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1、强强 茂茂 半半 导导 体体PANJIT SEMICONDOUCTORHttp:/By：Evan luo2010-4-22硅ESD保护器件You Component Our ProfessionHttp:/ESDESD基础篇基础篇ESDESD测试标准篇测试标准篇目目 录录ESDESD应用篇应用篇ESDESD器件篇器件篇You Component Our ProfessionHttp:/什么是什么是ESD？ESDESD是代表英文是代表英文Electrostatic DischargeElectrostatic Discharge即即“静电放电静电放电”的意思。的意思。 什么是静电放电：什么是静电
2、放电：严寒的冬天，当你脱下毛衣，听到劈劈啪啪声严寒的冬天，当你脱下毛衣，听到劈劈啪啪声干燥的冷天，当伸手去开窗户，感到触电感觉干燥的冷天，当伸手去开窗户，感到触电感觉用手去抚摸家里的猫，发现猫竟然怒发冲冠用手去抚摸家里的猫，发现猫竟然怒发冲冠这些就是静电瞬间泄放这些就是静电瞬间泄放(ESD)(ESD) 产生的现象。静电瞬产生的现象。静电瞬间泄放导致电子零件的损坏间泄放导致电子零件的损坏, ,此种破坏是由于静电存此种破坏是由于静电存在所产生的高压将零件受损或破坏。在所产生的高压将零件受损或破坏。静电放电的产生：静电放电的产生：通常物体保持电中性状态，这是由于它所具有的正负电荷量相等的通常物体保持
3、电中性状态，这是由于它所具有的正负电荷量相等的缘故。如果两种不同材料的物件因直接接触或静电感应而缘故。如果两种不同材料的物件因直接接触或静电感应而 导致相互间导致相互间电荷的转移，使之存在过剩电荷，这样就产生了静电。电荷的转移，使之存在过剩电荷，这样就产生了静电。You Component Our ProfessionHttp:/静电就在您的周围静电就在您的周围 人在走路或跑步就可以产生可观的静电。人在走路或跑步就可以产生可观的静电。 下面是一个量测人体静电的实验：下面是一个量测人体静电的实验： 静电压量表静电压量表 不锈钢板不锈钢板 人人( (不带静电环不带静电环) ) (Static Lo
4、cator)(Static Locator) ( 12x 12)绝缘架绝缘架量测时温度为量测时温度为24.524.5，相对湿度，相对湿度RH RH 为为55 %55 %。一般地面一般地面鞋子鞋子( (皮鞋或球鞋皮鞋或球鞋) )导线导线ESD就在我们周围就在我们周围You Component Our ProfessionHttp:/A)A)上述条件测量结果上述条件测量结果 所穿鞋子所穿鞋子 动作动作 产生静电压产生静电压(Volts)(Volts) 皮鞋皮鞋 原地慢速踏步原地慢速踏步 150200 150200 皮鞋皮鞋 原地快速跑步原地快速跑步 200250 200250 球鞋球鞋 原地慢速踏
5、步原地慢速踏步 200250 200250 球鞋球鞋 原地快速跑步原地快速跑步 250350 250350 B)B)当不同条件下，静电压之变化当不同条件下，静电压之变化 产生方法产生方法 10%20%10%20%相对湿度相对湿度 65%95%65%95%相对湿度相对湿度 走过地毯走过地毯 35,000 1,500 35,000 1,500 走过塑胶地毯走过塑胶地毯 12,000 250 12,000 250 在椅子上工作在椅子上工作 6,000 100 6,000 100 拿起塑胶文件夹拿起塑胶文件夹 7,000 600 7,000 600 工作椅垫摩擦工作椅垫摩擦 18,000 1,500
6、18,000 1,500 ESD就在我们周围就在我们周围You Component Our ProfessionHttp:/ESD对半导体元件的破坏对半导体元件的破坏日常生活中，日常生活中，ESD (Electro-Static DischargeESD (Electro-Static Discharge，静，静电放电电放电) ) 对于我们来说是一种常见的现象，然而对于我们来说是一种常见的现象，然而对电子产品而言，对电子产品而言，ESDESD往往是致命的往往是致命的它可能它可能导致元器件内部线路受损，直接影响产品的正导致元器件内部线路受损，直接影响产品的正常使用寿命，甚至造成产品的损坏。常使用
7、寿命，甚至造成产品的损坏。电子产品轻薄化的发展趋势使其对电子产品轻薄化的发展趋势使其对ESDESD防护要防护要求越来越高，因此，电路设计必须提供一个有求越来越高，因此，电路设计必须提供一个有效的效的ESDESD和瞬态保护。和瞬态保护。静电导致大约静电导致大约2525的集成电路故障，并因此客的集成电路故障，并因此客户要求保修索赔。户要求保修索赔。随着半导体工艺向随着半导体工艺向65nm 45nm65nm 45nm以下转移，芯以下转移，芯片集成度不断提高，片集成度不断提高，ICIC外形尺寸变越来越小，外形尺寸变越来越小，但同时也更容易受到但同时也更容易受到ESDESD损坏。损坏。You Compo
8、nent Our ProfessionHttp:/各半导体材料抗各半导体材料抗ESD能力比较能力比较由上可知，大体而言只要由上可知，大体而言只要100V100V以上的静电压就可以对半导体产生伤害。以上的静电压就可以对半导体产生伤害。晶片晶片种类种类 静电破坏电压静电破坏电压(Volts)(Volts)MOSFET 100200EPROM 100JFET 1407,000Op-Amp 1902,500CMOS 2503,000SCHOTTKY DIODE 3002,500 TTL 3002,500Bipolar Transistor 3807,000ECL 500SCR 68010,000You
9、 Component Our ProfessionHttp:/人体放电模式（人体放电模式（HumanBodyModeHumanBodyMode）- -普遍存在普遍存在 HBMHBM模式是操作人员在走动过程中，身体与衣物或鞋与地面发生模式是操作人员在走动过程中，身体与衣物或鞋与地面发生摩擦积累静电，当人体与摩擦积累静电，当人体与ICIC接触，静电会通过接触，静电会通过ICIC管脚导入管脚导入ICIC器件内。器件内。设备放电模式（设备放电模式（Machine ModeMachine Mode） MMMM模式是设备生产运行过程中积累静电，当设备接触器件时，如模式是设备生产运行过程中积累静电，当设备接
10、触器件时，如果有电位差别，会产生果有电位差别，会产生ESDESD。器件充电模式（器件充电模式（ChargeDevice ModeChargeDevice Mode） CDM CDM模式是器件本身积累静电，会产生模式是器件本身积累静电，会产生ESDESD。CDMCDM模式放电速度模式放电速度快，造成的破坏力大。快，造成的破坏力大。电场感应模式（电场感应模式（Field-Induced ModeField-Induced Mode） 当当ICIC经过某一电场时，相对极性的电荷会通过一些管脚释放掉。经过某一电场时，相对极性的电荷会通过一些管脚释放掉。静电放电模式静电放电模式You Component
11、 Our ProfessionHttp:/关键器件关键器件ESD能力能力 传统上，芯片制造商一直试图维持传统上，芯片制造商一直试图维持HBM要求的要求的2,000V水平。水平。从成本效益比的角度来看，这已经被证明是件很难做到的事。从成本效益比的角度来看，这已经被证明是件很难做到的事。目前普遍接受的关键目前普遍接受的关键ESD保护电压水平约为保护电压水平约为500V。在这一水平，。在这一水平，芯片成本增加得较合理，良率水平也不会受到损害。这是因为芯片成本增加得较合理，良率水平也不会受到损害。这是因为典型的晶圆厂和装配车间有将典型的晶圆厂和装配车间有将ESD限制在限制在500V或以下的政策。或以下
12、的政策。 因此，即使所有的芯片组在裸片上包含因此，即使所有的芯片组在裸片上包含一些一些ESD保护电路，其目保护电路，其目的也只是确保制造的高良率。不过，这的也只是确保制造的高良率。不过，这一级别的一级别的ESD保护不足于保护不足于保护芯片组免受消费者实际使用手机时保护芯片组免受消费者实际使用手机时将会碰到的严重将会碰到的严重ESD事件事件的伤害。在无法预先控制的消费环境中，的伤害。在无法预先控制的消费环境中，必须使用不同的必须使用不同的ESD保保护规范。这就是护规范。这就是IEC 61000-4-2。 You Component Our ProfessionHttp:/静电破坏形态静电破坏形态
13、ESDESD破坏：破坏：1.1.功率产生：如热崩溃、功率产生：如热崩溃、 金属被熔融金属被熔融2.2.电压产生：如介电质崩溃、表面崩溃电压产生：如介电质崩溃、表面崩溃3.3.潜在性故障：如功能劣化、降级潜在性故障：如功能劣化、降级例：接面崩熔例：接面崩熔 过大的电流通过接面时，产生极大的热量，使得接过大的电流通过接面时，产生极大的热量，使得接面崩熔。此种破坏是属于接面短路。面崩熔。此种破坏是属于接面短路。EBCEBCYou Component Our ProfessionHttp:/ESD导致问题导致问题产品失效（产品不可靠）产品失效（产品不可靠） 客户抱怨客户抱怨 利润降低利润降低 高返修率
14、高返修率 You Component Our ProfessionHttp:/ESD测试标准测试标准ESD行业标准和测试行业标准和测试 IEC 61000-4-2 (IEC 61000-4-2 (国际认可国际认可) ) MIL STD 883MIL STD 883 JEDEC A114 and A115JEDEC A114 and A115 考虑到空气湿度和接触状况，考虑到空气湿度和接触状况，HBMHBM的范围在的范围在2KV-40KV2KV-40KV。You Component Our ProfessionHttp:/ESD测试标准测试标准-IEC61000-4-2You Component
15、 Our ProfessionHttp:/ESD保护器件保护器件聚合体器件：聚合体器件： 优点优点：具极低：具极低0.050.051.0 pF1.0 pF数量级的电容，数量级的电容，主要应用高频线路中。主要应用高频线路中。缺点缺点：触发电平高达：触发电平高达500V-1000V500V-1000V，嵌位电，嵌位电压高达压高达150V150V，回复速度慢。，回复速度慢。变阻器和抑制器：变阻器和抑制器： 优点优点：单价低、吸收功率高。：单价低、吸收功率高。缺点缺点：触发电平高、嵌位电压高：触发电平高、嵌位电压高150V-150V-500V500V、动态电阻高、动态电阻高20402040导致大部导致
16、大部分能力抵达受保护器件，而不是被旁路分能力抵达受保护器件，而不是被旁路到地、电容到地、电容/ /吸收能力参数存在老化。吸收能力参数存在老化。ESDESD二极管：二极管：优点优点：低的钳位电压，低电阻，快速开启时间和：低的钳位电压，低电阻，快速开启时间和更高的可靠性、低的漏电流。更高的可靠性、低的漏电流。缺点缺点：ESDESD冲击能力有限、价格高冲击能力有限、价格高You Component Our ProfessionHttp:/ESD保护器件保护器件多层压敏电阻多层压敏电阻(MLV)： 这类基于氧化锌的器件可提供这类基于氧化锌的器件可提供ESD保护和低级别的电涌保护。它们的小形状因子保护和
17、低级别的电涌保护。它们的小形状因子(尺寸已下降到尺寸已下降到0402和和0201)使得它们非常适合于便携式应用使得它们非常适合于便携式应用(如手机和数码相机等如手机和数码相机等)。 硅保护阵列硅保护阵列(SPA)： 这类分立和多通道器件设计用于保护数据线和这类分立和多通道器件设计用于保护数据线和I/O线免受线免受ESD和低级别瞬态浪涌的伤和低级别瞬态浪涌的伤害。它的关键特性是非常低的钳位电压，这允许它们保护最敏感的电路。害。它的关键特性是非常低的钳位电压，这允许它们保护最敏感的电路。 聚合物聚合物ESD抑制器抑制器(PGB)： 这是最新的技术，设计用于产生最小的寄生电容值这是最新的技术，设计用
18、于产生最小的寄生电容值(0.2pF)。这一特性允许它们用。这一特性允许它们用于高速数字和射频电路，而不会引起任何信号衰减。于高速数字和射频电路，而不会引起任何信号衰减。You Component Our ProfessionHttp:/ESD二极管选择二极管选择保护器件的选择取决于两个方面：保护器件的选择取决于两个方面：受保护电路特性受保护电路特性和和外部应力特性外部应力特性受保护电路特性受保护电路特性：正常工作电压范围、可能产生破坏电压值：正常工作电压范围、可能产生破坏电压值 正常工作范围内，要求保护器件的阻抗很高，保证了输入信号的完整正常工作范围内，要求保护器件的阻抗很高，保证了输入信号的
19、完整性。当超过正常工作范围的，保护器件就从高阻抗变为低阻抗，保证受保性。当超过正常工作范围的，保护器件就从高阻抗变为低阻抗，保证受保护电路的正常工作。护电路的正常工作。外部应力特性外部应力特性：标准测试定义：标准测试定义 测试标准详细给出了在一个特定的工作环境中一个产品必须符合的电测试标准详细给出了在一个特定的工作环境中一个产品必须符合的电压和电流的波形，如压和电流的波形，如IEC61000-4-2IEC61000-4-2。 当然选择保护器件还有其它的考虑，比如说保护器件的物理大小，在系当然选择保护器件还有其它的考虑，比如说保护器件的物理大小，在系统板中的安装成本、匹配性等。统板中的安装成本、
20、匹配性等。You Component Our ProfessionHttp:/参数选型 ESD ratingESD rating箝位电压箝位电压 Cline Cline 结电容结电容 PPPPPP峰值脉冲功率峰值脉冲功率 VRWM VRWM 反向关断电压反向关断电压ESD二极管参数选型二极管参数选型You Component Our ProfessionHttp:/ClineCline：为保护器件的寄生电容，数据率越高，线路上使用的：为保护器件的寄生电容，数据率越高，线路上使用的ESDESD保护保护 器件的结电容要越低，否则将破坏数据信号。器件的结电容要越低，否则将破坏数据信号。Cj的选择的选
21、择You Component Our ProfessionHttp:/VRWMVRWM：反向关断电压，应大于或等于被保护线路的操作电压：反向关断电压，应大于或等于被保护线路的操作电压 。ESD ratingESD rating箝位电压箝位电压 ，即许可通过保护器件的最大电压，应小于保护，即许可通过保护器件的最大电压，应小于保护器件的最大耐压。器件的最大耐压。You Component Our ProfessionHttp:/器件参数器件参数要求要求电路特性电路特性VRWMVRWM线路正常工作电压线路正常工作电压IPPIPP可能出现最大浪涌电流可能出现最大浪涌电流VCVC 被保护电路最大允许电压
22、被保护电路最大允许电压CJCJ 保证信号正确的最大加载电容保证信号正确的最大加载电容ESD材料参数选择：材料参数选择： Step1Step1：考虑被保护线路的信号速度，速度越高，需要：考虑被保护线路的信号速度，速度越高，需要CjCj越小的器件。越小的器件。 Step2 Step2：再根据信号电压选择合适的：再根据信号电压选择合适的VRWMVRWM。 Step3Step3：考虑需要抗多高的静电，来选择：考虑需要抗多高的静电，来选择PppPpp峰值功率。峰值功率。 Step4 Step4：选择单向还是双向保护，单路或多路；选择单向还是双向保护，单路或多路； You Component Our Pr
23、ofessionHttp:/USBDVIRS-485Title in hereHDMITitle in hereRS-232Title in hereIEEE13941 1、 PANJITPANJIT公司的公司的TVS/ESDTVS/ESD系系列专门用于防止与高速数据和传列专门用于防止与高速数据和传输线相连的敏感器件遭受输线相连的敏感器件遭受ESDESD、CDECDE（电缆放电事件）以及（电缆放电事件）以及EFTEFT（电快速瞬变）引起的过压（电快速瞬变）引起的过压损害。损害。2 2、我司目前产品主要应用在接、我司目前产品主要应用在接口和高速传输线的口和高速传输线的ESDESD保护。保护。3
24、3、随接口市场向高速率、高密、随接口市场向高速率、高密度的、小型化的方向发展，度的、小型化的方向发展，ESDESD保护器件的前景将更加广阔。保护器件的前景将更加广阔。TVS/ESD系列系列ESD材料应用材料应用You Component Our ProfessionHttp:/ESD应用应用USB2.0PJSRV05W-4LCPJSRV05W-4LCPJSRV05W-4PJSRV05W-4PJSRV05-4PJSRV05-4PJUSBLC6-2PJUSBLC6-2PJSR05TB4PJSR05TB4SOT-363SOT-363SOT23-6LSOT-543SOT-543SOT-5431.6x1
25、.6 sq mmSOT3632.05x2.1 sq mmSOT23-6L2.9x2.8 sq mm典型线路典型线路 USB2.0 USB2.0是一种被广泛应用在是一种被广泛应用在PCPC领域的接口技术，实现点对点的通信。领域的接口技术，实现点对点的通信。USBUSB电缆有电缆有4 4条线，条线，2 2条信号线，条信号线，2 2条条电源线，可提供电源线，可提供5 5伏特电压伏特电压 500mA500mA电流，电流，480Mbit/S480Mbit/S的传输速率。的传输速率。 You Component Our ProfessionHttp:/ESD应用应用AudioPJMBZ6.8PJMBZ6.
26、8PJSD05FN2PJSD05FN2SOT-23SOT-23DFN2L典型线路典型线路 在音频数据线路保护方面，由于在音频数据线路保护方面，由于音频回路的信号速率比较低，对器件音频回路的信号速率比较低，对器件电容的要求不太高，电容的要求不太高，100pF100pF左右都是左右都是可以接受的。可以接受的。DFN0.6x1.0 sq mm)SOT-232.9x2.4 sq mm)You Component Our ProfessionHttp:/ESD应用应用SIM/Memory Card典型线路典型线路 目前目前SIMSIM卡的传输速率大约在卡的传输速率大约在480480KBit/SKBit/
27、S，理论上是可达，理论上是可达5Mbit/S5Mbit/S的速的速率，记忆卡的传输速率一般在率，记忆卡的传输速率一般在20Mbit20Mbit/S/S的速率，对的速率，对CjCj的选择一般的选择一般20pf20pf以下以下就就OKOK，对高速记忆卡，速率可达，对高速记忆卡，速率可达200200Mbit/SMbit/S的，要求的，要求CjCj小于小于5pf5pf以下。以下。PJSDA6V1W5PJSDA6V1W5PJUSB208PJUSB208PJSR70TB4PJSR70TB4SOT-363SOT-363SOT23-6LSOT-543SOT-543SOT-5431.6x1.6 sq mmSOT
28、3632.05x2.1 sq mmSOT23-6L2.9x2.8 sq mmYou Component Our ProfessionHttp:/ HDMIHDMI：(High Definition (High Definition Multimedia Interface)Multimedia Interface)，意思是高清，意思是高清晰度多媒体接口，首个也是业界唯一晰度多媒体接口，首个也是业界唯一支持的不压缩全数字的音频支持的不压缩全数字的音频/ / 视频接视频接口，口，HDMI1.3HDMI1.3传输速度传输速度10.2Gbps10.2Gbps，CjCj要求小于要求小于1pf1pf。Mu
29、ltimediaControllerVideoAudioMultimediaControllerVideoAudioTx1-Tx1+GndTx2-Tx2+Tx0+Tx0-GndTC-TC+Tx1-Tx1+GndTx2-Tx2+Tx0+Tx0-GndTC-TC+HDMIESD应用应用HDMICSP0.4x0.6x1.0PJCSP0524PPJCSP0524PPJCSP0522PJCSP0522CSPCSPCSPCSP1.0x2.5x0.4典型线路典型线路You Component Our ProfessionHttp:/典型线路典型线路ESD应用应用DVI DVI DVI（Digital Vis
30、ual Digital Visual InterfaceInterface），即数字视频接口），即数字视频接口 ，每组信道的传输码流最高可，每组信道的传输码流最高可达达1.65Gbps1.65Gbps，需选择，需选择CjCj小小的保护器件。的保护器件。PJSRV05W-4LCPJSRV05W-4LCPJSRV05W-4PJSRV05W-4PJSRV05-4PJSRV05-4PJUSBLC6-2PJUSBLC6-2PJSR05TB4PJSR05TB4SOT-363SOT-363SOT23-6LSOT-543SOT-543SOT-5431.6x1.6 sq mmSOT3632.05x2.1 sq
31、mmSOT23-6L2.9x2.8 sq mmYou Component Our ProfessionHttp:/PJSRV05W-4LCPJSRV05W-4LCPJSRV05W-4PJSRV05W-4PJSRV05-4PJSRV05-4PJUSBLC6-2PJUSBLC6-2SOT-363SOT-363SOT23-6LSOT3632.05x2.1 sq mmSOT23-6L2.9x2.8 sq mm 10/100 Ethernet 10/100 Ethernet即即10M/100M10M/100M的以太的以太网，采用网，采用TVS/ESDTVS/ESD材料保证以太网物理层。材料保证以太网物理
32、层。根据传输的速率来选择相应的根据传输的速率来选择相应的CjCj的材料的材料ESD应用应用10/100Ethernet典型线路典型线路You Component Our ProfessionHttp:/I/O ConnectorTVSTVSPCBPoor PCB LayoutI/O ConnectorTVSTVSPCBGood PCB LayoutI/O ConnectorTVSTVSPCBPoor PCB LayoutI/O ConnectorTVSTVSPCBGood PCB LayoutI/O ConnectorTVSPCBPoor PCB LayoutOscillatorI/O Con
33、nectorTVSPCBGood PCB LayoutOscillatorESD应用应用PCB Layout 1 1、尽量把、尽量把TVSTVS放置在靠近外部接口和连接器地方，更好吸收放置在靠近外部接口和连接器地方，更好吸收ESDESD。 2 2、尽量减少吸收线路的距离，减少电感效应、尽量减少吸收线路的距离，减少电感效应 3 3、系统中的关键信号器件尽量远离、系统中的关键信号器件尽量远离PCBPCB的边缘的边缘 4 4、把、把PCBPCB的未用区域尽量的利用成地。的未用区域尽量的利用成地。You Component Our ProfessionHttp:/Thanks for your attention!
