雜訊、接地與電磁相容

靜電放電防護(ESD protection)

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在乾燥的日子拖著腳走過地毯再去碰門把,啪一聲,一道火花加一陣刺痛。那道火花可能有數千伏特,雖然它對你只是搔癢,同樣的一擊射進晶片嬌貴的閘極,卻能在一瞬間直接打穿它。靜電放電,ESD,就是那突如其來傾瀉的靜電荷,而靜電放電防護就是我們為了不讓它殺死或悄悄削弱靈敏元件所做的一切。

危險在於電壓。人體很容易帶電到 2,000 到 15,000 伏特之間,而一個只有幾奈米厚的 MOSFET 閘極絕緣層,在幾十伏特就崩潰。放電很快(奈秒級)、攜帶的能量很小,但足以擊穿一個閘極或熔掉一個微小的接面。防護是分層進行的:在晶片上,每支輸入腳都有箝位二極體,把突波無害地導向電源軌;在板子上,你在外界插入的接頭處加上 TVS(暫態電壓抑制)二極體、串聯電阻與鐵氧體磁珠;在工廠裡,人員戴接地腕帶、在洩放墊上工作,使電荷從一開始就不會累積。

靜電放電防護之所以重要,是因為傷害往往看不見且延遲發生:一記電擊可能不會當場殺死元件,卻削弱它,使它在數週後才失效,這就是所謂的潛伏性失效,這使 ESD 成為可靠度問題,而不只是搬運上的麻煩。它也是 EMC 抗擾度測試的必要環節,測試中一把校準過的 ESD 槍對每個外露表面與接頭發射標準化的電擊。誠實的提醒:晶片上那些微小的箝位二極體在搬運時保護晶片,但它們並非用來吸收現場大型的真實突波,所以外露的接頭需要自己更強悍的外部防護。

一個會被手指碰到的 USB 接頭,在其資料線上加了一個小型 TVS 二極體陣列。當一記 8 kV 的靜電擊中插頭,TVS 把尖峰箝位到幾伏特並把電流分流到地,使晶片的資料腳從不會看到那致命的電壓。

在接頭處就把尖峰箝住,趕在它到達晶片之前。

在接地墊上、戴著腕帶處理 CMOS 元件——ESD 傷害常是潛伏性的,削弱一個之後才失效的元件,所以今天在工作台上能動的板子,可能早已受了傷。

又稱
ESDelectrostatic discharge protection靜電防護