矩陣產品的靜電放電保護

為了提高產品的耐受性，影響整個電子業的四防靜電產品個長期趨勢，促使靜電放電(ESD)保護在目的性工程的總體實踐中日益重要。首先，與數年前相比，隨著用戶、信號I/O功能日益復雜和流行，產品上ESD的閃擊進入點多了許多。尤其是對於信號I/O端口，以及小鍵盤、指示器、顯示器。

其次，隨著IC制造工藝從500nm左右演變到90nm和更小尺寸，集成器件的擊穿電壓已大大降低。這與工作電壓的降低直接相關，在計算核心領域幅度最 大，而且在I/O、存儲器、模擬電路也是如此。這個趨勢的一個受害者就是傳統的保護器件，它們的閾值電壓超過了當前器件的最高電壓應力極限。

第三，伴隨著集成器件尺寸的縮小，信號傳輸頻率增加迅猛。這個趨勢極大改善了計算裝置的吞吐速度，以及射頻和光子系統的頻譜接入。然而，隨著信號傳輸頻率 的增加，電路對並聯電容的承受力減弱了。遺憾的是，所有的瞬態電壓保護器件均須工作在並聯模式，因此在其非工作模式中導致了並聯的雜散。

最後，當前集成器件的微型化趨勢也造成了產品尺寸的總體縮小。較短的傳導跡線提供較低的雜散電感，這既有優點也有缺點。好的一面是，對於鄰近電路所承受的 瞬態電流而言，較小的電感雜散帶來的耦合系數較小。然而，較低的雜散電感也增強了跡線對電流瞬態的響應，並降低了電流路徑的動態阻抗。
防範危險的最好保護方法始於損害的基本性質是嚴重的熱過載，以及它對系統的損害方式。ESD損害的基本性質是嚴重的熱過載，在放電事件中，由於它以極快的 速度傳遞能量，其速度遠遠超過常見IC結構的熱時間常數，並且一般把能量集中在極小的體積內，所以只需極少的能量就能造成很大損害。

雙極輸入器件仍用在儀器前端、模擬信號處理器等高精度超低噪聲應用中，它對電壓過載尤其敏感。例如，能使器件保持完好的基極發射極結發生電流有限的反向擊穿時，可能會降低晶體管的gm（跨導），並增加反向泄漏電流。超過電流限制時可能導致基極發射極短路，使器件失靈。

MOS器件比雙極器件更易遭受到ESD破壞，並且隨著制造工藝尺寸的每一次縮短而更加脆弱。由於工藝技術的進步，柵極氧化物厚度隨之縮小了。在90nm， 氧化物僅有幾個分子層厚，這個問題驅使工藝開發者去研究可以替代的柵極化學技術。雖然超薄膜的表面絕緣強度大於厚膜，但柵極氧化物的擊穿電壓仍然會隨著先 進工藝中更薄的氧化物而下降。如果一個大於氧化物擊穿電壓的瞬態出現在MOS晶體管的柵極上（相對於溝道電勢），氧化物就會失效，這個事件稱作“氧化物穿 通”。輕微的損害也會導致明顯的柵極泄漏。更典型的情況是，在柵極金屬化層和溝道之間形成短路，由此毀壞器件。

IC內部的傳導膜也會遭受ESD導致熔斷引發的故障，從而導致斷路。熔斷行為遵循I2t特征。內部峰值電流高達30A時，即使ESD的短暫閃擊也能毀壞鈦鎢或鎳鉻薄膜跡線。

對於ESD耐受性，保護器件的位置是其中關鍵的問題。ESD抗擾方法完全依靠把閃擊能量分流到地，如表1所示。如果把初級保護器件放在離ESD閃擊進入點 很近的位置，例如在I/O端口附近，那麼閃擊電流只會流過很短的一段PCB跡線。而如果把初級保護器件放在離進入點有些距離的位置，那麼閃擊電流就會流過 較長的跡線長度。在這種安排中，閃擊電流能更好地以電感形式耦合到鄰近跡線，包括那些未在外部端口終結的跡線，如果在此終結，它們就不會受到ESD引發的 應力的危害。

與此類似，接地設計必須考慮正常工作條件下流過的ESD閃擊電流和接地返回電流。這項要求一般建議：保護器件配備的接地跡線比設計方案所擔保的更粗，或者使用接地層。

應仔細考慮初級保護器件的規格。元器件制造商只用幾個參數來描述瞬態電壓抑制器(TVS)的特性，但所有參數均須適合於所需受保護的特定線路。額定工作電 壓或最高開路電壓是被保護電路在正常工作條件下應承受的最高電勢。電壓不超過最高開路電壓時，器件的泄漏電流應不會超過極小的規定值。最高開路電壓及其泄 漏電流應適用於器件的整個工作溫度範圍。

以上部分介紹了電子行業的四個長期技術和應用趨勢，這些趨勢提高了靜電放電(ESD)保護對耐用電子設計的重要性。舉例說明了ESD閃擊可能引發的故障機 制，以及一些定義測試儀器和測試協議的常見標准，人們可用這些儀器和協議來評估產品的耐用性。最後介紹了分流型保護器件的關鍵參數，可用這些器件來保護設 計方案中易被ESD和其它快速瞬態損壞的節點。第二部分將介紹最常見的分流時間瞬態抑制器，並探討如何為其中廣泛應用的器件制定規格。

抑制器（或稱箝位器件）有多種構造。最常見的是金屬氧化物壓敏電阻(MOV)、聚合物變阻器、標准齊納二極管、雪崩瞬態電壓抑制器(TVS)二極管。它們 均作為分流型保護器件來工作。（在電源軌應用中，保險絲、斷路器或其它過流限制元件應位於能量來源與任何分流型瞬態保護器件之間。缺乏此類串聯過流保護， 就可能在分流器件工作時導致危險狀況。）與此類似，應考慮應用在分流型保護器件與線路驅動器或其它低壓I/O信號源之間是否需要串聯阻抗，以針對信號路徑 上的過多故障電流提供保護。

MOV內部結構包括一個氧化鋅顆粒矩陣，這些顆粒在其邊界的表現像PN半導體結。該矩陣組成了一個包含串聯和並聯二極管的大型陣列，因此在擊穿期間，電流 往往會流經這個整體。間隙電極的作用是重新分配電流密度，來確保這些器件充分利用各自的主體。所以最終MOV的額定功率與體積成正比。

這些器件天生就是雙向，並表現出較高的閾值電壓和泄漏電流，這使它們適合作為交流電輸入浪湧保護器。對於汽車、工業、數據處理和類似環境中易受線路浪湧影響的直流電應用，上述器件能起到相似作用。然而，這些特性使MOV不適合於多數信號線路保護方案。

聚合物變阻器的表現類似於可控硅，這意味著它們的I/V曲線可迅速折回，使箝位電壓遠低於閾值。再加上它們的低電容和小尺寸，使它們對於高速信號線路很具有吸引力。但遺憾的是，它們的閾值電壓經常高於現代信號I/O端口上的電壓過應力極限情況下的實際可承受量。