應用於穿戴式裝置之ESD保護元件
- 尤嘉禾
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穿戴式電子產品蓬勃發展如智慧手錶、智慧眼鏡、穿戴式醫療產品、運動管理產品、行動導航產品都是現今科技產業最關注的焦點。而這些穿戴式電子產品由於頻繁地與人體接觸，很容易受到靜電放電(ESD)的衝擊。
此外，這些電子產品所採用的IC大多是使用最先進的半導體製程技術，所使用的元件閘極氧化層很薄且接面很淺，很容易受到ESD的衝擊而造成元件損傷。因此，穿戴式電子產品需要額外的ESD保護元件來提升產品的可靠性。
針對這些穿戴式電子產品所使用的ESD保護元件需符合下列幾項要求：
第一、為符合這類電子產品輕薄小巧、易於攜帶的需求，ESD保護元件的尺寸必須夠小，例如0402封裝尺寸，甚至0201封裝尺寸，以達到在PCB設計上兼具高聚集度及高度彈性的優勢。
第二、ESD保護元件的漏電流必須要低。低漏電流才能延長系統電池的續航力，符合穿戴式電子產品的使用需求。通常要求ESD保護元件的漏電流必須小於100nA。
第三、針對高速訊號的應用，ESD保護元件接腳本身的寄生電容必須要小，避免訊號受到干擾。例如使用在天線(antenna)的ESD保護元件，必須考慮到天線所使用的頻段，不同頻段所能夠接受的最小寄生電容值，通常使用在天線的ESD保護元件其寄生電容值必須小於1pF，甚至更低。
第四、ESD保護元件所適用的最大工作電壓及單向或雙向特性的選擇，必須考慮訊號上下擺動的最高及最低電壓，避免訊號受到影響。
第五、ESD保護元件本身對ESD衝擊的耐受能力必須要高，最少要能承受IEC 61000-4-2接觸模式8kV的ESD轟擊。
第六、也是最重要的，ESD保護元件在ESD事件發生期間所提供的箝制電壓(clamping voltage)必須要夠低，除了提供受保護電路免於遭受靜電放電的衝擊而造成永久的損傷，還要能確保訊號傳輸不會受到ESD的干擾。
晶焱科技擁有先進的ESD防護設計技術，針對穿戴式電子產品，利用自有專利技術設計提供最完整的ESD解決方案。除了0402與0201單通道的ESD保護元件，更推出一系列0402雙通道的ESD保護元件，如表一所列。
其中0402 DFN封裝大小僅有 1.0mmx0.6mm，厚度只有0.5mm高；0201 DFN封裝大小更是僅有0.6mmx0.3mm，厚度只有0.3mm高，可以滿足穿戴式電子產品輕薄小巧對於元件封裝的嚴苛要求。
如此細小的封裝尺寸，更可以整合到系統模組，作為系統ESD的防護將更具彈性。值得一提的是，0402雙通道的ESD保護元件與兩顆0201單通道的ESD保護元件相比，具有節省PCB空間、降低成本、具較佳ESD保護能力等優勢，為穿戴式電子產品ESD防護較佳的選擇。
針對低漏電流的要求，已開發出極低漏電流的ESD保護元件，其中AZ5365-01F與AZ5765-01F的漏電流小於10nA，在穿戴式電子產品使用上具有極佳的優勢。
針對天線的ESD防護，推出極低電容ESD保護元件，其中AZ5365-01F及AZ4617-01F的寄生電容只有0.4pF，應用於天線的ESD防護，能確保訊號的完整度，不受影響。AZ4617-01F適用於最大工作電壓17V，具極低電容與雙向特性，極適用於NFC(Near Field Communication)應用中的天線保護。
另外，針對高速接口如USB 2.0或是USB 3.0的ESD防護，推出一系列0402雙通道極低電容ESD保護元件，其中AZ5313-02F的電容只有0.35pF，能確保高速訊號的完整度，不受影響。
在ESD耐受能力方面，這系列ESD保護元件都能滿足IEC 61000-4-2接觸模式至少10kV的ESD轟擊，其中AZ5825-01F的ESD耐受度可高達30kV。
在ESD箝制電壓的表現，這系列ESD保護元件擁有最低的ESD箝制電壓，可有效防止訊號受到ESD衝擊所干擾，讓系統有機會通過Class-A的IEC 61000-4-2系統級靜電放電測試。利用傳輸線脈衝系統(TLP)測量具0.35pF極低電容的0402雙通道保護元？AZ5313-02F，如圖一所示。
量測結果等效IEC 61000-4-2接觸模式8kV測試的箝制電壓為9V，為目前業界相同應用產品的最佳表現，能提供系統產品於ESD測試時最佳的防護效果。而針對低電壓的應用，更開發出1.2V的ESD保護元件？AZ6112-01F，具極低的ESD箝制電壓能提供穿戴式電子產品最佳的ESD保護效果。
隨著消費者對電子產品的使用品質要求越來越高，ESD保護元件的箝制電壓以及寄生電容需要設計得越來越低，晶焱科技將持續發展更先進的防護設計技術來滿足這項需求。(本文由晶焱科技設計研發部林昆賢處長提供，尤嘉禾整理)
