隨著積體電路進展至奈米(nm)製程，現今電子產品中已有越來越多更高速和更多功能的積體電路(IC)被設計在小型化線路圖中。
然而，積體電路趨向小型化設計和摻雜濃度的增加，也導致積體電路內的閘極氧化層變薄、pn接面的寬度減少和積體電路尺寸變小，因此閘極氧化層的崩潰電壓和pn接面的崩潰電壓也會愈來愈小。積體電路尺寸變得愈來愈小，其本身的靜電保護能力也會下降，這將大大增加積體電路對靜電放電(ESD)的易感性，並容易由ESD造成可以立即注意到的故障、暫時性故障或潛在性損害(圖1)。
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| 圖1 ESD造成積體電路的損害 |
潛在性損害無法當場確認，有時是當使用者在保固期內使用時才會發現。可以立即注意到的故障，是最容易可以檢測到，只要在電子產品出廠前將其檢測出來，客戶就永遠不會碰到。但ESD導致電子產品出現的暫時性故障或潛在故障是很常見且很難檢測或追查。
暫時性故障會讓使用者須要反覆地重新啟動或重置電子產品，連帶使得使用者對此電子產品信心不足。潛在性損害會造成不可靠的運行，有的甚至還會造成對電子產品性能的干擾或最終導致電子產品故障，因而導致使用者對此電子產品的負面印象及對此電子產品品牌的不信任，進而損壞企業信譽。另外，由於ESD導致電子產品故障損害，使得產品須要召回更換或修理，電子產品製造商或使用者可能要花費比原來電子產品成本更多的費用。
IEC 61000-4-2靜電放電測試
目前大部分的電子品牌大廠都會要求電子產品須要通過IEC 61000-4-2的靜電放電測試。IEC 61000-4-2的靜電放電測試依據被測試電子產品功能受影響的程度而分為四個等級。
第一級為A級(Class A)是指電子產品功能在測試過程中與測試後仍完全可以正常操作，功能完全正常且完全不受ESD放電影響。第二級為B級(Class B)是指電子產品在測試過程中功能會受ESD放電干擾，但移除ESD放電干擾後，電子產品功能便可以自動回復原狀。第三級為C級(Class C)則是指電子產品功能在測試過程中受ESD放電影響導致電子產品功能異常且功能無法自動回復，必須重置(Reset)或重新開機才能回復測試前原有的電子產品功能。第四級為D級(Class D)，是指電子產品功能在測試後出現異常，即使重置或重新開機也不能回復原有的電子產品功能。
不同商品有不同測試等級要求。目前大部分的電子品牌大廠都會要求電子產品須符合A級或B級的要求，C級和D級的品質是不能被接受的。
提高靜電防護 對策紛紛出籠
由於積體電路內部電子元件微小化，因此大多數積體電路的靜電保護能力有限而更易擊穿，有的在20伏特(V)左右就會受到損壞。傳統的保護方法已不再普遍地適用，有的甚至還會造成對電子產品性能的干擾。
為確保整個電子產品有較好的靜電防護能力，設計工程師採用多種方法來確保產品符合IEC 61000-4-2靜電放電測試標準，例如使用非金屬材料的機構外殼、金屬材料的機構(機殼)接地屏蔽設計、電路板走線布局設計、選擇靜電防護能力較好的電子元件等方法。另一種方法是在鍵盤、按鍵、天線端或輸入/輸出(I/O)介面的連接器等可能成為靜電放電容易進入點使用保護元件。
目前常用做為靜電保護的元件，包括壓敏電阻(Varistor)、齊納(Zener)二極體、多層變阻器(MLV)、聚合物抑制器(Polymer)以及瞬態電壓抑制器(Transient Voltage Suppresser, TVS)等等。其中，TVS二極體是專門設計用於保護IC免於遭受ESD損害的保護元件，其性能也優於其他的保護元件(表1)。TVS二極體的工作原理如圖2所示。
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| 圖2 TVS二極體工作原理 |
TVS二極體在電路上是與被保護的IC並聯，基本工作原理是儘量將大部分的ESD電流經由TVS二極體引導到接地端，儘量地減少殘餘電流流進IC以避免因為ESD造成IC故障。
換言之，TVS二極體的設計是當受到ESD衝擊，其所產生的箝制電壓(Clamping Voltage)要越小越好(圖3)、動態電阻遠低於受保護IC並具有非常快速的反應時間。
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| 圖3 保護元件的箝制電壓比較 |
若要符合高頻應用產品或高速資料傳輸，如第三代通用序列匯流排(USB 3.0)、高解析度多媒體介面(HDMI)1.3/1.4，以及天線應用產品的需求，必須儘量減少寄生電容對整個應用頻率範圍的影響。若要應用於可攜式電子產品，如行動電話、平板電腦、MP3、電子書、行動電視、遊戲機、數位相機、筆記型電腦及導航系統，通常對使用電池的電子產品會要求比以往更低的耗電量及更長的電池壽命，因此TVS二極體的漏電流要低於1奈安培(nA)，最高不超過50奈安培。
小型TVS二極體可以為高密度印刷電路板(PCB)節省大量空間；封裝高度也是在設計許多薄型電子產品時的關鍵要素。目前二極體的封裝高度僅0.39毫米(0402)和0.31毫米(0201)是許多薄型電子產品主要製造商優先選擇的解決方案。封裝高度僅0.15毫米(CSP Package 0201和01005)的TVS二極體也預計於2013年底前進入量產的階段(圖4)。所以選擇適當的TVS二極體，除了要可以提高電子產品對ESD的防護能力外，還須兼顧設計電子產品時的關鍵需求，以及儘量減少對被保護IC原有功能的影響。
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| 圖4 TVS二極體的封裝 |
高性能TVS二極體 節省大量空間
若要防止ESD對觸控介面電路造成衝擊，必須儘量選擇可以提供極低箝制電壓和超低動態電阻的TVS二極體。由於觸控介面電路的訊號速率比較低，對TVS二極體的寄生電容要求不太高。以英飛凌(Infineon)ESD3V3S1B TVS二極體為例，此TVS二極體是雙向保護元件，適用於單一線路的操作電壓穩定在正負不超過3.3伏特(V)範圍內，發揮保護作用。ESD3V3S1B TVS二極體的箝制電壓極低，在IEC61000-4-2正負8,000伏特接觸放電下僅會產生+7.7伏特和-6.9伏特的箝制電壓和超低動態電阻(僅只有0.13歐姆)。傑出的ESD承受能力高達±30,000伏特(IEC61000-4-2接觸放電)，性能超越IEC61000-4-2行業標準(±8,000伏特)。
在極端瞬態(90安培傳輸線路脈衝，相當48,000伏特IEC61000-4-2)條件下的測試中，此TVS二極體並未出現任何性能下降，無論ESD事件的嚴重程度如何，都能發揮高效率的保護效能。此款二極體的小型封裝尺寸有兩種：0.62毫米(mm)×0.32毫米×0.31毫米(TSSLP-2-1，尺寸約當EIA0201)以及1.0毫米×0.6毫米×0.39毫米(TSLP-2，尺寸約當EIA0402)。由於封裝高度降低為0.31毫米，能滿足最嚴格的厚度需求，適合整合於現今薄型智慧型手機、平板電腦、電子書及其他裝置。
為防止天線系統遭受ESD損壞，最佳的TVS二極體對於天線保護功能須要包括對稱雙向組態，還有極低的寄生電容，可避免不匹配及插入損耗。英飛凌ESD101x和ESD103x二極體可吸收危險的靜電放電並提供對稱雙向組態，還有僅0.1皮法(pF)的寄生電阻容，同時維持訊號的完整性。ESD101x和ESD103x擁有TX和RX系統要求的高線性。為了遵循各種電磁相容性規定(如ETSI EN 300 328)，也將生成諧波降到最低。互調失真亦降到最低，可避免其他射頻服務用戶的頻內雜訊和干擾。此TVS二極體耗電量極低。在正常運作模式的工作電壓下，一般漏電流低於0.1奈安培，可延長可攜式電子產品的電池壽命。
天線通常位於行動電話方便觸及的表面，因此靜電放電容易進到模組內，損害或破壞其元件。ESD101x和ESD103x可建置於天線和射頻前端間的訊號路徑，具備最佳化設計，能夠同時兼顧有效保護和高頻訊號完整性及線性度，符合射頻(RF)訊號線的需求。同時，此TVS二極體可承受IEC 61000-4-2業界標準規範的多次ESD衝擊，而不折損效能，並可在低於1奈秒(ns)的回應時間內回應多次放電。ESD101x和ESD103x採用標準的小型TSSLP-2-3封裝(0.6毫米×0.3毫米×0.31毫米)，很適用於超薄和小型電子裝置。此兩款產品皆無鉛、無鹵素且符合危害物質限用指令(RoHS)標準。
對於一些電子產品的耳機插孔、按鍵、鍵盤、便捷鈕等外部連接裝置之連接介面。在一般情況下，這些外部連接裝置直接接觸外界，因此可能成為ESD的進入點。使用TVS二極體緊鄰外部介面，可以提供低電阻通路因應ESD事件，而且可以將危險的瞬變ESD能量從TVS二極體分流。適合的TVS二極體可提供雙向保護，適用於將單一線路的操作電壓穩定在正負不超過5.3伏特範圍內並發揮保護作用。
小型TVS二極體前景看好
本文簡單介紹薄型電子產品在ESD防護上的市場需求、系統設計上的解決方案及新型小型TVS二極體。隨著積體電路尺寸微小化和進展到奈米製程，小型TVS二極體具備高靜電保護能力才能真正滿足市場的需求。
(本文作者為台灣英飛凌射頻及保護元件應用部門經理)