集成電路微型化發展，ESD防護需跟上

電子發燒友網報道（文/李寧遠）不論是消費電子領域、工業領域還是汽車領域，在任何電子電路中，ESD防護都是至關重要的一環。任何器件，都可能在一次靜電沖擊下被損壞，電子系統如何解決ESD問題一直都是挑戰。

ESD帶來的器件損傷

日常生活中，我們經常會碰到靜電現象，尤其是在干燥的時候。靜電會在瞬間給人造成一次電擊，過程短暫但是痛感明顯。在現在電子設備無處不在環境里，人與電子設備的接觸經常能構成一個完整靜電放電ESD場景。

最常見的莫過于消費電子設備——PC和平板。這些電子設備往往配有很多接口，如USB、HDMI等等。在使用這些設備時，人體與接口之間很容易產生ESD。如果設備本身的ESD防護做得不夠到位，則通過接口連接產生的高壓ESD沖擊會導致大電流峰值直接流入集成電路，造成損壞。雖然這個ESD沖擊對人體來說可能感知不到，但這些產生的尖峰電壓電流足以對電子設備帶來不可逆的損壞，對于敏感的集成電路，這絕對是致命的瞬態沖擊。

這只是終端與用戶之間發生的ESD現象，其實從電子設備裝配到板級焊接，過程中的每一個環節都有著ESD風險。

ESD帶來的器件潛在損傷又很難檢測到，電子設備經常出現的各種故障極大可能都和靜電損壞相關。ESD損壞因此也被認為是電子產品質量最大的潛在殺手，ESD防護也成為電子產品質量控制的一項重要環節。

必不可少的ESD防護

從半導體產業發展開始，ESD損壞就已經出現了。隨著芯片向微型化發展加速，高集成度的IC中ESD問題更是越來越普遍。在所有IC的制造階段，都會配置嵌入式的ESD器件來保證IC能夠順利制造出來。

為了保護敏感電路免受ESD的影響，ESD保護二極管被連接到接口和集成電路之間的每條信號線上。在ESD發生的時候，ESD保護二極管會被擊穿，并產生一個低阻抗路徑，通過將電流轉移到地面來限制峰值電壓和電流，避免峰值電流直接流入IC，從而保護集成電路。

嵌入式器件級的ESD結構可以提供基礎的ESD防護，這種防護當然希望ESD保護器件的鉗位電壓越低越好，這樣下游電路才能盡可能少地暴露在擊穿環境下。

不過IEC后續標準中的電路模型通常會使用離散的獨立瞬態電壓抑制二極管也就是TVS。PMIC或者MCU單元中集成的器件級的ESD保護結構雖然有效，但面對系統級的ESD有時候并不能防護到位，獨立TVS成本會更低一些，同時也能設計得離接口更近，應對系統級的ESD更為有效。

TVS受到反向瞬態高能量時候能夠吸收能量，對后級電路形成有效的保護。具體來說就是當有瞬時過壓脈沖時，TVS的電流急驟增加而反向電壓則上升到鉗位電壓值，并保持在這一水平上。尤其是雙極性的TVS，無論來自反向還是來自正向的ESD脈沖都能即時做出保護，一旦加在它兩端的干擾電壓超過鉗位電壓就會立刻被抑制掉。

器件級的ESD防護在系統層面不如獨立TVS更可靠，而且隨著終端應用的快速發展，不同場景對TVS的ESD也提出了更高的要求，尤其是小型化需求。如何在縮小封裝的同時保證防護性能，也是TVS發展面臨的挑戰。

小結

集成電路節點工藝技術正在變得越來越小，更高集成度的器件也更容易受到ESD損壞的影響，在系統級防護層面合適地使用獨立的TVS是提升高集成度IC可靠性的重要一環。