日常生活中，
ESD (Electro-Static Discharge
，靜電放電
)
對于我們來說是一種常見的現(xiàn)象，然而對電子產(chǎn)品而言，
ESD
往往是致命的
——
它可能導致元器件內(nèi)部線路受損，直接影響產(chǎn)品的正常使用壽命，甚至造成產(chǎn)品的損壞。因此，
ESD
防護一直以來都是工程師們的工作重點。對于剛開始職業(yè)生涯的電子工程師而言，在掌握專業(yè)技能之前通常都要接受一些
ESD
相關(guān)知識的培訓，足見
ESD
防護的地位與重要性。
圖
1
電子顯微鏡下
IC
內(nèi)部損毀的照片
一般，
ESD
保護一般通過兩種途徑來實現(xiàn)，第一種方法是避免
ESD
的發(fā)生；第二種方法則是通過片內(nèi)或片外集成內(nèi)部保護電路或?qū)Ｓ?/span>
ESD
保護器件，從而避免
ESD
發(fā)生后將被保護器件損壞。
避免
ESD
的發(fā)生
避免
ESD
發(fā)生的方法多出現(xiàn)于產(chǎn)品交付客戶以前，即研發(fā)、生產(chǎn)等過程。因為在這些階段，
IC
、電路板等靜電敏感器件可能裸露在外（如生產(chǎn)工過程中的
SMT
制程），
IC
因
ESD
而損壞的可能遠大于有外殼保護的成品。
表
1
幾種不同類型器件的靜電敏感程度
一般而言，避免
ESD
的方法可分為以下幾類：
Surround
（包圍）：靜電敏感元器件都以抗靜電材料包裝，或使用有蓋的抗靜電容器儲放；而在靜電敏感區(qū)域（如
SMT
制程）工作的人員，則還要穿著靜電服。
Ground
（接地）：將工作環(huán)境中的人員及設(shè)備通過不同的地線接地；
Impound
（排除）：排除所有工作區(qū)域內(nèi)的非抗靜電材質(zhì)；此外，可在對靜電極為敏感工作站位增加離子風扇以中和產(chǎn)品表面所帶靜電。
圖
2
使用離子風扇并將靜電桌布接地以避免
ESD
另一方面，濕度亦是一個重要的考量因素。適宜的濕度可降低
ESD
發(fā)生的機率。（見表
2
）這也是電子制造廠為何多在南方建廠的原因之一。
表
2
濕度對于
ESD
的影響
ESD
保護器件與保護電路
雖然上述避免
ESD
發(fā)生的方法有著很理想的效果，不過對于終端用戶顯然不太適合
——
舉例來說，我們不可能在使用手機之前先戴上靜電手環(huán)，通話結(jié)束后將手機放到靜電袋中以避免
ESD
。事實上，由于用戶鮮有機會接觸到產(chǎn)品內(nèi)部的元器件及電路板，因此也不需要如此嚴格的
ESD
防護措施，但這并不意味著
ESD
的問題不存在
——
首先，
ESD
可以輸入
/
輸出連接器（如
USB
接口、充電器接口、
SIM
卡插槽等）為路徑進入電路中的各種元件；其次，隨著電子產(chǎn)品，特別是消費電子產(chǎn)品向著輕薄化發(fā)展，導致內(nèi)部
IC
的外形尺寸不斷減小，其自身
ESD
防護能力亦不斷減弱。所以，工程師在設(shè)計時通常加入
ESD
保護器件，而很多
IC
內(nèi)部也有片上
ESD
保護電路。
圖
3
在用戶端，
ESD
可能由電子設(shè)備的各種接口進入，并對內(nèi)部芯片造成損傷
片上
ESD
保護電路
相信所有人都希望
ESD
防護能完全地集成到
IC
芯片內(nèi)部，因為這樣會節(jié)省的板級空間，減少系統(tǒng)成本并降低設(shè)計與布線的復雜度。但從目前情況來看，前景并不樂觀。如今，
IC
制程工藝的進步成了片上
ESD
保護的一大難題。一方面，工藝的進步雖提升
IC
的性能與集成度并降低功耗與尺寸，但由于柵極氧化層厚度越來越薄，
IC
自身的
ESD
防護能力反而降低。另一方面，隨著
IC
尺寸的不斷減小，由于受到空間的限制，因此保護能力有限。
圖
4
隨著
IC
面積的不斷減小，很難在
IC
中集成
ESD
保護電路（資料來源：安森美半導體）
ESD
保護器件
由于片上
ESD
保護電路能力有限，為保證整個系統(tǒng)有較好的
ESD
防護能力，外部
ESD
保護器件是必不可少的。比較常見的有陶瓷電容、齊納二極管、肖特基二極管、
MLV(Multi-Layer Varistor
，多層變阻器
)
和
TVS
（
Transient Voltage Suppresser
瞬態(tài)電壓抑制器）。
MLV
是一種基于
ZnO
壓敏陶瓷材料，采用特殊的制造和處理工藝而制得的高性能電路保護元件，其伏安特性符合
I=kVa
，能夠為受保護電路提供雙向瞬態(tài)過壓保護。
MLV
的工作原理是利用壓敏電阻的非線性特性，當過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實現(xiàn)對后級電路的保護。目前，
MLV
在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如手機、機頂盒、復印機等等。
圖
5 MLV
的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
電子產(chǎn)品輕薄化的發(fā)展趨勢使其對
ESD
防護要求越來越高，
MLV
漸漸有些力不從心，
TVS
二極管則開始嶄露頭角。
TVS
通常并聯(lián)于被保護電路，當瞬態(tài)電壓超過電路的正常工作電壓時，二極管發(fā)生雪崩，為瞬態(tài)電流提供通路，使內(nèi)部電路免遭超額電壓的擊穿或超額電流的過熱燒毀。當瞬時脈沖結(jié)束以后，
TVS
二極管自動回復高阻狀態(tài)，整個回路進入正常電壓。由于
TVS
二極管的結(jié)面積較大，使得它具有泄放瞬態(tài)大電流的優(yōu)點，具有理想的保護作用。
改進后的
TVS
二極管還具有適應(yīng)低壓電路（＜
5 V
）的特點，且封裝集成度高，適用于在印制電路板面積緊張的情況下使用。
圖
6 TVS
二極管結(jié)構(gòu)與特征電流
與
MLV
相比，不難看出
TVS
有如下優(yōu)勢：
體積：
MLV
的性能完全由其內(nèi)部材質(zhì)決定，因此很難在減小尺寸的同時保持或提高性能，封裝尺寸從
0402
到
1206
。而
TVS
采用硅芯片技術(shù)，可以得到比
MLV
更小的元件封裝尺寸（如圖
7
所示）。
圖
7 TVS
元件與
0402
封裝可變電阻尺寸比較，藍色為建議焊接面積
（資料來源：安森美半導體）
性能：
TVS
有更低的箝制電壓、更低的漏電以及更快的響應(yīng)速度（如圖
8
所示）
圖
8 TVS
有著更低的鉗制電壓
壽命：由于工作原理不同，
TVS
與
MLV
的壽命也不盡相同。安森美半導體亞太區(qū)市場營銷副總裁麥滿權(quán)做了一個形象的比喻：
“TVS
的原理就好像太極，把接收到的能量快速的轉(zhuǎn)移到接地端，所以它的壽命幾乎就是無限的。而可變電阻就好像一個人在不停的挨打，它把能量都由自己來承受吸收，因此，壽命是有限的，而且隨使用時間的增加，性能會慢慢下降。
”
結(jié)語
ESD
是一個
“
看似很小的大問題
”
，一個產(chǎn)品
ESD
防護的好壞直接影響到該產(chǎn)品的良品率及壽命�？蒲腥藛T對
ESD
防護的研究從未停止過，相信在不久的未來，會有更好的材料、更新的技術(shù)來幫助我們應(yīng)對
ESD
所帶來的困擾。
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