多功能手機的ESD保護方法

多功能手機的ESD保護方法

ESD保護實例

手機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FeliCa等非接觸IC卡享受各種服務，而且可以播放音樂、收看數(shù)字電視等。隨著功能的增加，手機會更容易受到人體靜電放電的影響，由ESD引起的手機誤操作或損壞的可能性將會增大。

例如，在翻蓋式手機中，液晶屏和主機之間通過軟電纜進行連接，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，圖像就會鎖死，并且用作背光的白光LED也會被損壞。

之所以說隨著手機功能的增加，ESD所帶來的故障也會增多，主要是因為增加功能之后，與外部交換信息的輸入/輸出接口的數(shù)量就會隨之增加。一旦有高電壓進入這些接口部位，危險性就很大。另外，存儲卡的插拔以及數(shù)據(jù)傳輸連接器等的插拔更為頻繁，也導致ESD的危險性增加。因為插拔時，人體內(nèi)積聚的電荷可能會對連接器放電。

隨著危險性的增加，手機終端對ESD的抵抗力也日漸降低。其中一個原因就是電路的驅(qū)動電壓越來越低。此外，因為手機設計時過分追求輕薄化與外觀，使得用來針對ESD放電的接地電位不穩(wěn)定，也導致了手機對ESD的抵抗力降低。

ESD保護不是新增功能，對于手機設計師來說卻都認為是很棘手的事情。但是，考慮到產(chǎn)品上市之后可能發(fā)生的問題，設計師就必須采取恰當?shù)拇胧Ｒ虼?，EDS保護在手機設計中也成為了一項重要的工作。

需要進行ESD保護的部位包括通過電纜與外部相連的連接器、 SIM卡與存儲卡等的連接器、鍵盤以及翻蓋式手機轉(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)或壓敏電阻來進行ESD保護。但是，有時還需要在相同部位濾除EMI。因此，以歐洲生產(chǎn)的手機為主，越來越多的手機將倒裝芯片用作ESD保護器件，這類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保護器件常用的兩種方式，這兩類器件的生產(chǎn)廠商正在致力于以下幾方面的研究開發(fā)：在減小封裝面積的同時實現(xiàn)多種功能，提高ESD保護性能，支持高速信號，降低成本(見圖1)。

對于增加功能來說，除了壓敏電阻與二極管方面的開發(fā)工作，廠商們同時還致力于開發(fā)多條信號線的保護以及能夠集成EMI濾波器的器件。

對信號線進行保護時，通常會采用硅二極管。如果使用壓敏電阻，1個器件大概可以保護4條信號線；但如果采用二極管，目前已經(jīng)可以保護8條~12條信號線。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，并具有價格方面的優(yōu)勢，因此被大量應用于日本的手機產(chǎn)品中。

硅襯底上的多功能集成

與ESD保護元件一樣，EMI濾波器已經(jīng)成為各類接口不可或缺的部件。這兩個功能的集成化對于減小封裝面積具有很大意義。最近，很多超薄手機中都使用了軟電纜，而這類電纜有時起到天線的作用，會產(chǎn)生輻射噪聲。用來消除噪聲的低通濾波器就是EMI濾波器，它與ESD保護元件一樣，需要放置在外部信號輸入端。既然他們都被放在同一部位，設計師自然就會考慮將其進行集成。

在采用二極管方式時，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。意法半導體公司與NXP半導體公司已經(jīng)開始提供相關產(chǎn)品，該類產(chǎn)品將4~8條信號線的保護電路集成到硅襯底上，然后將其封裝在倒裝芯片上。NXP半導體公司亞州區(qū)市場戰(zhàn)略經(jīng)理國府正秀表示： “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存儲卡。如意法半導體公司的產(chǎn)品EMIF06-HMC01F2中除了6線保護二極管與EMI濾波器之外，還將上拉電阻集成到具有16個凸點的倒裝芯片里(見圖2)。芯片尺寸為1.92mm×1.92mm，直徑為0.315mm的凸點以0.5mm的間隔分布在芯片上。意法半導體公司APM產(chǎn)品市場主任杉山英輝表示：“在存儲卡與USB等保護器件容易實現(xiàn)標準化的地方，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間距。目前，標準的凸點間距為0.5mm，部分廠商已開發(fā)了0.4mm間距的產(chǎn)品，并已投入市場。對于封裝厚度，NXP公司表示：“現(xiàn)在，包括凸點在內(nèi)的產(chǎn)品的高度為0.65mm，今后的目標是降低到0.4mm甚至0.3mm?！贝送猓ㄟ^將芯片倒裝，還可將器件與電路板之間的接口進一步減小。今后，不光是要集成用于保護存儲卡的EMI濾波器，還要集成電壓調(diào)節(jié)器，并進一步集成周邊電路，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。對于由電阻與電容組成的濾波器來說，因為阻抗是串聯(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、松下電器設備、TDK等公司已經(jīng)開始銷售這類產(chǎn)品。

在進行手機設計時，設計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)的無用信號輻射，并要求有較大的衰減特性。而且，如果手機內(nèi)置有數(shù)字電視調(diào)諧器，那么，在傳輸視頻信號的同時，還需要確保470MHz~770MHz廣播頻率具有充分的衰減特性，以抑制其對電視接收信號的影響。在最近的產(chǎn)品中，隨著高清顯示屏的出現(xiàn)，視頻信號的帶寬也進一步加大，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，設計中有時會將L-C濾波器與ESD保護元件集成在一起。這里所說的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)集成電感的復合器件。美國CMD公司開發(fā)的ESD保護元件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(見圖3)。該公司尚未公布其成本。

圖1　提高保護功能、減小封裝面積

降低壓敏電阻電壓

在提高ESD的保護性能方面，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所引起的誤動作(見圖4)。一般來說，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，流過接地線的漏電流會有所增加。該公司通過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　用于存儲卡的集成型ESD保護元件

圖3　通過集成電感，確保低插入損耗與陡峭的衰減特性

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

圖4　各頻段天線的保護措施

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 ，但此時壓敏電阻的電壓會比較高。TDK通過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關等芯片因為使用了GaAs的化合物，其耐壓通常低于100V。因此，天線電路的ESD保護就變得很重要。當收發(fā)頻率高達800MHz 時，如果電容變小，接收信號波形就很容易產(chǎn)生畸變。因此，其ESD保護元件通常不使用二極管與壓敏電阻等元件，而是使用電感(見圖4)。但是，也有廠商開發(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保護器件。

市場上所使用的所有電感都存在兩個問題。第一個問題是，如果不采取阻抗匹配，插入損耗就比較大，難以用于實際應用。在一部使用不同頻率的手機上，必須針對每個天線進行匹配。有時，匹配的最佳條件很可能無法保證ESD保護的效果。

電感的另一個問題是當靜電導致較大的施加電壓時，被保護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)生誤動作，甚至被損壞。

為了解決上述問題，松下電器設備開發(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個數(shù)量級。該產(chǎn)品可能會應用到GHz帶寬的主天線上。也就是說，上述兩個問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，通常電流無法流過該間隙。但當施加高達幾kV的電壓時，就有電子通過間隙進行放電。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能實現(xiàn)穩(wěn)定的放電。這種ESD吸收材料主要由金屬粒子與樹脂構(gòu)成。當電壓超過某個閾值時，間距非常小的金屬粒子之間就導通，讓電流流過(見圖5)。ESD開發(fā)過程中也曾遇到重復測試時特性不穩(wěn)定的問題，但選擇使用含碳量少的樹脂之后，就解決了上述問題。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。據(jù)松下電器設備電路元件技術1組開發(fā)小組組長井關健介紹：“目前已開始將其用于手機主天線的ESD保護方面，應用范圍正在逐漸擴大?！?/P>

手機轉(zhuǎn)軸部軟電纜的強化接地

ESD保護器件將放電所產(chǎn)生的電流盡快地導向接地,如此一來電流就不會進入到內(nèi)部電路，電路上就不會加載高電壓，半導體器件也就不會損壞。但是，如果接地不穩(wěn)定，這種方法就不會起作用，對ESD的抵抗力也就較低。在手機里，接地的基準點是電池負極。如果遠離該基準點時，接地就不穩(wěn)定。特別是在翻蓋手機中，上下兩單元的接地大多是通過軟電纜導線連接的。因此，遠離基準接地點的上部單元(顯示屏)最頂端，對于ESD的保護能力最弱。

圖A-1 軟電纜上部電路板的接地強化

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