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浅析ESD防护与ESD防护器件

日常生活中，ESD(Electro-StaticDischarge，静电放电)对于我们来说是一

种常见的现象，然而对电子产品而言，ESD往往是致命的——它可能导致元器件

内部线路受损，直接影响产品的正常使用寿命，甚至造成产品的损坏。因此，ESD

防护一直以来都是工程师们的工作重点。对于刚开始职业生涯的电子工程师而言，

在掌握专业技能之前通常都要接受一些ESD相关知识的培训，足见ESD防护的

地位与重要性。

图1电子显微镜下IC内部损毁的照片

一般，ESD保护一般通过两种途径来实现，第一种方法是避免ESD的发生；

第二种方法则是通过片内或片外集成内部保护电路或专用ESD保护器件，从而避

免ESD发生后将被保护器件损坏。

避免ESD的发生

避免ESD发生的方法多出现于产品交付客户以前，即研发、生产等过程。

因为在这些阶段，IC、电路板等静电敏感器件可能裸露在外（如生产工过程中的

SMT制程），IC因ESD而损坏的可能远大于有外壳保护的成品。

表1几种不同类型器件的静电敏感程度

一般而言，避免ESD的方法可分为以下几类：

Surround（包围）：静电敏感元器件都以抗静电材料包装，或使用有盖的抗

静电容器储放；而在静电敏感区域（如SMT制程）工作的人员，则还要穿着静电

服。

Ground（接地）：将工作环境中的人员及设备通过不同的地线接地；

Impound（排除）：排除所有工作区域内的非抗静电材质；此外，可在对静

电极为敏感工作站位增加离子风扇以中和产品表面所带静电。

图2使用离子风扇并将静电桌布接地以避免ESD

另一方面，湿度亦是一个重要的考量因素。适宜的湿度可降低ESD发生的

机率。（见表2）这也是电子制造厂为何多在南方建厂的原因之一。

表2湿度对于ESD的影响
ESD保护器件与保护电路
虽然上述避免ESD发生的方法有着很理想的效果，不过对于终端用户显然不

太适合——举例来说，我们不可能在使用手机之前先戴上静电手环，通话结束后将

手机放到静电袋中以避免ESD。事实上，由于用户鲜有机会接触到产品内部的元

器件及电路板，因此也不需要如此严格的ESD防护措施，但这并不意味着ESD

的问题不存在——首先，ESD可以输入/输出连接器(如USB接口、充电器接口、

SIM卡插槽等)为路径进入电路中的各种元件；其次，随着电子产品，特别是消费

电子产品向着轻薄化发展，导致内部IC的外形尺寸不断减小，其自身ESD防护能

力亦不断减弱。所以，工程师在设计时通常加入ESD保护器件，而很多IC内部也

有片上ESD保护电路。

图3在用户端，ESD可能由电子设备的各种接口进入，
并对内部芯片造成损伤

片上ESD保护电路

相信所有人都希望ESD防护能完全地集成到IC芯片内部，因为这样会节省

的板级空间，减少系统成本并降低设计与布线的复杂度。但从目前情况来看，前景

并不乐观。如今，IC制程工艺的进步成了片上ESD保护的一大难题。一方面，工

艺的进步虽提升IC的性能与集成度并降低功耗与尺寸，但由于栅极氧化层厚度越

来越薄，IC自身的ESD防护能力反而降低。另一方面，随着IC尺寸的不断减小，

由于受到空间的限制，因此保护能力有限。

图4随着IC面积的不断减小，很难在IC中集成ESD保护电路
（资料来源：安森美半导体）

ESD保护器件

由于片上ESD保护电路能力有限，为保证整个系统有较好的ESD防护能力，

外部ESD保护器件是必不可少的。比较常见的有陶瓷电容、齐纳二极管、肖特基

二极管、MLV(Multi-LayerVaristor，多层变阻器)和TVS（TransientVoltage

Suppresser瞬态电压抑制器）。

MLV是一种基于ZnO压敏陶瓷材料，采用特殊的制造和处理工艺而制得的

高性能电路保护元件，其伏安特性符合I=kVa，能够为受保护电路提供双向瞬态过

压保护。MLV的工作原理是利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电

阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级

电路的保护。目前，MLV在很多领域得到了广泛的应用，如手机、机顶盒、复印

机等等。

图5MLV的内部结构示意图
电子产品轻薄化的发展趋势使其对ESD防护要求越来越高，MLV渐渐有些

力不从心，TVS二极管则开始崭露头角。TVS通常并联于被保护电路，当瞬态电

压超过电路的正常工作电压时，二极管发生雪崩，为瞬态电流提供通路，使内部电

路免遭超额电压的击穿或超额电流的过热烧毁。当瞬时脉冲结束以后，TVS二极

管自动回复高阻状态，整个回路进入正常电压。由于TVS二极管的结