靜電防護和多層壓敏電阻
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
靜電（ESD）的研究由來已久，但是從來沒有像現(xiàn)在這樣受到工業(yè)界的重視，主要的原因是現(xiàn)在的電子設備越來越小型化、通訊設備傳輸工作電壓越來越低和通信頻率的越來越高。特別是隨著集成電路集成度增加，靜電也越來越顯示出它的危害性。靜電的發(fā)生是隨時隨處的，從靜電敏感設備的生產(chǎn)、裝配、運輸?shù)綉玫拿恳粋€環(huán)節(jié)，都有可能遭受靜電的破壞。專家估計，ESD的對工業(yè)產(chǎn)品的破壞占到總數(shù)的8~33%，每年大約有幾十億美元的損失1，我國通訊行業(yè)每年由靜電危害造成的損失高達幾億元人民幣2.所破壞的產(chǎn)品從一個簡單的二極管到上百美元的設備。下圖是美國的半導體協(xié)會在1993年對半導體產(chǎn)品損壞的一個原因調(diào)查，調(diào)查的結果顯示，ESD是半導體產(chǎn)品損壞的頭號殺手。
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圖1：靜電破壞成為半導體設備失效的第一殺手 |
來自Intel的資料表明，在引起電腦故障的諸多因 素中，EOS/ESD是最大的隱患，將近一半的電腦故障都是由EOS/ESD引起的3。
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圖2：ESD是電腦故障的罪魁禍首 |
本文主要從靜電產(chǎn)生的機理，防護的原理和多層壓敏電阻技術特點及其發(fā)展競爭的態(tài)勢來探討靜電的防護和多層壓敏電阻的發(fā)展。
2.靜電的工業(yè)標準和破壞的機理靜電的產(chǎn)生是基于摩擦生電的機理
當兩種不同的物體相互接觸和分離時，由于兩種物體表面電子活性的不同，會使一種物體帶正電，而另一種物體帶負電，典型的例子就是耳熟能詳?shù)拿ず拖鹉z的摩擦生電。在靜電的研究中，有三種靜電的模型：（1）第一種就是所謂的人體模型（HBM），（2）帶電體模型（CMD），（3）機器模型（MM）。其中人體模型為脈沖衰減電路，后兩者為周期震蕩衰減電路。三種模型的典型峰值電流分別為：
1.3A(2,000VHBM)、15A(@4pF">1000VCDM@4pF)以及3.8A(200VMM)。這三種模型中最常見，也是最被重視的模型是所謂的人體模型，這種模型模擬的是當人體帶電（正電或者負電）時，接觸電子設備，人身上的電荷向設備轉(zhuǎn)移的情況。模擬波形產(chǎn)生的電路原理圖和設備圖如圖3所示。通常充電的電容是100pF，而放電電阻一般取1.5K歐姆。
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圖3：人體模型的產(chǎn)生原理和設備示意圖 |
國際電工協(xié)會(IEC)在標準IEC61000-4-2中規(guī)定了靜電波形的形狀，這個靜電波形也是被絕大部分標準所承認，比如美國軍標MIL-STD-883E和國標GB/T17626.2。其中在電子設備的靜電保護中，IEC61000-4-2是被廣泛引用的一個標準。
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| 圖4：IEC61000-4-2中規(guī)定的靜電波形在這個標準中規(guī)定了靜電測試的不同等級 |
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表1：IEC61000-4-2中規(guī)定的靜電測試等級 |
其中接觸放電測試方法是靜電放電測試中的首選，只有在接觸放電有問題時，才考慮空氣放電。之所以規(guī)定不同的放電等級，是考慮在不同的靜電放電情況，比如在半導體和IC的保護中，2KV的放電標準是經(jīng)常被引用的。在實際的IC設計中，要考慮靜電放電的防護問題，其中一種方法是IC內(nèi)自己做了防護，一般是1KV或者2KV的靜電防護標準，但是這樣會占用寶貴的IC空間，所以就有了第二種靜電防護方法，即芯片外防護，芯片外防護的另一個重要的原因就是實際的靜電等級遠大于2KV，在一些汽車標準中，可能達到25KV的靜電放電等級。靜電放電對設備的破壞形式有兩種5，一種是所謂的災難性破壞（Catastrophic Failure），這種破壞對設備的表現(xiàn)為不能正常工作，或者某些節(jié)點的擊穿等，一般這種破壞的設備或器件能很容易檢測出來。還有一種破壞叫做潛在的破壞（Latent Defect），這種破壞一般表現(xiàn)為靜電能量較小，不足以使設備立即失效，僅僅表現(xiàn)為工作不穩(wěn)定等，或者干脆就沒有外在的特異表現(xiàn)。但是這種破壞卻最危險，輕則縮短設備的使用壽命，重則對以后的系統(tǒng)甚至人身產(chǎn)生危害，同時一般因為問題表現(xiàn)不明顯，給檢測帶來了困難，更糟糕的是維修人員一般把這種問題歸咎為材料不良或者設計缺陷等其它原因，對問題的解決抱有僥幸心理，直到災難的發(fā)生。
3.靜電的防護
靜電的防護是一個系統(tǒng)工程，從靜電的產(chǎn)生、靜電的積累、靜電的釋放、靜電釋放的路徑的選擇 和釋放靜電的量的控制全方位考慮，但是因為靜 電破壞的復雜性，至今還沒有一個很好的方法去完全解決靜電問題。如果因為靜電的防護去請教100個靜電專家，得到的答案可能是100個不同的答案。但是這也不代表我們對靜電問題束手無策，在靜電保護的過程中，我們只要遵循一個原則：靜電的積累必然有靜電的釋放，所以我們只要給靜電選好放電的路徑和放電的去處即放電地，就能很好的進行靜電的釋放6。在靜電保護的方法中，最常用的就是在被保護的設備兩端并聯(lián)一個過電壓保護器件，當靜電超過某個安全閾值，保護器件擊穿，把過電流釋放到安全地。
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