1引言
    近年來，隨著電子產(chǎn)品小型化和多功能化的發(fā)展，IC、LSI、VLSI的集成密度和速度大幅度提高，表面貼裝技術(shù)（SMT）得到廣泛應(yīng)用。與此同時，隨著敏感度的不斷提高，電路中的半導(dǎo)體芯片在電脈沖沖擊下顯得越來越脆弱。通過傳導(dǎo)和感應(yīng)進入電子線路的各類電磁噪聲、浪涌電流、甚至人體靜電放電（ESD）均能使整機產(chǎn)生誤動作或損壞半導(dǎo)體元器件[1]。芯片內(nèi)部的保護電路由于受到芯片空間的限制，無法做得很大，僅能保證芯片和電路板在制造過程中不受ESD損害。然而，實際應(yīng)用中電子整機產(chǎn)品可能經(jīng)受的ESD電壓等級遠遠超出片上保護的范圍。因此，有必要為芯片安裝輔助的片外ESD抑制器件。
    傳統(tǒng)的圓片型ZnO壓敏電阻器由于尺寸過大、壓敏電壓過高、響應(yīng)速度慢、能量耐受能力小等缺點，不能滿足新型電子產(chǎn)品ESD保護的要求。疊層片式ZnO壓敏電阻器（以下簡稱MLV）已經(jīng)開始逐漸取代圓片型壓敏電阻器和硅齊納二極管，成為新型電子產(chǎn)品ESD保護的首選元件。
2MLV的性能特點
    MLV是一種基于ZnO壓敏陶瓷材料，采用特殊的制造和處理工藝而制得的高性能電路保護元件，其伏安特性符合I=kVa，能夠為受保護電路提供雙向瞬態(tài)過壓保護。
    與傳統(tǒng)的圓片型ZnO壓敏電阻器相比，MLV具有以下優(yōu)點：
    （1）體積更小
    1206（3mm×1.5mm）已經(jīng)成為MLV的標準尺寸，這僅為同類圓片型壓敏電阻器和齊納二極管尺寸的1/4到1/3。0805、0603和0402尺寸標準也將很快得到應(yīng)用。日本的村田公司和松下公司甚至已分別于1997年和1998年創(chuàng)紀錄地推出了0201型MLV[2]。
    （2）能量耐受能力和通流能力更高
    表1對西門子－松下公司的圓片型和片式壓敏電阻器的性能進行了比較。

表1圓片型和片式壓敏電阻器的性能比較[3]

項目
 圓片型
 片式
 
型號
 CN1812K11G
 S05K11
 
面積/cm2
 0.196
 0.144
 
壓敏電壓/V
 18
 18
 
Imax(8/20μs)/A
 100
 800
 
Wmax(2ms)/J
 0.3
 1.9
 

    由表1可見，對于壓敏電壓相同的圓片型和片式壓敏產(chǎn)品，后者的8/20μs脈沖電流峰值和2ms方波能量耐受能力可分別達到前者的8倍和6倍。
    疊層結(jié)構(gòu)帶來的可用電極面積增加是使MLV能量耐受能力更高、電流分配更為有效的主要原因。
    如圖1所示，在MLV內(nèi)部，ZnO陶瓷層與金屬內(nèi)電極層呈交替疊加結(jié)構(gòu)，相鄰兩內(nèi)電極層與所夾的陶瓷層組成一個單層“壓敏電阻器”，這些小的“壓敏電阻器”又通過外電極并聯(lián)在一起，從而大大提高了整片的有效電極面積，使瞬態(tài)過電壓產(chǎn)生的熱量能均勻地耗散在外電極間的整個區(qū)域內(nèi)，從而保證了元件高的能量耐受能力。
    同時，疊層結(jié)構(gòu)使得器件具有類似大電流功率晶體管的外電極電流注入模式，如圖2所示，這對于實現(xiàn)其大通流容量同樣重要。
    圖2MLV外電極及內(nèi)電極間電流注入模式
    （3）限制電壓小，保護性能好
    壓敏電阻器保護性能的好壞主要取決于殘壓比UC/UB，其中UC為限制電壓，UB為壓敏電壓。由于采用多層結(jié)構(gòu)，當脈沖電流峰值I一定時，流過MLV兩內(nèi)電極間的電流僅為I/n(n為內(nèi)部陶瓷層數(shù))，其UC必然較小。因此，對于UB相同的MLV和圓片式產(chǎn)品，前者的保護性能將顯著強于后者。
    （4）響應(yīng)速度更快、電壓過沖小
    ZnO材料本身的響應(yīng)速度極快，響應(yīng)時間小于500ps[4]。傳統(tǒng)的圓片式ZnO壓敏電阻器的響應(yīng)速度較慢主要是由其封裝和引線帶來的寄生電感造成的。MLV由于完全采用表面安裝形式，無任何引線和外部封裝，幾乎是零電感，因此響應(yīng)時間極短，僅為1ns～5ns，而且電壓過沖很小。
    （5）壓敏電壓易調(diào)
    圓片式ZnO壓敏電阻器的壓敏電壓不僅與材料配方和器件厚度有關(guān)，而且受制造工藝影響很大。MLV由于采用并聯(lián)疊層結(jié)構(gòu)，壓敏電壓僅與單層介質(zhì)的厚度有關(guān)，而與整片的厚度無關(guān)，因此可以在流延工序中通過控制陶瓷層的厚度靈活調(diào)整器件的壓敏電壓。
3MLV在ESD保護中的應(yīng)用
    ESD在日常生活中極為常見。由于其現(xiàn)象極微弱，發(fā)生時人們幾乎沒有覺察，但對于“脆弱“的電子設(shè)備卻可能是致命的。ESD可以通過電子產(chǎn)品的按鍵、旋鈕、電源、接線端等與內(nèi)部電路相連通的部分進入產(chǎn)品內(nèi)部，輕則產(chǎn)生信號擾動，重則可能使電路中某一元件失靈甚至徹底損壞。
    盡管我們?nèi)粘＝佑|到的電子產(chǎn)品的內(nèi)部電路都具備一定等級的片上ESD保護措施（典型的內(nèi)部ESD保護水平為2kV），但使用者產(chǎn)生的ESD電壓和電流峰值能在1ns的時間內(nèi)上升到15kV和100A[5]，這大大超出了片上保護的能力。美國ESD協(xié)會對電子產(chǎn)品損壞原因的評估表明，大約27％～33％是由ESD引起的[6]；我國通訊行業(yè)每年由靜電危害造成的損失高達幾億元人民幣[7]。由此可見，在電路中引入輔助的ESD保護措施，如添加ESD抑制器，以減少靜電危害造成的損失是十分必要的。
    使用MLV作為ESD抑制器的電子產(chǎn)品很多，包括汽車內(nèi)部的電子系統(tǒng)（設(shè)備）、電源、計算機及其周邊設(shè)備、辦公室設(shè)備如復(fù)印機、傳真機和打印機的按鍵/控制器、消費型電子設(shè)備如DVD、VCD、機頂盒，通訊設(shè)備如MODEM、無線LAN、手機/無繩電話和尋呼機等等。
    如圖3所示，進入電子系統(tǒng)內(nèi)部的ESD，當其電壓超過ESD抑制器的壓敏電壓，抑制器就會導(dǎo)通，將大部分的ESD能量導(dǎo)向接地端，殘余的能量在傳輸過程中仍會減弱，到達內(nèi)部電路時已經(jīng)降到很低的水平，不會再對電路構(gòu)成危害。
4高頻信號傳輸線路的ESD最優(yōu)化保護[6][8]
    隨著線路數(shù)據(jù)傳輸速度的不斷提高，抑制器電容、線路寄生電感等帶來的影響成為ESD保護設(shè)計中不容忽略的問題。合理的參數(shù)選擇和布線設(shè)計對保證信號的穩(wěn)定性和完整性十分重要。
4.1抑制器電容
    對于低頻電路，大的抑制器電容是有益的，因為它可以濾去高頻干擾而使低頻信號順利通過。而對于高頻電路則完全相反，大的抑制器電容會導(dǎo)致信號惡化，降低電路對信號的識別能力。如圖4所示。在通用串行總線標準USB2.0所支持的最高傳輸率為480Mbps的數(shù)據(jù)傳輸線路中，加入電容量僅為10pF的ESD抑制器就足以使其信號的上升和下降時間增加140％。
    因此，高頻信號傳輸線路中的ESD抑制器必須具有足夠小的電容量以保證傳輸數(shù)據(jù)的連續(xù)和完整，這必然要求MLV向低電容和超低電容化的方向發(fā)展。
    目前，MLV產(chǎn)品的標準電容值為數(shù)十皮法到幾千皮法不等，可適用于從普通的音頻、視頻信號到符合USB1.1標準，即數(shù)據(jù)傳輸率最高為12Mbps的電子線路?？梢钥紤]在原料中添加Sb2O3以降低材料表觀電容率和在MLV內(nèi)部設(shè)計制作串聯(lián)微間隙來降低MLV的電容量。這是本課題組正在研究的內(nèi)容之一，將在以后的文章中給予介紹。
4.2抑制器的放置位置
    合理的ESD抑制器安裝位置可以將受保護芯片兩端的ESD瞬態(tài)電壓降至最小。高速瞬態(tài)ESD不可避免地會給線路帶來寄生電感問題，突出表現(xiàn)在高頻線路當中。任何連接接線端、芯片及內(nèi)部元件的線路都會產(chǎn)生寄生電感，高頻下它表現(xiàn)為一個阻抗元件，如圖5所示。
    L2能夠耗散殘余的ESD脈沖能量，因此，設(shè)計時應(yīng)使L2最大，即抑制器離受保護芯片盡可能遠。原則上，ESD抑制器應(yīng)直接安裝在接線端后部，成為電路保護的首道“防線”。
    另一重要的設(shè)計就是減小ESD抑制器與數(shù)據(jù)傳輸線之間的距離。寄生電感L3會引起電壓過沖并增加抑制器的響應(yīng)時間。因此，設(shè)計時最好能夠?qū)LV外電極與線路直接焊接在一起。
4.3接地端的選擇
    最后需要注意的是，ESD抑制器的接地端應(yīng)該選擇設(shè)備的機殼（框架）接地線，而不是信號（數(shù)字）接地線，如圖5所示。這樣可以將ESD脈沖直接導(dǎo)向信號傳輸系統(tǒng)外部，避免引起噪聲信號的對地反彈，從而將線路中的干擾降至最小。
5結(jié)束語
    MLV是一種表面安裝瞬態(tài)過電壓保護元件，具有許多傳統(tǒng)圓片式壓敏電阻器和硅齊納二極管無法達到的優(yōu)點，因而是新型電子產(chǎn)品如計算機、手機、個人數(shù)字助手等的瞬態(tài)過電壓抑制，尤其是ESD保護的首選元件。據(jù)統(tǒng)計，約1/4以上的電子產(chǎn)品的損壞是由ESD引起的。隨著我國移動通信業(yè)國產(chǎn)化率的顯著提高和計算機、網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，越來越多的小型低功率電子元件將投入使用，ESD造成的潛在威脅也將越來越大。
    因此，研究ESD產(chǎn)生的電磁脈沖對微電子元器件及設(shè)備的干擾與破壞機理，提出有效的防護辦法和合理的設(shè)計原則，是一項非常重要的課題，具有廣闊的應(yīng)用前景，應(yīng)該予以足夠重視。

參考文獻：

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