WAYON維安ESD&EOS產(chǎn)品特性簡析，幫你避開保護盲區(qū)，方案設(shè)計代理商KOYUELEC光與電子提供服務(wù)

科技產(chǎn)品永遠(yuǎn)不缺天馬行空的想象，設(shè)計師們腦洞大開，創(chuàng)造了各種既炫酷又實用的高科技電子產(chǎn)品，讓我們的生活更加便利和有趣。因此，創(chuàng)新是電子行業(yè)經(jīng)久不衰的長期邏輯根基，而這背后支撐創(chuàng)新的引擎的則是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的頻繁迭代和工藝技術(shù)升級。

其實，半導(dǎo)體產(chǎn)品技術(shù)、工藝的升級就是在同樣的硅片上堆積更多的電子元器件，用以實現(xiàn)產(chǎn)品的體積更小、功耗更小，功能更強大?？梢钥吹剑S著數(shù)據(jù)速率不斷提升、系統(tǒng)芯片計算能力日益強大、IC微型化以及有限空間中有多種電源要求，組件和系統(tǒng)對ESD也愈加敏感。半導(dǎo)體工藝小型化趨勢亦會導(dǎo)致ESD風(fēng)險增加，因為較小的電壓會損壞較薄的柵極氧化層。盡管面臨這些挑戰(zhàn)，但好在通過優(yōu)化ESD保護概念，可以避免或大幅減少ESD造成的損壞或EOS(電氣過應(yīng)力)。

#器件結(jié)構(gòu)簡述

PART 1.

回顧歷史，早在上世紀(jì)六十年代，人們就開始注意到ESD在電子零件中產(chǎn)生的破壞性，并在包裝材料中增加導(dǎo)電性材料來達(dá)到減弱靜電的生成和積累。時至今天，ESD&EOS保護產(chǎn)品已經(jīng)形成體系，并呈現(xiàn)多技術(shù)、多構(gòu)架的特點。從產(chǎn)品工藝布局來看，半導(dǎo)體器件有橫向和縱向布局;從技術(shù)平臺來看，半導(dǎo)體器件有常規(guī)PN結(jié)結(jié)構(gòu)、小驟回結(jié)構(gòu)(shallow snapback)和大驟回結(jié)構(gòu)(deep snapback)。

圖1 常規(guī)PN結(jié)結(jié)構(gòu)

圖2 小驟回結(jié)構(gòu)

圖3 大驟回結(jié)構(gòu)

作為一家深耕保護器件領(lǐng)域20多年的廠商，維安已經(jīng)完全掌握了上述所有工藝技術(shù)平臺。常規(guī)結(jié)構(gòu)在同樣的工作電壓條件下?lián)舸╇妷焊?，啟動更?而驟回結(jié)構(gòu)在同樣的工作電壓條件下鉗位電壓更低。

基于不同工藝平臺的產(chǎn)品都有其特定的優(yōu)勢，如何才能讓客戶根據(jù)自己的實際應(yīng)用選擇一款最適合自己的產(chǎn)品呢?

#理論簡析

PART 2.

IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)波形圖模擬了電路使用環(huán)境中遇到的ESD&EOS，從該圖進行分析，似乎第一尖峰和第二尖峰都有損壞后端IC的可能。

第一尖峰時間短，但是電壓高;第二尖峰電壓低，但是時間長(為了便于理解，這里直接采用標(biāo)準(zhǔn)中的電流波形乘以固定阻抗來類比，實際條件下電壓會更復(fù)雜)。而ESD&EOS保護器件可在泄放浪涌電流的同時將電壓鉗位，使得后段IC僅需承受鉗位電壓而不至于損壞。

圖4 IEC61000-4-2電流波形

圖5 IEC61000-4-5電流波形

圖6 EOS保護器件鉗位電壓波形圖

對于集成度越來越高的IC電路，其硅氧化層介質(zhì)層的絕緣性能是抗ESD&EOS能力的關(guān)鍵。首先，用泊松方程來簡單分析一下IC I/O端口介質(zhì)層的物理擊穿特性。

φ代表電勢(單位為伏特)， ρ是電荷體密度(單位為庫侖/立方米)，而ε0是真空電容率(單位為法拉/米)。

以泊松方程和電流方程得到介質(zhì)表面俘獲空穴電荷密度隨時間變化的物理方程(注1)：

從方程中可以看到，積累在介質(zhì)表面(以氧化層為例)的電荷除了與時間τ有關(guān)系外，還與外加電場E有關(guān)系?？紤]到IC I/O會受到外界的電壓是非恒定的，時間單位可能是ns、us甚至是ms，所以電場E也是非恒定的。取HBM ESD脈沖條件下的氧化層俘獲空穴密度，經(jīng)過推導(dǎo)和計算得出：

當(dāng)氧化層俘獲空穴密度達(dá)到臨界值時介質(zhì)層發(fā)生擊穿。從上式簡單分析可知，發(fā)生擊穿的臨界值與所加電場強度、氧化層厚度tox和時間均有關(guān)系。

結(jié)束理論分析，我們得出，IC I/O端口在遭受外界能量時，有諸多不確定因素導(dǎo)致其損壞擊穿。但是研發(fā)工程師在進行實際設(shè)計的時候，很難進行理論計算，也幾乎沒有芯片供應(yīng)商會在IC規(guī)格書中詳細(xì)注明其浪涌耐受能力和芯片制程等信息。

從通信端口的發(fā)展來看，最早出現(xiàn)的低速通信線電壓幅值都比較高，端口耐壓也相對較高;從保護的角度來看，端口的高耐壓可以容忍較高的鉗位電壓;從通信速率看，低的通信速率可以接受的較大寄生電容。

綜合上述兩點，保護器件的鉗位電壓在一定范圍內(nèi)數(shù)值高低對保護效果影響不是很大，有很充裕的可選擇性。隨著通信速率的提高，信號線幅值和端口耐壓在不斷降低，對保護器件提出了新的挑戰(zhàn)，一方面要求相同測試條件下的鉗位電壓要更低，還要做到超低的寄生電容，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的器件已經(jīng)不再滿足客戶的需求。

如HDMI端口接口芯片的耐壓低，且不同廠家的耐壓值也不同，要保證都測試通過，就要求保護器件兼容最低耐壓，在工程應(yīng)用中也存在著走線過長、接地不穩(wěn)定等引起的μs級別甚至ms級別的高能量破壞性波形引入，驟回結(jié)構(gòu)應(yīng)用而生。

驟回結(jié)構(gòu)可以做到低電容、高耐壓且鉗位電壓非常低，超低電容在高速通信中不會對信號有較大的影響，高耐壓可以避免誤動作，鉗位電壓低可以有效保護在ESD打擊下被保護器件不需要耐受過高的電壓。從客戶角度出發(fā)可以相對完美地解決低電容、低鉗位電壓的應(yīng)用需求。

維安通過在實際應(yīng)用和方案整改過程不斷的歸納，總結(jié)出如下應(yīng)用要點：

常規(guī)結(jié)構(gòu)

幾乎適用于所有的端口保護，具體參數(shù)與被保護的端口電特性相關(guān)聯(lián)。但是對于一些耐壓差的器件，可能會有測試失敗的情況。

小驟回結(jié)構(gòu)

適用于信號端口和部分較差工藝制程的電源IC接口。較常規(guī)結(jié)構(gòu)相同測試條件下具有更低的鉗位電壓。選型需要注意VBO、IH和VH參數(shù)，防止浪涌電壓小于VBO時的保護盲區(qū)和VH低于電源波動高電壓時出現(xiàn)的閂鎖。

大驟回結(jié)構(gòu)

適用于高工藝制程的高速信號接口，具有超低電容和鉗位電壓，對耐壓敏感型接口具有很好的保護作用，對電流源驅(qū)動型端口不建議使用。對于此類器件，關(guān)注參數(shù)較多，選型須慎重，可能會帶來端口閂鎖或失效。

#具體案例分析

PART 3.

某客戶需要在信號端口進行EOS測試和ESD測試?？蛻敉瑫r選取了A廠家的小驟回性器件α和維安公司的器件β。

規(guī)格書數(shù)據(jù)如下：

TLP曲線：

圖7 器件α TLP曲線

圖8 器件β TLP曲線

從規(guī)格書的部分參數(shù)可以得出，兩家產(chǎn)品的性能比較接近，主要是結(jié)構(gòu)不同。測試結(jié)果如下：

α器件能通過浪涌等級20V，但是在從8V開始的步進測試中，12V和14V卻出現(xiàn)了后端IC失效的結(jié)果，當(dāng)浪涌電壓更高時，器件又起到了保護的作用;而β卻能通過整個浪涌等級的測試。從器件規(guī)格書對比來看，α的VC比β要好。通過示波器抓取電壓得到如下波形：

圖9 器件鉗位后的電壓波形(紅色α，綠色β)

從波形可以看出，紅色陰影S紅和綠色陰影S綠部分是兩個器件的能量分布差異;α器件在12V附近的電壓條件下，其由于促使器件trigger的打開時間偏長甚至是未打開，而后端的IC卻無法承受施加的浪涌能量，導(dǎo)致后端IC失效。反觀β器件，只要浪涌電壓超過器件的擊穿電壓，器件就會動作，并迅速鉗位電壓，來達(dá)到保護后端IC的目的。

對于有經(jīng)驗的測試和研發(fā)人員來說，當(dāng)外部施加的EOS浪涌更高時，比如16V以上，這時驟回結(jié)構(gòu)的優(yōu)點開始凸顯，鉗位效果也會更好。但是作為設(shè)備的可靠性保護，其保護范圍是一定要保護等級定義下的全浪涌范圍的保護，而不是有一個保護盲區(qū)。

#總結(jié)

PART 4.

不同結(jié)構(gòu)的TVS器件在保護后端設(shè)備時，呈現(xiàn)的結(jié)果并不是確定性的。除了器件本身的參數(shù)，研發(fā)人員在進行保護方案設(shè)計的時候需要清楚自己產(chǎn)品的特點，可能所遭受的環(huán)境能量估算和對保護器件的大致選擇，以達(dá)到最好的產(chǎn)品保護的目的。

目前業(yè)內(nèi)大部分廠家都是直接給推薦電路，直接告訴設(shè)計者答案選擇哪個器件，卻很少對選型過程提供理論推斷、計算。大部分電子工程師針對ESD&EOS選型時，老人憑經(jīng)驗，新人憑參考，一旦更換廠家或者更換測試條件，就無從下手了。

維安依托優(yōu)秀的FAE技術(shù)團隊和完善的EMC實驗室可進行方案設(shè)計、優(yōu)化和整改，高質(zhì)量的服務(wù)客戶，為客戶的產(chǎn)品提供強有力的保護。

審核編輯：湯梓紅