【導(dǎo)讀】靜電的發(fā)生是隨時隨處的，從靜電敏感設(shè)備的生產(chǎn)、裝配、運(yùn)輸?shù)綉?yīng)用的每一個環(huán)節(jié)，都有可能遭受靜電的破壞。本文主要從靜電產(chǎn)生的機(jī)理，防護(hù)的原理和多層壓敏電阻技術(shù)特點(diǎn)及其發(fā)展競爭的態(tài)勢來探討靜電的防護(hù)和多層壓敏電阻的發(fā)展。
1.前言
靜電（ESD）的研究由來已久，但是從來沒有像現(xiàn)在這樣受到工業(yè)界的重視，主要的原因是現(xiàn)在的電子設(shè)備越來越小型化、通訊設(shè)備傳輸工作電壓越來越低和通信頻率的越來越高。特別是隨著集成電路集成度增加，靜電也越來越顯示出它的危害性。靜電的發(fā)生是隨時隨處的，從靜電敏感設(shè)備的生產(chǎn)、裝配、運(yùn)輸?shù)綉?yīng)用的每一個環(huán)節(jié)，都有可能遭受靜電的破壞。
專家估計(jì)，ESD的對工業(yè)產(chǎn)品的破壞占到總數(shù)的8~33%，每年大約有幾十億美元的損失1，我國通訊行業(yè)每年由靜電危害造成的損失高達(dá)幾億元人民幣2.所破壞的產(chǎn)品從一個簡單的二極管到上百美元的設(shè)備。
下圖是美國的半導(dǎo)體協(xié)會在1993年對半導(dǎo)體產(chǎn)品損壞的一個原因調(diào)查，調(diào)查的結(jié)果顯示，ESD是半導(dǎo)體產(chǎn)品損壞的頭號殺手。
圖1：靜電破壞成為半導(dǎo)體設(shè)備失效的第一殺手
來自Intel的資料表明，在引起電腦故障的諸多因 素中，EOS/ESD是最大的隱患，將近一半的電腦故障都是由EOS/ESD引起的3。
圖2：ESD是電腦故障的罪魁禍?zhǔn)?br />
本文主要從靜電產(chǎn)生的機(jī)理，防護(hù)的原理和多層壓敏電阻技術(shù)特點(diǎn)及其發(fā)展競爭的態(tài)勢來探討靜電的防護(hù)和多層壓敏電阻的發(fā)展。2.靜電的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和破壞的機(jī)理
靜電的產(chǎn)生是基于摩擦生電的機(jī)理，當(dāng)兩種不同的物體相互接觸和分離時，由于兩種物體表面電子活性的不同，會使一種物體帶正電，而另一種物體帶負(fù)電，典型的例子就是耳熟能詳?shù)拿ず拖鹉z的摩擦生電。在靜電的研究中，有三種靜電的模型：
（1）第一種就是所謂的人體模型（HBM）；
（2）帶電體模型（CMD）；
（3）機(jī)器模型（MM）。
其中人體模型為脈沖衰減電路，后兩者為周期震蕩衰減電路。三種模型的典型峰值電流分別為：
1.3A(2,000VHBM)；
15A(1000VCDM@4pF)；
3.8A(200VMM)。
這三種模型中最常見，也是最被重視的模型是所謂的人體模型，這種模型模擬的是當(dāng)人體帶電（正電或者負(fù)電）時，接觸電子設(shè)備，人身上的電荷向設(shè)備轉(zhuǎn)移的情況。模擬波形產(chǎn)生的電路原理圖和設(shè)備圖如圖3所示。通常充電的電容是100pF，而放電電阻一般取1.5K歐姆。
圖3：人體模型的產(chǎn)生原理和設(shè)備示意圖
國際電工協(xié)會(IEC)在標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2中規(guī)定了靜電波形的形狀，這個靜電波形也是被絕大部分標(biāo)準(zhǔn)所承認(rèn)，比如美國軍標(biāo)MIL-STD-883E和國標(biāo)GB/T17626.2。其中在電子設(shè)備的靜電保護(hù)中，IEC61000-4-2是被廣泛引用的一個標(biāo)準(zhǔn)。
圖4：IEC61000-4-2中規(guī)定的靜電波形在這個標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了靜電測試的不同等級，請見下表1。
表1：IEC61000-4-2中規(guī)定的靜電測試等級
其中接觸放電測試方法是靜電放電測試中的首選，只有在接觸放電有問題時，才考慮空氣放電。之所以規(guī)定不同的放電等級，是考慮在不同的靜電放電情況，比如在半導(dǎo)體和IC的保護(hù)中，2KV的放電標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)常被引用的。在實(shí)際的IC設(shè)計(jì)中，要考慮靜電放電的防護(hù)問題，其中一種方法是IC內(nèi)自己做了防護(hù)，一般是1KV或者2KV的靜電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，但是這樣會占用寶貴的IC空間，所以就有了第二種靜電防護(hù)方法，即芯片外防護(hù)，芯片外防護(hù)的另一個重要的原因就是實(shí)際的靜電等級遠(yuǎn)大于2KV，在一些汽車標(biāo)準(zhǔn)中，可能達(dá)到25KV的靜電放電等級。
靜電放電對設(shè)備的破壞形式有兩種5，一種是所謂的災(zāi)難性破壞（Catastrophic Failure），這種破壞對設(shè)備的表現(xiàn)為不能正常工作，或者某些節(jié)點(diǎn)的擊穿等，一般這種破壞的設(shè)備或器件能很容易檢測出來。還有一種破壞叫做潛在的破壞（Latent Defect），這種破壞一般表現(xiàn)為靜電能量較小，不足以使設(shè)備立即失效，僅僅表現(xiàn)為工作不穩(wěn)定等，或者干脆就沒有外在的特異表現(xiàn)。
但是這種破壞卻最危險(xiǎn)，輕則縮短設(shè)備的使用壽命，重則對以后的系統(tǒng)甚至人身產(chǎn)生危害，同時一般因?yàn)閱栴}表現(xiàn)不明顯，給檢測帶來了困難，更糟糕的是維修人員一般把這種問題歸咎為材料不良或者設(shè)計(jì)缺陷等其它原因，對問題的解決抱有僥幸心理，直到災(zāi)難的發(fā)生。
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3.靜電的防護(hù)
靜電的防護(hù)是一個系統(tǒng)工程，從靜電的產(chǎn)生、靜電的積累、靜電的釋放、靜電釋放的路徑的選擇 和釋放靜電的量的控制全方位考慮，但是因?yàn)殪o 電破壞的復(fù)雜性，至今還沒有一個很好的方法去完全解決靜電問題。如果因?yàn)殪o電的防護(hù)去請教100個靜電專家，得到的答案可能是100個不同的答案。但是這也不代表我們對靜電問題束手無策，在靜電保護(hù)的過程中，我們只要遵循一個原則：靜電的積累必然有靜電的釋放，所以我們只要給靜電選好放電的路徑和放電的去處即放電地，就能很好的進(jìn)行靜電的釋放6。
在靜電保護(hù)的方法中，最常用的就是在被保護(hù)的設(shè)備兩端并聯(lián)一個過電壓保護(hù)器件，當(dāng)靜電超過某個安全閾值，保護(hù)器件擊穿，把過電流釋放到安全地。
正如圖4所示靜電波形，靜電有以下幾個特點(diǎn)。
1）發(fā)生的時間特別短，在0.7~1ns之間；
2）雖然總體能量不大，但是瞬間電壓的峰值特別大，到了千伏甚至幾十千伏量級。如果考慮到靜電防護(hù)的對象主要對IC電路，即對工作電壓低，傳輸頻率高和較窄管腳布線的保護(hù)，還要求保護(hù)器件具有特點(diǎn)；
3）低的擊穿電壓；
4）極低電容。
下圖是Littlefuse對被保護(hù)設(shè)備傳輸頻率與保護(hù)器件電容的一個關(guān)系圖。
圖5：Littlefuse對被保護(hù)設(shè)備傳輸頻率與保護(hù)器件電容的關(guān)系圖
其中圖的頂端橫軸顯示的是傳輸頻率，單位是Mbps/s，縱軸顯示的是Littlefuse的器件。查對Litttlefuse相應(yīng)的產(chǎn)品可知，電容為3pF的保護(hù)器件能用在傳輸頻率是400Mbps的傳輸頻率保護(hù)上。而超過480Mbps，就只能用電容小于1pF的保護(hù)器件了，否則，保護(hù)器件就對高頻傳輸信號有較大的損耗，使傳輸波形失真。符合靜電防護(hù)的器件通常有多層壓敏電阻（MLV），TVS二極管兩種。其中TVS二極管因?yàn)檩^大的結(jié)面積使能承受較大的沖擊能量，但是因?yàn)榉庋b尺寸較大，價(jià)格較高等因素，使得TVS二極管并不比MLV更占優(yōu)勢，同時因?yàn)門VS二極管的電容很難做到1pF以下，從而在480Mbps以上的頻率應(yīng)用上并不合適。而多層壓敏電阻因?yàn)橐韵绿攸c(diǎn)使得特別適合靜電保護(hù)。
1）極快反應(yīng)時間，通常小于1ns；
2）小尺寸，現(xiàn)在村田公司和松下公司已經(jīng)有了0201的產(chǎn)品；
3）極高的能量處理能力。因?yàn)椴捎茂B層技術(shù)，使得通流能力大大加強(qiáng)；
4）極低的價(jià)格；
5）低的觸發(fā)動作電壓，最小的保護(hù)不動作電壓已經(jīng)到了3V的量級；
6）雙向?qū)üδ埽驗(yàn)樗查g的電壓可能是正電壓，也可能是負(fù)電壓。
下圖是Littlefuse的3pF的MLV在USB接口保護(hù)中的一個典型應(yīng)用實(shí)例。通用于一般的過電壓保護(hù)器件，MLV的用法相當(dāng)簡單，只要把MLV并聯(lián)在被保護(hù)的設(shè)備兩端即可，在本例中，在每根數(shù)據(jù)線上并聯(lián)一個MLV完成對USB接口的保護(hù)。
圖6：MLV在USB防護(hù)中的應(yīng)用實(shí)例
4.MLV技術(shù)特點(diǎn)和種類多層壓敏電阻的技術(shù)并不是什么新技術(shù)，實(shí)際上最早在20世紀(jì)70年代后期，美國電腦電氣公司率先采用類似獨(dú)石陶瓷電容器生產(chǎn)工藝制成了疊層壓敏電阻器。這種技術(shù)跟市場上流行的多層電容的技術(shù)是一致的，因?yàn)椴捎昧睡B層技術(shù)，所以使得MLV的通流能力大大加強(qiáng)。下圖是一個多層壓敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖和的金相圖。
圖7：多層壓敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖和金相圖多層壓敏電阻
從參數(shù)設(shè)定上非常簡單，從上圖可以看出，多層壓敏電阻相當(dāng)于很多單層的壓敏電阻并聯(lián)在一起，所以對同一種材料來說，擊穿電壓就由單層的厚度決定，而電容則是跟疊層數(shù)直接成正比。如果要得到小的電容值，一個是減少層數(shù)，還有一個就是把單層的厚度變小，所以擊穿電壓就勢必變大。
多層壓敏電阻的工作原理相同于普通插腳式的壓敏電阻，其IV曲線如下圖所示。
圖8：壓敏電阻的IV曲線圖
正是因?yàn)閴好綦娮璧倪@種IV非線性特征，使得壓敏電阻在外加電壓升高到某個值時，變成低阻狀態(tài)，從而保護(hù)設(shè)備免受過電壓的損害。但是也應(yīng)該看到，這種多層結(jié)構(gòu)目前能達(dá)到的最低電容通常是2pF的量級，比如Littlefuse的MLN、MLA等系列產(chǎn)品，而另外一類產(chǎn)品，也稱為MLV系列，比如BournsMLC系列產(chǎn)品。實(shí)際上這種產(chǎn)品和Litttlefuse的Pulseguard產(chǎn)品一樣，是基于在某種基底材料上（比如Littlefuse用聚合物，而Bourns用陶瓷材料）沉積某種靜電吸收材料，因?yàn)槌练e材料的體積大幅度減小，從而使得電容值小于1pF.比如Bourns的MLC系列可以達(dá)到0.5pF,而Littlefuse的Pulseguard材料更是號稱能達(dá)到0.025pF9，10，11.除了上面提到的兩大類MLV靜電防護(hù)器件，MLV防護(hù)器件還向集成化發(fā)展，做成多個MLV陣列的形式是最普通的集成方式，比如Epcos系列，就是把四個獨(dú)立的MLV集成在一個器件上，同時進(jìn)行4線保護(hù)。
Litttlfuse的SP系列，最多能進(jìn)行18個器件的集成。除了同類MLV器件的集成，還有的公司把其他的一些功能元件與MLV集成在一起，漸漸成為了本行業(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢。比如AVX公司把MLV與濾波器集成在一起做成TransFeed系列產(chǎn)品，還有的公司把MLV與多層壓敏電阻集成在一起。EPCOS公司推出了T4NA230XFV集成浪涌抑制器，內(nèi)含兩只壓敏電阻器和一種短路裝置。該產(chǎn)品用于電信中心局和用戶線一側(cè)的通信設(shè)備保護(hù)12。
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5.MLV市場和全球競爭態(tài)勢
多層壓敏電阻器因?yàn)槠渥陨淼膬?yōu)點(diǎn)可以對IC及其它靜電敏感設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，防止因靜電放電、浪涌及其它瞬態(tài)電流而造成對它們的損壞，所以其應(yīng)用范圍十分廣泛，主要應(yīng)用領(lǐng)域有三個：手機(jī)、汽車電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)。下表是Paumanok對該應(yīng)用在2003年的調(diào)查結(jié)果。
圖9：多層壓敏電阻的主要應(yīng)用領(lǐng)域
實(shí)際上多層壓敏電阻的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止上面說的三種，在數(shù)碼相機(jī)、MP3、機(jī)頂盒、PDA、醫(yī)療器械、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星發(fā)射接受設(shè)備中都有多層壓敏的應(yīng)用。多層壓敏電阻在中國大陸的需求總量，據(jù)Epcos估計(jì)在2007年將會達(dá)到1400萬歐元。
圖10：Epcos對2007年中國大陸壓敏電阻需求量的估計(jì)
根據(jù)無源器件專業(yè)市場調(diào)研公司PAUMANOK的調(diào)查，在2003年多層壓敏電阻的銷售已經(jīng)達(dá)到了75億只的規(guī)模。今后幾年全球市場的年增長率將保持在15%，而銷售額每年將增長11%。雖然多層壓敏電阻的市場需求非常強(qiáng)勁，但是因?yàn)榧夹g(shù)門檻并不高，所以競爭非常激烈。下圖是在2003年參與競爭的國際上重要供應(yīng)商。
圖11：多層壓敏電阻供應(yīng)商在2003年的銷售額
圖12：多層壓敏電阻臺灣地區(qū)部分供應(yīng)商
除了以上提到的供應(yīng)商，在臺灣還有像佳邦、國巨和立昌等也陸續(xù)加入了競爭。雖然在國外和臺灣多層壓敏電阻的生產(chǎn)已經(jīng)批量并且技術(shù)成熟，但是在國內(nèi)大陸，卻剛剛處于起步階段，只有深圳順絡(luò)、廣東風(fēng)華、河南金冠和常州星翰等具有生產(chǎn)能力，從目前的情況看，因?yàn)橹群图夹g(shù)等原因，國內(nèi)企業(yè)被市場認(rèn)可的程度并不高。
根據(jù)中國電子元件行業(yè)協(xié)會信息中心估計(jì)，2004年國內(nèi)對多層壓敏電阻的需求達(dá)到23億只，而到2005年則至少達(dá)到26億只的規(guī)模，但是我們在2005年國內(nèi)的生產(chǎn)能力卻只有區(qū)區(qū)2億只，需求的90%以上依靠進(jìn)口13，巨大的需求和遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后的生產(chǎn)能力形成巨大的反差，這一差距隨著電子工業(yè)的快速增長而加大。國內(nèi)發(fā)展多層壓敏電阻的任務(wù)任重而道遠(yuǎn)。
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