基于高分子電壓誘導(dǎo)變阻膜的全PCB抗脈沖防護(hù)

劉 輝 吳豐順 武占成 龔德權(quán) 王 晶 胡元偉 馬浩軒

（1.華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國(guó)航天五院五一四所 院士專家工作站，北京 100086；3.武漢芯寶科技有限公司，湖北 武漢 430043）

0 引言

靜電放電（electro static discharge，ESD）是一種常見的近場(chǎng)危害源，可形成高壓強(qiáng)電場(chǎng)、瞬間大電流，并伴有強(qiáng)電磁輻射，形成靜電放電電磁脈沖。隨著電子器件封裝集成度的不斷提高，許多靜電敏感元器件的耐壓閾值并不高［1］，容易受到ESD 影響而導(dǎo)致失效。因此，需要對(duì)電子器件進(jìn)行ESD防護(hù)以減少損失。

對(duì)電子電路的 ESD 及電磁脈沖（electromagnetic pulse，EMP），目前普遍采用瞬態(tài)電壓抑制器（transient voltage suppressor，TVS）、壓敏電阻等分立器件對(duì)集成電路等敏感元件的引腳進(jìn)行一對(duì)一的保護(hù)［2］。King等［3］采用并聯(lián)電容和并聯(lián)齊納二極管的方法來實(shí)現(xiàn)ESD 的防護(hù)，發(fā)現(xiàn)1 μF 電容和14 V 齊納二極管均可對(duì)半導(dǎo)體橋起到ESD防護(hù)的效果；Lü等［4］研究了壓敏電阻、TVS對(duì)電爆裝置在人體高壓模型下的靜電防護(hù)效果，發(fā)現(xiàn)只有瞬態(tài)二極管（transient voltage suppressor，TVS）可提供有效的ESD 保護(hù)，使電爆裝置在50 kV 高壓下不被擊穿；De Conti 等［5］發(fā)現(xiàn)GDNMOS 薄膜和GDBIMOS 器件具有良好的電性能（觸發(fā)電壓、漏電流等），可用于高壓ESD防護(hù)。

本文介紹的全電路板抗脈沖防護(hù)方案，是以“疏導(dǎo)”的方式將電磁脈沖產(chǎn)生的能量在還不足以對(duì)電路系統(tǒng)產(chǎn)生危害前引導(dǎo)至能量吸收點(diǎn)，并將其對(duì)地釋放，從而使電子電路及其脈沖敏感元件得到保護(hù)。

1 電子電路全系統(tǒng)抗脈沖防護(hù)啟動(dòng)電壓的設(shè)置

ESD 是在納秒量級(jí)的時(shí)間內(nèi)完成的，峰值電流可達(dá)幾十安培，瞬間功率十分巨大，產(chǎn)生的強(qiáng)電磁輻射可以感應(yīng)出幾百伏乃至上千伏的電勢(shì)。

電磁脈沖彈引爆時(shí)，其電磁場(chǎng)將以光速到達(dá)場(chǎng)源覆蓋區(qū)域的電子裝備上的各個(gè)線路及元器件，根據(jù)GJB 1571A-97-RS105 關(guān)于脈沖波形的定義，在各線段上可感應(yīng)（50 000 V/100）×L（線段長(zhǎng)度，cm）的高壓電勢(shì)。當(dāng)感應(yīng)電壓高于元件的承受能力時(shí)，元件或線段就會(huì)被擊毀。如果在電路中的每一條線段上加裝一個(gè)適當(dāng)?shù)目姑}沖元件，形成保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，將高壓信號(hào)通過抗脈沖元件對(duì)地釋放，則電子電路就可以具備對(duì)電磁脈沖攻擊的防護(hù)能力。

2 常用脈沖高壓保護(hù)元件的電壓抑制特性

對(duì)集成電路而言，由于集成電路連接線及內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的信號(hào)延時(shí)在μs 數(shù)量級(jí)，在選擇或制造保護(hù)元件時(shí)，其開關(guān)速度（響應(yīng)時(shí)間）是最重要的因素，通常需要把啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間控制在5 ns以下，把電壓限幅響應(yīng)時(shí)間控制在10 ns以內(nèi)。為了獲取保護(hù)元件對(duì)脈沖的響應(yīng)信息，采用了傳輸線脈沖（transmission line pulse，TLP）測(cè)試技術(shù)［6］。TLP測(cè)試原理及測(cè)試電路如圖1所示。

圖1 傳輸線脈沖測(cè)試原理及集成電路

進(jìn)行電路測(cè)試時(shí)，外加脈沖信號(hào)源的脈沖寬度50 ns，脈沖電壓500 V；測(cè)試電路中集成電路引腳P1的連接線和內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的延時(shí)約為1 μs。對(duì)幾種元件進(jìn)行TLP 測(cè)試和性能對(duì)比，可以看出TVS 反應(yīng)靈敏，開關(guān)響應(yīng)時(shí)間在1 ns 內(nèi)將高壓脈沖吸收，放電速度也很快，從而保護(hù)集成電路等ESD、EMP敏感元件。

而測(cè)試電路中壓敏電阻作為保護(hù)器件的電壓響應(yīng)曲線顯示，壓敏電阻對(duì)高壓脈沖雖有鉗位作用，但其響應(yīng)速率較慢，鉗位曲線平緩，限幅響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)大于10 ns，不太適用于集成電路抗高壓脈沖的場(chǎng)合。

在測(cè)試電路中，從高分子材料PESD 放電元件（Littelfuse PGB10603）的電壓響應(yīng)曲線可以看出，其開關(guān)響應(yīng)時(shí)間略大于TVS管，為5 ns左右，限幅響應(yīng)時(shí)間小于10 ns，可在30 ns內(nèi)將高壓脈沖能量吸收釋放完畢，使高電壓迅速趨向于0，適合應(yīng)用于抗脈沖防護(hù)的場(chǎng)合。

以上單體元件最大的不足是它們只能安裝在電路板的表面，為電路中需要保護(hù)的元器件引腳進(jìn)行一對(duì)一的保護(hù)。而如果PCB 中需要抗高壓脈沖的點(diǎn)很多，采用單體元件來保護(hù)則會(huì)占用大量板面面積。

3 高分子復(fù)合納米電壓誘導(dǎo)變阻薄膜的制備和性能測(cè)試

上述采用多個(gè)分離器件進(jìn)行ESD、EMP 防護(hù)的方法占用了大量的PCB 表面積，這已成為電子產(chǎn)品微型化和進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸問題。為達(dá)到電子電路高壓脈沖全防護(hù)的目的，理想的方式是利用電子電路載體PCB，在PCB 內(nèi)層制作基于電壓誘導(dǎo)變阻膜的高壓脈沖吸收網(wǎng)絡(luò)。這種薄膜在通常情況下是絕緣體，當(dāng)有一個(gè)異常高壓脈沖出現(xiàn)時(shí)，它會(huì)變?yōu)閷?dǎo)體；當(dāng)這個(gè)電壓過后，它又恢復(fù)至絕緣狀態(tài)，即膜相當(dāng)于是由電壓控制的開關(guān)。

3.1 電壓誘導(dǎo)變阻膜制備

電壓誘導(dǎo)變阻膜需要雙面覆銅，制作成芯板結(jié)構(gòu)，然后經(jīng)刻蝕、層壓等PCB 制作工藝，成為PCB組成部分。電壓誘導(dǎo)變阻膜的制作工藝如下。

（1）材料。聚胺脂、環(huán)氧樹脂、聚酰胺樹脂、石墨烯、納米銅粉、鐵氧體粉末、氧化鋅等。

（2）導(dǎo)電粒子活化和純化預(yù)制。選取不同粒徑的銅粉或氧化鐵粉及粒徑8 μm 的球形銅粉，分別加入盛有純凈水的玻璃杯中，邊攪拌邊滲入濃度為90%的H2SO4，攪拌機(jī)調(diào)至120 r/min，60 min后濾出、洗凈、烘干，得到活化的導(dǎo)電粒子；然后將已活化的導(dǎo)電粒子放入純化液中浸潤(rùn)72 h 后濾出，獲得被活化和純化的粒徑小于1 μm 的片狀銅粉，或氧化鐵粉及圓珠顆粒導(dǎo)電粒子。

（3）純化液的制取。玻璃杯中加入200 mL 工業(yè)乙醇，然后投入50 g 生物蝦黃粉末，玻璃杯置升溫爐上，溫度調(diào)至45 ℃，攪拌8 h 后，將混合液置離心機(jī)，收集甩出的液態(tài)物獲得純化液。

（4）球形銅粉改性。將已純化的100 g 球形銅粉投入盛有300 g工業(yè)乙醇的反應(yīng)釜中，滴入4 g環(huán)氧樹脂，封閉反應(yīng)釜，溫度控制在65 ℃，攪拌調(diào)至120 r/min，3 h 后濾出洗凈烘干，得到表面附著一層約80 nm厚度絕緣膜的改性非導(dǎo)電球形顆粒。

（5）組分制備。A 組分：縮水甘油胺類環(huán)氧樹脂質(zhì)量比40%，環(huán)氧族類環(huán)氧樹脂質(zhì)量比17%，粒徑＜2 nm 的氧化鋅微粉質(zhì)量比7%～25%，經(jīng)改性處理的氧化鐵粉質(zhì)量比4%～13%和片狀銅粉質(zhì)量比4%～13%，片狀石墨烯質(zhì)量比0.3%～1.0%，配制后人工攪拌初步共混，然后將上述配料加入三輥混煉機(jī)充分分散均勻后獲得電壓誘導(dǎo)變阻膜基體材料漿料A 組分。B 組分：將正丁醇、縮水甘油脂類環(huán)氧樹脂、聚酰胺樹脂加入攪拌容器中，攪拌機(jī)開至500 r/min，攪拌2 min，然后將步驟（4）中預(yù)制的粒徑8 μm 已改性處理的圓珠顆粒非導(dǎo)電粒子加入其中，繼續(xù)攪拌10 min 獲電壓誘導(dǎo)變阻膜基體材料漿料B組分。

（6）芯板制備。取出雙組分，按需量1∶1 配比，攪拌均勻后印刷成膜，雙面覆銅固化后將一面刻蝕成能量吸收矩陣層。芯板再按其他生產(chǎn)步驟完成余下的加工，獲得全抗電磁脈沖PCB。

3.2 高分子復(fù)合納米電壓誘導(dǎo)變阻膜的電性能實(shí)際指標(biāo)

對(duì)制備的高分子復(fù)合納米電壓誘導(dǎo)變阻膜［7］進(jìn)行TLP 測(cè)試，測(cè)試波形如圖2 所示，測(cè)試結(jié)果見表1，電壓誘導(dǎo)變阻膜TLP測(cè)試伏安特性曲線如圖3所示。

表1 高分子復(fù)合納米電壓誘導(dǎo)變阻膜性能測(cè)試結(jié)果

圖2 高分子復(fù)合納米電壓誘導(dǎo)變阻膜的傳輸線脈沖測(cè)試曲線

圖3 電壓誘導(dǎo)變阻膜傳輸線脈沖測(cè)試伏安特性曲線

從圖2 可看出，該膜對(duì)脈沖電壓能快速響應(yīng)，限幅響應(yīng)時(shí)間小于10 ns；從圖3 可見，電壓誘導(dǎo)變阻膜任意點(diǎn)的觸發(fā)電壓、鉗位電壓及電流泄放能力對(duì)比高分子材料PESD 放電元件都有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，這種高分子復(fù)合納米電壓誘導(dǎo)變阻膜具備制作脈沖高壓全防護(hù)PCB理想的電性能。

4 抗高壓脈沖電路板的保護(hù)原理及應(yīng)用

4.1 保護(hù)原理

普通電路板和有內(nèi)部保護(hù)單元的電路板如圖4所示。

圖4 普通電路板和有內(nèi)部保護(hù)單元的電路板

圖4（a）中，未加防護(hù)的普通電路板銅導(dǎo)線在強(qiáng)電磁脈沖（如電磁脈沖彈爆炸瞬間釋放的強(qiáng)電磁暴）作用下，瞬時(shí)在每厘米覆銅線上可感應(yīng)500 V 以上的高壓［8］，如果沒有保護(hù)元件吸收，這個(gè)高壓也將會(huì)直接作用在PCB 的元器件上，導(dǎo)致器件損壞。未加防護(hù)的PCB，其元器件除受EMP 的影響外，還受ESD 的作用。ESD 具有高電壓、低電量、大電流和作用時(shí)間短的特點(diǎn)，靜電荷產(chǎn)生方式有摩擦充電、離子充電、直接充電或電場(chǎng)感應(yīng)充電等［9］。人體靜電可達(dá)2～15 kV，在電子設(shè)備的運(yùn)輸、使用、維修全壽命過程中，可能通過接口電路觸碰到設(shè)備內(nèi)的線路，將人體高壓靜電傳遞給電路，如果沒有防護(hù)，這將直接造成該線路的敏感元件損壞。

常用的EMP 防護(hù)措施主要有屏蔽、接地、濾波、加防護(hù)器件。而加防護(hù)器件是目前應(yīng)用比較廣泛、效果比較明顯的一種防護(hù)措施，也是抗EMP 加固研究的主要手段［10］。圖4（b）中加裝了由電壓誘導(dǎo)變阻膜制備的保護(hù)單元S，PCB上的每一條覆銅線都在電路板內(nèi)部與一個(gè)保護(hù)單元S正面相連，保護(hù)單元S反面接地。

當(dāng)電磁脈沖感應(yīng)作用在圖4（b）中的任意一條覆銅線時(shí)，每條線段兩端會(huì)瞬間感應(yīng)（50 000 V/100）×L的高壓電勢(shì)，若線長(zhǎng)為3 cm，則瞬間電勢(shì)U高達(dá)1 500 V；該電勢(shì)U會(huì)在5 ns 時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)各線段對(duì)應(yīng)的保護(hù)單元S。在這個(gè)脈沖持續(xù)過程中，保護(hù)單元S將一直保持開啟狀態(tài)，直至整個(gè)電磁脈沖過程結(jié)束，保護(hù)單元S才恢復(fù)關(guān)閉狀態(tài)。由于保護(hù)單元S對(duì)高壓脈沖的響應(yīng)非常快（＜5 ns），而敏感元器件引腳電壓升高到損壞電壓的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)（內(nèi)部阻容延時(shí)），因此，在敏感元器件引腳電壓升高到損壞電壓前，保護(hù)元件S開通，使敏感元器件引腳電壓得到鉗位，從而保護(hù)敏感元件。

當(dāng)人體觸碰到圖4（b）中的任何一條線段時(shí)，靜電都會(huì)傳導(dǎo)給該線段。而保護(hù)單元S（保護(hù)單元S為電壓誘導(dǎo)變阻膜）的啟動(dòng)電壓小于500 V，開關(guān)響應(yīng)時(shí)間小于5 ns，限幅響應(yīng)時(shí)間小于10 ns，鉗位電壓小于65 V，在PCB 上的集成電路等電壓元器件尚未對(duì)高壓脈沖產(chǎn)生反應(yīng)時(shí)，保護(hù)單元S即可將這個(gè)有害脈沖吸收泄放掉。因此，圖4（b）中任一條覆銅線無論是接觸到靜電電壓還是感應(yīng)到電磁脈沖高壓，這個(gè)高壓均會(huì)被保護(hù)單元S吸收掉，從而使線上的元件免受高壓脈沖傷害。

4.2 實(shí)際應(yīng)用

一種全抗高壓脈沖電路板實(shí)物如圖5 所示，該電路板上所有需要進(jìn)行高壓脈沖防護(hù)的線段有109 條，在這塊電路板夾層中對(duì)109 條線段都設(shè)置有背景防護(hù)點(diǎn)S，構(gòu)成S1～S109的高壓脈沖泄放網(wǎng)絡(luò)。該電路板的每個(gè)Cu 線段都有ESD 和EMP 防護(hù)能力。

圖5 一種全抗高壓脈沖保護(hù)電路板實(shí)物（4.0 cm×7.5 cm）

將該板的線段區(qū)分為7 大區(qū)域，然后對(duì)各區(qū)域線段分別進(jìn)行了ESD 多項(xiàng)指標(biāo)測(cè)量以及抗ESD能力測(cè)量，電性能見表2。從測(cè)試結(jié)果看，該P(yáng)CB的每一條非接地覆銅線對(duì)ESD 脈沖都具有完全的防護(hù)能力。

表2 全抗脈沖電路板對(duì)ESD的防護(hù)實(shí)測(cè)結(jié)果

鉗位電壓測(cè)試：方波發(fā)生器試驗(yàn)電壓設(shè)置為1 kV，脈沖寬度100 ns，示波器記錄鉗位電壓波形。

人體模型（human body model，HBM）放電測(cè)試：放電電壓設(shè)置為±4 kV，放電間隔1 s，正負(fù)電壓各測(cè)試3次。

在抗EMP 能力方面，全抗脈沖電路板采用電壓誘導(dǎo)變阻膜，其電流泄放能力超過50 A；二次擊穿電流達(dá)53.9 A，等效計(jì)算的抗瞬變脈沖感應(yīng)電壓能力可達(dá)80 kV。

5 結(jié)語

本文介紹了一種利用高分子電壓誘導(dǎo)變阻膜來實(shí)現(xiàn)全電路板抗脈沖防護(hù)的方法。所用高分子誘導(dǎo)變阻膜由高分子基體材料和分散在其中的納米導(dǎo)電填料組成，由電壓誘導(dǎo)變阻膜制成芯板，在PCB夾層中構(gòu)建ESD和EMP防護(hù)背景網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)PCB 對(duì)瞬變脈沖的全電路防護(hù)。相較于普通PCB，全抗脈沖PCB 在受到高壓脈沖時(shí)，保護(hù)單元能快速將這部分能量泄放掉，提升了其抗脈沖能力。利用高分子電壓誘導(dǎo)變阻膜在夾層中構(gòu)建防護(hù)網(wǎng)，在不占用PCB 表面積情況下可降低生產(chǎn)成本。