形状，这个静电波形也是被绝大部分标准所承认，比如美国军标MIL-STD-883E和国标GB/T17626.2。其中在电子设备的静电保护中，IEC61000-4-2是被广泛引用的一个标准。

　　图4：IEC61000-4-2中规定的静电波形在这个标准中规定了静电测试的不同等级，请见下表1。

　　表1：IEC61000-4-2中规定的静电测试等级

　　其中接触放电测试方法是静电放电测试中的首选，只有在接触放电有问题时，才考虑空气放电。之所以规定不同的放电等级，是考虑在不同的静电放电情况，比如在半导体和IC的保护中，2KV的放电标准是经常被引用的。在实际的IC设计中，要考虑静电放电的防护问题，其中一种方法是IC内自己做了防护，一般是1KV或者2KV的静电防护标准，但是这样会占用宝贵的IC空间，所以就有了第二种静电防护方法，即芯片外防护，芯片外防护的另一个重要的原因就是实际的静电等级远大于2KV，在一些汽车标准中，可能达到25KV的静电放电等级。静电放电对设备的破坏形式有两种5，一种是所谓的灾难性破坏（Catastrophic Failure），这种破坏对设备的表现为不能正常工作，或者某些节点的击穿等，一般这种破坏的设备或器件能很容易检测出来。还有一种破坏叫做潜在的破坏（Latent Defect），这种破坏一般表现为静电能量较小，不足以使设备立即失效，仅仅表现为工作不稳定等，或者干脆就没有外在的特异表现。但是这种破坏却最危险，轻则缩短设备的使用寿命，重则对以后的系统甚至人身产生危害，同时一般因为问题表现不明显，给检测带来了困难，更糟糕的是维修人员一般把这种问题归咎为材料不良或者设计缺陷等其它原因，对问题的解决抱有侥幸心理，直到灾难的发生。

　　3.静电的防护

　　静电的防护是一个系统工程，从静电的产生、静电的积累、静电的释放、静电释放的路径的选择 和释放静电的量的控制全方位考虑，但是因为静 电破坏的复杂性，至今还没有一个很好的方法去完全解决静电问题。如果因为静电的防护去请教100个静电专家，得到的答案可能是100个不同的答案。但是这也不代表我们对静电问题束手无策，在静电保护的过程中，我们只要遵循一个原则：静电的积累必然有静电的释放，所以我们只要给静电选好放电的路径和放电的去处即放电地，就能很好的进行静电的释放6。在静电保护的方法中，最常用的就是在被保护的设备两端并联一个过电压保护器件，当静电超过某个安全阈值，保护器件击穿，把过电流释放到安全地。

　　正如图4所示静电波形，静电有以下几个特点。

　　1）发生的时间特别短，在0.7~1ns之间。

　　2）虽然总体能量不大，但是瞬间电压的峰值特别大，到了千伏甚至几十千伏量级。如果考虑到静电防护的对象主要对IC电路，即对工作电压低，传输频率高和较窄管脚布线的保护，还要求保护器件具有特点：

　　3）低的击穿电压。

　　4）极低电容。