集成电路微型化发展，ESD防护需跟上

电子发烧友网报道（文/李宁远）不论是消费电子领域、工业领域还是汽车领域，在任何电子电路中，ESD防护都是至关重要的一环。任何器件，都可能在一次静电冲击下被损坏，电子系统如何解决ESD问题一直都是挑战。
 
ESD带来的器件损伤
 
日常生活中，我们经常会碰到静电现象，尤其是在干燥的时候。静电会在瞬间给人造成一次电击，过程短暂但是痛感明显。在现在电子设备无处不在环境里，人与电子设备的接触经常能构成一个完整静电放电ESD场景。
 
最常见的莫过于消费电子设备——PC和平板。这些电子设备往往配有很多接口，如USB、HDMI等等。在使用这些设备时，人体与接口之间很容易产生ESD。如果设备本身的ESD防护做得不够到位，则通过接口连接产生的高压ESD冲击会导致大电流峰值直接流入集成电路，造成损坏。虽然这个ESD冲击对人体来说可能感知不到，但这些产生的尖峰电压电流足以对电子设备带来不可逆的损坏，对于敏感的集成电路，这绝对是致命的瞬态冲击。
 
这只是终端与用户之间发生的ESD现象，其实从电子设备装配到板级焊接，过程中的每一个环节都有着ESD风险。
 
ESD带来的器件潜在损伤又很难检测到，电子设备经常出现的各种故障极大可能都和静电损坏相关。ESD损坏因此也被认为是电子产品质量最大的潜在杀手，ESD防护也成为电子产品质量控制的一项重要环节。
 
必不可少的ESD防护
 
从半导体产业发展开始，ESD损坏就已经出现了。随着芯片向微型化发展加速，高集成度的IC中ESD问题更是越来越普遍。在所有IC的制造阶段，都会配置嵌入式的ESD器件来保证IC能够顺利制造出来。
 
为了保护敏感电路免受ESD的影响，ESD保护二极管被连接到接口和集成电路之间的每条信号线上。在ESD发生的时候，ESD保护二极管会被击穿，并产生一个低阻抗路径，通过将电流转移到地面来限制峰值电压和电流，避免峰值电流直接流入IC，从而保护集成电路。
 
嵌入式器件级的ESD结构可以提供基础的ESD防护，这种防护当然希望ESD保护器件的钳位电压越低越好，这样下游电路才能尽可能少地暴露在击穿环境下。
 
不过IEC后续标准中的电路模型通常会使用离散的独立瞬态电压抑制二极管也就是TVS。PMIC或者MCU单元中集成的器件级的ESD保护结构虽然有效，但面对系统级的ESD有时候并不能防护到位，独立TVS成本会更低一些，同时也能设计得离接口更近，应对系统级的ESD更为有效。
 
TVS受到反向瞬态高能量时候能够吸收能量，对后级电路形成有效的保护。具体来说就是当有瞬时过压脉冲时，TVS的电流急骤增加而反向电压则上升到钳位电压值，并保持在这一水平上。尤其是双极性的TVS，无论来自反向还是来自正向的ESD脉冲都能即时做出保护，一旦加在它两端的干扰电压超过钳位电压就会立刻被抑制掉。
 
器件级的ESD防护在系统层面不如独立TVS更可靠，而且随着终端应用的快速发展，不同场景对TVS的ESD也提出了更高的要求，尤其是小型化需求。如何在缩小封装的同时保证防护性能，也是TVS发展面临的挑战。
 
小结
 
集成电路节点工艺技术正在变得越来越小，更高集成度的器件也更容易受到ESD损坏的影响，在系统级防护层面合适地使用独立的TVS是提升高集成度IC可靠性的重要一环。