多功能手機(jī)的ESD保護(hù)方法

ESD保護(hù)實(shí)例

手機(jī)的功能正在不斷增加，除了以往的通話、發(fā)送電子郵件、攝像等功能外，還可通過(guò)FeliCa等非接觸IC卡享受各種服務(wù)，而且可以播放音樂(lè)、收看數(shù)字電視等。隨著功能的增加，手機(jī)會(huì)更容易受到人體靜電放電的影響，由ESD引起的手機(jī)誤操作或損壞的可能性將會(huì)增大。

例如，在翻蓋式手機(jī)中，液晶屏和主機(jī)之間通過(guò)軟電纜進(jìn)行連接，轉(zhuǎn)軸部的空隙之間容易產(chǎn)生放電，一旦高壓加載到軟電纜上，圖像就會(huì)鎖死，并且用作背光的白光LED也會(huì)被損壞。

之所以說(shuō)隨著手機(jī)功能的增加，ESD所帶來(lái)的故障也會(huì)增多，主要是因?yàn)樵黾庸δ苤螅c外部交換信息的輸入/輸出接口的數(shù)量就會(huì)隨之增加。一旦有高電壓進(jìn)入這些接口部位，危險(xiǎn)性就很大。另外，存儲(chǔ)卡的插拔以及數(shù)據(jù)傳輸連接器等的插拔更為頻繁，也導(dǎo)致ESD的危險(xiǎn)性增加。因?yàn)椴灏螘r(shí)，人體內(nèi)積聚的電荷可能會(huì)對(duì)連接器放電。

隨著危險(xiǎn)性的增加，手機(jī)終端對(duì)ESD的抵抗力也日漸降低。其中一個(gè)原因就是電路的驅(qū)動(dòng)電壓越來(lái)越低。此外，因?yàn)槭謾C(jī)設(shè)計(jì)時(shí)過(guò)分追求輕薄化與外觀，使得用來(lái)針對(duì)ESD放電的接地電位不穩(wěn)定，也導(dǎo)致了手機(jī)對(duì)ESD的抵抗力降低。

ESD保護(hù)不是新增功能，對(duì)于手機(jī)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)卻都認(rèn)為是很棘手的事情。但是，考慮到產(chǎn)品上市之后可能發(fā)生的問(wèn)題，設(shè)計(jì)師就必須采取恰當(dāng)?shù)拇胧Ｒ虼?，EDS保護(hù)在手機(jī)設(shè)計(jì)中也成為了一項(xiàng)重要的工作。

需要進(jìn)行ESD保護(hù)的部位包括通過(guò)電纜與外部相連的連接器、 SIM卡與存儲(chǔ)卡等的連接器、鍵盤(pán)以及翻蓋式手機(jī)轉(zhuǎn)軸的空隙部位。這些部位以往都是采用二極管(齊納二極管)或壓敏電阻來(lái)進(jìn)行ESD保護(hù)。但是，有時(shí)還需要在相同部位濾除EMI。因此，以歐洲生產(chǎn)的手機(jī)為主，越來(lái)越多的手機(jī)將倒裝芯片用作ESD保護(hù)器件，這類(lèi)芯片里還集成了由電容與電阻組成的EMI濾波器。

壓敏電阻與二極管是ESD保護(hù)器件常用的兩種方式，這兩類(lèi)器件的生產(chǎn)廠商正在致力于以下幾方面的研究開(kāi)發(fā)：在減小封裝面積的同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種功能，提高ESD保護(hù)性能，支持高速信號(hào)，降低成本(見(jiàn)圖1)。

對(duì)于增加功能來(lái)說(shuō)，除了壓敏電阻與二極管方面的開(kāi)發(fā)工作，廠商們同時(shí)還致力于開(kāi)發(fā)多條信號(hào)線的保護(hù)以及能夠集成EMI濾波器的器件。

對(duì)信號(hào)線進(jìn)行保護(hù)時(shí)，通常會(huì)采用硅二極管。如果使用壓敏電阻，1個(gè)器件大概可以保護(hù)4條信號(hào)線；但如果采用二極管，目前已經(jīng)可以保護(hù)8條~12條信號(hào)線。這種方法已被歐洲廠商頻繁采用。在諾基亞公司的Nokia E65里，硅二極管就應(yīng)用在電路板之間的連接器、攝像頭模塊的連接器及外部接口等部位。

而壓敏電阻易于使用，并具有價(jià)格方面的優(yōu)勢(shì)，因此被大量應(yīng)用于日本的手機(jī)產(chǎn)品中。

硅襯底上的多功能集成

與ESD保護(hù)元件一樣，EMI濾波器已經(jīng)成為各類(lèi)接口不可或缺的部件。這兩個(gè)功能的集成化對(duì)于減小封裝面積具有很大意義。最近，很多超薄手機(jī)中都使用了軟電纜，而這類(lèi)電纜有時(shí)起到天線的作用，會(huì)產(chǎn)生輻射噪聲。用來(lái)消除噪聲的低通濾波器就是EMI濾波器，它與ESD保護(hù)元件一樣，需要放置在外部信號(hào)輸入端。既然他們都被放在同一部位，設(shè)計(jì)師自然就會(huì)考慮將其進(jìn)行集成。

在采用二極管方式時(shí)，在硅襯底上除了二極管之外，還將集成由電阻、電容組成的EMI濾波器。意法半導(dǎo)體公司與NXP半導(dǎo)體公司已經(jīng)開(kāi)始提供相關(guān)產(chǎn)品，該類(lèi)產(chǎn)品將4~8條信號(hào)線的保護(hù)電路集成到硅襯底上，然后將其封裝在倒裝芯片上。NXP半導(dǎo)體公司亞州區(qū)市場(chǎng)戰(zhàn)略經(jīng)理國(guó)府正秀表示： “該產(chǎn)品最近已被正式采用，出貨量年年倍增?！?br>
不僅如此，還有產(chǎn)品內(nèi)置了上拉電阻用于保護(hù)存儲(chǔ)卡。如意法半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品EMIF06-HMC01F2中除了6線保護(hù)二極管與EMI濾波器之外，還將上拉電阻集成到具有16個(gè)凸點(diǎn)的倒裝芯片里(見(jiàn)圖2)。芯片尺寸為1.92mm×1.92mm，直徑為0.315mm的凸點(diǎn)以0.5mm的間隔分布在芯片上。意法半導(dǎo)體公司APM產(chǎn)品市場(chǎng)主任杉山英輝表示：“在存儲(chǔ)卡與USB等保護(hù)器件容易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的地方，可根據(jù)具體部位將必要的功能集成在一起，并提供給用戶?！?/P>

上述多功能器件的面積取決于凸點(diǎn)間距。目前，標(biāo)準(zhǔn)的凸點(diǎn)間距為0.5mm，部分廠商已開(kāi)發(fā)了0.4mm間距的產(chǎn)品，并已投入市場(chǎng)。對(duì)于封裝厚度，NXP公司表示：“現(xiàn)在，包括凸點(diǎn)在內(nèi)的產(chǎn)品的高度為0.65mm，今后的目標(biāo)是降低到0.4mm甚至0.3mm。”此外，通過(guò)將芯片倒裝，還可將器件與電路板之間的接口進(jìn)一步減小。今后，不光是要集成用于保護(hù)存儲(chǔ)卡的EMI濾波器，還要集成電壓調(diào)節(jié)器，并進(jìn)一步集成周邊電路，以提高通用性。

集成電感的壓敏電阻

壓敏電阻也開(kāi)始集成EMI濾波器。片式壓敏電阻由陶瓷片疊層而成，現(xiàn)在已有由電感與電容疊層燒制的復(fù)合器件。許多采用二極管方式的多功能器件都是由電阻與電容組成。對(duì)于由電阻與電容組成的濾波器來(lái)說(shuō)，因?yàn)樽杩故谴?lián)的，所以插入損耗較大，而且很難得到較陡的衰減特性。而壓敏電阻中使用電感來(lái)取代電阻，插入損耗較小，比較容易得到較陡的截止特性。京瓷、松下電器設(shè)備、TDK等公司已經(jīng)開(kāi)始銷(xiāo)售這類(lèi)產(chǎn)品。

在進(jìn)行手機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師必須消除用以將液晶屏、攝像頭模塊與主板相連的軟電纜上各種通信帶寬(800MHz~2.5GHz)內(nèi)的無(wú)用信號(hào)輻射，并要求有較大的衰減特性。而且，如果手機(jī)內(nèi)置有數(shù)字電視調(diào)諧器，那么，在傳輸視頻信號(hào)的同時(shí)，還需要確保470MHz~770MHz廣播頻率具有充分的衰減特性，以抑制其對(duì)電視接收信號(hào)的影響。在最近的產(chǎn)品中，隨著高清顯示屏的出現(xiàn)，視頻信號(hào)的帶寬也進(jìn)一步加大，有的甚至要求確保200MHz左右的高帶寬，這種情況更需要強(qiáng)大的衰減特性。因此，采用集成電感元件的濾波器產(chǎn)品將占據(jù)有利地位。

為了獲得更為陡峭的衰減特性，設(shè)計(jì)中有時(shí)會(huì)將L-C濾波器與ESD保護(hù)元件集成在一起。這里所說(shuō)的L-C濾波器是指將電介質(zhì)形成的電容與磁介質(zhì)形成的電感燒結(jié)而成的EMI濾波器，也包括集成在硅襯底上的器件。需要根據(jù)實(shí)際情況確定究竟該選用哪種方法。

采用二極管方式的一部分廠商正在研發(fā)集成電感的復(fù)合器件。美國(guó)CMD公司開(kāi)發(fā)的ESD保護(hù)元件Preatorian除二極管之外，還集成了由電感與電容組成的EMI濾波器。其形成的電感呈螺旋狀線圈。與R-C結(jié)構(gòu)的EMI濾波器相比，L-C結(jié)構(gòu)的EMI濾波器的插入損耗降低了約4dB，并獲得了更高的截止頻率(見(jiàn)圖3)。該公司尚未公布其成本。

圖1　提高保護(hù)功能、減小封裝面積

降低壓敏電阻電壓

在提高ESD的保護(hù)性能方面，由于壓敏電阻的工作電壓高于二極管的工作電壓，所以各廠商也在嘗試降低壓敏電阻的電壓。

TDK公司通過(guò)將壓敏電阻的工作電壓從以往的8V降低到6.8V，抑制了ESD所引起的誤動(dòng)作(見(jiàn)圖4)。一般來(lái)說(shuō)，如果減少ZnO粒子的數(shù)量就可以降低壓敏電阻的電壓，但是，流過(guò)接地線的漏電流會(huì)有所增加。該公司通過(guò)改變壓敏電阻陶瓷材料所用ZnO中的添加材料成分，不但降低了壓敏電阻的電壓，還抑制了峰值電流。

圖2　用于存儲(chǔ)卡的集成型ESD保護(hù)元件

圖3　通過(guò)集成電感，確保低插入損耗與陡峭的衰減特性

為了支持高速信號(hào)，各廠商都在致力于降低壓敏電阻或二極管方式的ESD保護(hù)器件的靜態(tài)電容。即使插入高速信號(hào)線，也不會(huì)使信號(hào)波形發(fā)生畸變。這樣，就可以將USB用作手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置了。

圖4　各頻段天線的保護(hù)措施

圖5　使用ESD吸收材料穩(wěn)定間隙之間的放電

如果僅比較靜態(tài)電容，壓敏電阻方式的產(chǎn)品雖然可以低于1pF ，但此時(shí)壓敏電阻的電壓會(huì)比較高。TDK通過(guò)在壓敏電阻上集成電感，使得該公司的新產(chǎn)品不僅電容小，而且壓敏電阻的電壓也較低。降低靜態(tài)電容還提高了截止頻率。

天線

很多CMOS芯片的耐壓都在200V 以上，但直接連接天線的天線開(kāi)關(guān)等芯片因?yàn)槭褂昧薌aAs的化合物，其耐壓通常低于100V。因此，天線電路的ESD保護(hù)就變得很重要。當(dāng)收發(fā)頻率高達(dá)800MHz 時(shí)，如果電容變小，接收信號(hào)波形就很容易產(chǎn)生畸變。因此，其ESD保護(hù)元件通常不使用二極管與壓敏電阻等元件，而是使用電感(見(jiàn)圖4)。但是，也有廠商開(kāi)發(fā)出電容非常小的二極管，其電容只有0.8pF，能夠被用作頻率低于100MHz的FM接收天線的ESD保護(hù)器件。

市場(chǎng)上所使用的所有電感都存在兩個(gè)問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題是，如果不采取阻抗匹配，插入損耗就比較大，難以用于實(shí)際應(yīng)用。在一部使用不同頻率的手機(jī)上，必須針對(duì)每個(gè)天線進(jìn)行匹配。有時(shí)，匹配的最佳條件很可能無(wú)法保證ESD保護(hù)的效果。

電感的另一個(gè)問(wèn)題是當(dāng)靜電導(dǎo)致較大的施加電壓時(shí)，被保護(hù)的器件及電路上所施加的電壓也較大。峰值電壓越高，芯片就越有可能發(fā)生誤動(dòng)作，甚至被損壞。

為了解決上述問(wèn)題，松下電器設(shè)備開(kāi)發(fā)了容量為0.1±0.1pF的ESD抑制器ESD Suppressor，其電容比目前最小電容1pF還小1個(gè)數(shù)量級(jí)。該產(chǎn)品可能會(huì)應(yīng)用到GHz帶寬的主天線上。也就是說(shuō)，上述兩個(gè)問(wèn)題如今都已得到解決。

該ESD抑制器在氧化鋁基板上放置了厚度小于1mm、間隙小于10mm的兩塊金屬薄膜，通常電流無(wú)法流過(guò)該間隙。但當(dāng)施加高達(dá)幾kV的電壓時(shí)，就有電子通過(guò)間隙進(jìn)行放電。在兩片金屬薄膜之間還橫放了ESD 吸收材料，因而在施加高電壓時(shí)能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的放電。這種ESD吸收材料主要由金屬粒子與樹(shù)脂構(gòu)成。當(dāng)電壓超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)，間距非常小的金屬粒子之間就導(dǎo)通，讓電流流過(guò)(見(jiàn)圖5)。ESD開(kāi)發(fā)過(guò)程中也曾遇到重復(fù)測(cè)試時(shí)特性不穩(wěn)定的問(wèn)題，但選擇使用含碳量少的樹(shù)脂之后，就解決了上述問(wèn)題。上述ESD抑制器已率先用于USB 2.0及HDMI等高速傳輸線路的ESD保護(hù)。據(jù)松下電器設(shè)備電路元件技術(shù)1組開(kāi)發(fā)小組組長(zhǎng)井關(guān)健介紹：“目前已開(kāi)始將其用于手機(jī)主天線的ESD保護(hù)方面，應(yīng)用范圍正在逐漸擴(kuò)大?！?/P>

手機(jī)轉(zhuǎn)軸部軟電纜的強(qiáng)化接地

ESD保護(hù)器件將放電所產(chǎn)生的電流盡快地導(dǎo)向接地,如此一來(lái)電流就不會(huì)進(jìn)入到內(nèi)部電路，電路上就不會(huì)加載高電壓，半導(dǎo)體器件也就不會(huì)損壞。但是，如果接地不穩(wěn)定，這種方法就不會(huì)起作用，對(duì)ESD的抵抗力也就較低。在手機(jī)里，接地的基準(zhǔn)點(diǎn)是電池負(fù)極。如果遠(yuǎn)離該基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，接地就不穩(wěn)定。特別是在翻蓋手機(jī)中，上下兩單元的接地大多是通過(guò)軟電纜導(dǎo)線連接的。因此，遠(yuǎn)離基準(zhǔn)接地點(diǎn)的上部單元(顯示屏)最頂端，對(duì)于ESD的保護(hù)能力最弱。

圖A-1 軟電纜上部電路板的接地強(qiáng)化

拆解松下FOMA P904i手機(jī)時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，為了強(qiáng)化接地效果，轉(zhuǎn)軸部連接用軟電纜的兩面都涂上了導(dǎo)電膏(見(jiàn)圖A-1中黑色部分)。用其連接上下單元電路板的接地，目的就是強(qiáng)化接地效果。