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叠层片式ZnO压敏电阻器及其在ESD保护中的应用 雷鸣，成鹏飞，李盛涛 （西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西西安710049） 1引言 ? ?近年来，随着电子产品小型化和多功能化的发展，IC、LSI、VLSI的集成密度和速度大幅度提高，表面贴装技术（SMT）得到广泛应用。与此同时，随着敏感度的不断提高，电路中的半导体芯片在电脉冲冲击下显得越来越脆弱。通过传导和感应进入电子线路的各类电磁噪声、浪涌电流、甚至人体静电放电（ESD）均能使整机产生误动作或损坏半导体元器件[1]。芯片内部的保护电路由于受到芯片空间的限制，无法做得很大，仅能保证芯片和电路板在制造过程中不受ESD损害。然而，实际应用中电子整机产品可能经受的ESD电压等级远远超出片上保护的范围。因此，有必要为芯片安装辅助的片外ESD抑制器件。 ? ?传统的圆片型ZnO压敏电阻器由于尺寸过大、压敏电压过高、响应速度慢、能量耐受能力小等缺点，不能满足新型电子产品ESD保护的要求。叠层片式ZnO压敏电阻器（以下简称MLV）已经开始逐渐取代圆片型压敏电阻器和硅齐纳二极管，成为新型电子产品ESD保护的首选元件。 2MLV的性能特点 ? ?MLV是一种基于ZnO压敏陶瓷材料，采用特殊的制造和处理工艺而制得的高性能电路保护元件，其伏安特性符合I=kVa，能够为受保护电路提供双向瞬态过压保护。 ? ?与传统的圆片型ZnO压敏电阻器相比，MLV具有以下优点： ? ?（1）体积更小? ?1206（3mm×1.5mm）已经成为MLV的标准尺寸，这仅为同类圆片型压敏电阻器和齐纳二极管尺寸的1/4到1/3。0805、0603和0402尺寸标准也将很快得到应用。日本的村田公司和松下公司甚至已分别于1997年和1998年创纪录地推出了0201型MLV[2]。 ? ?（2）能量耐受能力和通流能力更高? ?表1对西门子－松下公司的圆片型和片式压敏电阻器的性能进行了比较。 表1圆片型和片式压敏电阻器的性能比较[3] 项目 ? ? ? ? ? ? ?圆片型 ? ? ? 片式型号 ? ? ? ? ? ? ?CN1812K11G ? S05K11面积/cm2 ? ? ? ? ?0.196 ? ? ? ?0.144压敏电压/V ? ? ? ?18 ? ? ? ? ? 18Imax(8/20μs)/A ? ?100 ? ? ? ? ?800Wmax(2ms)/J ? ? ? 0.3 ? ? ? ? ?1.9 ? ?由表1可见，对于压敏电压相同的圆片型和片式压敏产品，后者的8/20μs脉冲电流峰值和2ms方波能量耐受能力可分别达到前者的8倍和6倍。 ? ?叠层结构带来的可用电极面积增加是使MLV能量耐受能力更高、电流分配更为有效的主要原因。 ? ?如图1所示，在MLV内部，ZnO陶瓷层与金属内电极层呈交替叠加结构，相邻两内电极层与所夹的陶瓷层组成一个单层“压敏电阻器”，这些小的“压敏电阻器”又通过外电极并联在一起，从而大大提高了整片的有效电极面积，使瞬态过电压产生的热量能均匀地耗散在外电极间的整个区域内，从而保证了元件高的能量耐受能力。 ? ?同时，叠层结构使得器件具有类似大电流功率晶体管的外电极电流注入模式，如图2所示，这对于实现其大通流容量同样重要。 ? ?图2MLV外电极及内电极间电流注入模式 ? ?（3）限制电压小，保护性能好? ?压敏电阻器保护性能的好坏主要取决于残压比UC/UB，其中UC为限制电压，UB为压敏电压。由于采用多层结构，当脉冲电流峰值I一定时，流过MLV两内电极间的电流仅为I/n(n为内部陶瓷层数)，其UC必然较小。因此，对于UB相同的MLV和圆片式产品，前者的保护性能将显著强于后者。 ? ?（4）响应速度更快、电压过冲小? ?ZnO材料本身的响应速度极快，响应时间小于500ps[4]。传统的圆片式ZnO压敏电阻器的响应速度较慢主要是由其封装和引线带来的寄生电感造成的。MLV由于完全采用表面安装形式，无任何引线和外部封装，几乎是零电感，因此响应时间极短，仅为1ns～5ns，而且电压过冲很小。 ? ?（5）压敏电压易调? ?圆片式ZnO压敏电阻器的压敏电压不仅与材料配方和器件厚度有关，而且受制造工艺影响很大。MLV由于采用并联叠层结构，压敏电压仅与单层介质的厚度有关，而与整片的厚度无关，因此可以在流延工序中通过控制陶瓷层的厚度灵活调整器件的压敏电压。3MLV在ESD保护中的应用 ? ?ESD在日常生活中极为常见。由于其现象极微弱，发生时人们几乎没有觉察，但对于“脆弱“的电子设备却可能是致命的。ESD可以通过电子产品的按键、旋钮、电源、接线端等与内部电路相连通的部分进入产品内部，轻则产生信号扰动，重则可能使电路中某一元件失