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保護元件-靜電保護(ESD)各產品介紹

  • 王佳寧

作者:佳邦科技產品經理 黃建豪先生

保護元件產品主要分為-過電流保護、過溫保護、過電壓保護等大類 ,此次針對過電壓保護的靜電保護做介紹:

圖一Clamping Voltage越低則保護效果越好

EMI與EMC濾波器(佳邦科技提供)

Over Voltage(佳邦科技提供)

靜電對電子產品的傷害一直是不易解決的問題,正常操作的電子產品,一旦受到靜電放電(ESD)作用時,常會出現一些不穩定的現象,如功能突然失常情形等。輕者須重開機才能排除,重則因電子產品內的電子元件,不堪承受靜電的電壓或電流而損壞。為確保電子產品的功能,國際知名廠商都要求代工的產品必須符合國際規範IES 61000-4-2 ESD測試才會接受。然而欲使電子產品具靜電防制能力,除了從半導體元件的防護外,更需從產品系統設計、防制技術等兩方面著手,才能發揮靜電的防護功能

A:以下是針對測試規範做的簡介
EN 61000-4-2 模擬人體放電測試方法包括下列事項:

1、空氣放電測試:是模擬人的手指在接觸電子產品時,發生靜電放電的情況。靜電槍用8mm的放電頭,對電子產品的操作人員,經常容易接觸的非金屬部位做測試,測試電壓由低電壓到高電壓, 通常測到正負8kV,但法規中保留容許高於正負15kV的測試條件。

2、接觸放電測試:係模擬操作人員直接或間接,透過手工具接觸電子產品時發生放電的情況,測試時,靜電槍經過放電頭的尖端對待測產品的金屬部位做測放電測試,測試電壓仍由低到高,通常測到正負4kV。此項測試法規保留容許高於正負4kV的測試條件。

3、水平與垂直金屬板放電測試:係模擬操作人員靠近電子產品接觸臨近的物品放電時,產生耦合場效應,這項測試是以靜電槍對平行板及水平板放電方式執行,測試電壓條件與接觸放電測試相同。

B:目前市面上的ESD保護產品

1、Varistor
結構乃類似電容一般在兩導體間夾著ZnO 為主之材料。
在Varistor兩端電壓低於工作電壓規格時,元件為OFF 狀態,呈現高阻抗且漏電流低之狀態,此時呈現與一般電容器元件相同之性質。
當Varistor兩端電壓高於元件崩潰電壓(Breakdown Voltage)時,元件進入ON的動作狀態,轉變成以低阻抗來抑制暫態或突波電壓,並吸收大部分異常電流,呈現與一般低電阻值電阻器元件相同性質。

一般來說Varistor元件,乃是電容值越大的規格會具有較佳的ESD保護效果。在相同工作電壓下的高容值的壓敏電阻與低容值的壓敏電阻,主要差異在於平行板重疊面積之大小不同,同樣也可以想成在兩平行導體內部有許多的並聯的小電阻,當突波發生時由於並聯的電阻越多,等效的電阻越小,在兩導體的電位差越小,也就可以得知為什麼一般來說電容值越大的元件,其Clamping Voltage會越低,保護效果越好。如圖一所示。

不過因材料的配方及結構上的不同,某些廠商所研發出的產品早已擁有低容低箝制電壓之特性,例如佳邦科技的MLVG series,所以材料的配方成為最主要關鍵,儘管有些產品結構相同,但保護等級可因材料的配方不同差之甚大。

2、ESD Guard
此系列產品主要特性為超低的電容值,主要應用於高速訊號線下的靜電保護,為一種特殊的材料製程,使用高頻訊號下有極低的訊號損失。

3、Zener Diode
與一般二極體性質相同,藉由摻雜物的種類、濃度,決定擊穿電壓(崩潰電壓 3V~100V),因而可應用於不同信號電壓上,作為逆向電壓崩潰保護機制,可提供穩定電壓。

4、TVS Diode
TVS Diode的Device上利用半導體矽Si,鍺Ge濃度或利用半導體中PN接合的面積, 甚至採用與SCR相同Sidac特性的Device,使導通電流在相對時間內能大量通過,而減少流至被保護元件的電流。

5、ESD產品差異比較:如表格二

6、低成本的ESD 設計方案
以目前市面上的ESD解決方案,部分在設計時採用陣列式的解決方案,但通常這樣的設計,很容易在終端的採購無替代料可以替換,導致採購成本過高。目前最好的方案,會是選擇使用單顆雙向的ESD保護器,因為這樣的設計方式,缺點在於設計時,需要多設計接地線,但是優點在於,可以選擇的產品多,另外可以降低成本的機會比較大。