0 引言

    攝像頭的主要組成部分是鏡頭、濾色片、音圈馬達(dá)、馬達(dá)驅(qū)動、圖像傳感器。圖像傳感器和音圈馬達(dá)驅(qū)動都是CMOS半導(dǎo)體器件，屬于ESD敏感器件，如果欠保護或操作不當(dāng)很容易被靜電擊穿，從而導(dǎo)致攝像頭功能失效，常見的表現(xiàn)為不能預(yù)覽、馬達(dá)不對焦、I²C通信失敗，發(fā)熱異常等。研究手機攝像頭的ESD保護設(shè)計方法、ESD失效分析方法和ESD測試仿真方法對本行業(yè)的技術(shù)人員十分重要，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，解決各種疑難問題。

1 攝像頭模組的ESD保護設(shè)計

1.1 ESD產(chǎn)生和定義

    自然界中的物質(zhì)，可經(jīng)由某種過程而獲得或失去電子(例如摩擦或感應(yīng)起電)，這類的電荷即稱為靜電。當(dāng)這些正電荷或是負(fù)電荷逐漸累積時，會與周圍環(huán)境產(chǎn)生電位差，電荷若是經(jīng)由放電路徑而產(chǎn)生在不同電位之間移轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即稱此為靜電放電現(xiàn)象，簡稱為ESD。

    ESD保護要求迅速泄放靜電的能力，在靜電泄放過程中保護結(jié)構(gòu)不會被損傷，ESD保護結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有較大的功率承受能力，這是ESD保護結(jié)構(gòu)最基本的要求，放電速度應(yīng)足夠快，否則會造成內(nèi)部電路受到損傷。電路正常工作狀態(tài)下，ESD保護結(jié)構(gòu)必須處于截止?fàn)顟B(tài)，不能影響電路的性能;由于ESD保護結(jié)構(gòu)在觸發(fā)時通過的電流很大，容易觸發(fā)閂鎖效應(yīng)，比較常用的方法是采用保護環(huán)結(jié)構(gòu)^[1]。通用的ESD保護設(shè)計主要可以分解為電子和結(jié)構(gòu)兩個方面，經(jīng)常需要綜合考慮。

1.2 攝像頭模組結(jié)構(gòu)方面的ESD保護設(shè)計

    根據(jù)攝像頭模組的結(jié)構(gòu)，必須對模組的區(qū)域分別考慮,這樣有利于全面地分析模組的抗ESD能力，否則抓不住問題的重點，無法正確破解ESD問題。模組的連接器引腳和音圈馬達(dá)的焊點都直接和CMOS器件，如圖像傳感器和馬達(dá)驅(qū)動芯片連接，屬于ESD的敏感區(qū)。模組的鏡頭馬達(dá)端面和FPC背部大面積覆地區(qū)都屬于非ESD敏感區(qū)。如果需要更深入地分析整個模組ESD敏感區(qū)強弱分布，則還要對中間未定義的區(qū)域進(jìn)行劃分。圖1展示了手機攝像頭的幾個ESD敏感區(qū)域。

1.3 攝像頭模組電子方面的ESD保護設(shè)計

1.3.1 馬達(dá)驅(qū)動芯片的ESD保護設(shè)計

    如圖2所示，當(dāng)ESD加到IOUT引腳時，它會通過ESD保護二極管(正常路徑A)。若加入到ESD保護二極管的電壓超過允許的范圍值(6 kV~7 kV)就會發(fā)生擊穿，并破壞IOUT引腳(異常路徑B)。

    馬達(dá)驅(qū)動芯片的ESD保護十分重要，為了保護馬達(dá)驅(qū)動芯片，一般可以通過增加高頻電容提高模組驅(qū)動芯片的抗ESD能力，如圖3所示。

1.3.2 圖像傳感器芯片的ESD保護設(shè)計圖

    SDA引腳是集電極開路門結(jié)構(gòu)，在上拉方向沒有保護電路。（為了與其他的I2C器件共用總線，I2C的SDA必須保持高電平，不能被拉低。）ESD沖擊波只能從單路釋放，所以對靜電非常敏感，如圖4所示。

    為了有效地保護模組的I²C接口，在SCL和SDA兩個引腳串入保護電阻Rs可以防止靜電擊穿。

    手機攝像頭模組基本上發(fā)送命令都需要通過I2C，一旦I²C接口失效，主機就沒有辦法與模組通信。

2 人體放電模型研究（HBM）

    手機攝像頭模組生產(chǎn)出來以后，需要做各種可靠性實驗。為了測試攝像頭的抗靜電能力，實驗室模擬人體靜電釋放模型的放電波形，此靜電強度與人體靜電釋放強度十分接近，這樣通過實驗可以準(zhǔn)確地知道攝像頭模組的抗靜電能力。

2.1 HBM模型定義

    HBM(Human Body Model)是ESD測試中使用最廣泛的模型，該模型模擬人體接觸電子器件時產(chǎn)生的放電現(xiàn)象，如圖5所示。首先建立了一個簡單的等效電路，如圖6所示,另外還需要建立必要的測試方法來做人體靜電釋放事件的再現(xiàn)。

2.2 HBM模型的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和波形仿真

    HBM模型是一個典型的RC放電模型，如圖7所示，可以使用經(jīng)典微積分方法推導(dǎo)出電壓和電流的時間函數(shù)。具體的推導(dǎo)方式如下：

    建立仿真模型時，需要對各個元器件進(jìn)行初始化參數(shù)設(shè)定。其中對電容元件的初始化設(shè)定比較重要。仿真波形主要分為電壓波形和電流波形。

    從圖8的電流波形和圖9的電壓波形圖中可以看到，靜電釋放在200 ns完成，主要原因是人體靜電的能量非常?。ㄈ梭w靜電存儲只有100 pF）,電壓和電流卻非常高，但維持時間卻非常小，這就是靜電釋放的基本特性。了解了人體靜電釋放的這些基本特性，就可以通過各種人為的方法來疏導(dǎo)或阻止靜電釋放，從而有效地保護攝像頭模組免受靜電損壞。

3 靜電釋放的波形仿真和實驗

    由于ESD發(fā)生器、靜電測試工作臺、測試手段和測試設(shè)備的差異，實際的ESD測試波形與仿真的ESD波形存在差異，認(rèn)識波形的差異有助于了解ESD實際與理想情況的不同之處?？梢酝ㄟ^圖10所示的框架來測量。

    通過對比目標(biāo)(圖11)和實際(圖12)的ESD放電波形，可以發(fā)現(xiàn)實際的ESD波形會有劣化的現(xiàn)象。這時，如果繼續(xù)以這種劣化的波形來進(jìn)行模組ESD，無法得到正確的結(jié)果。必須要重新檢查靜電槍，測試平臺和測試治具，直到目標(biāo)和實際的ESD波形一致。

4 結(jié)論

    攝像頭模組設(shè)計人員通過改善電路設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計可以有效地提高攝像頭模組的抗ESD能力。模組制完成后，通過ESD可靠性測試，可以比較準(zhǔn)確地知道攝像頭模組的抗ESD能力。在進(jìn)行ESD測試之前，必須對ESD目標(biāo)和實際波形做對比，只有一致時才能得到正確的ESD測試結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭若成，劉澄淇.ESD保護結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].電子與封裝，2009(9)：28-30.

[2] 薛同澤，沙占友，崔博.人體靜電放電(ESD)及保護電路的設(shè)計[J].電子設(shè)計，2007(05Z)：303-304.

[3] 彭圻平，阮軍洲，劉永恩.電子設(shè)備中的ESD保護設(shè)計[J].無線電工程，2013(6)：61-64.

[4] 劉暢.智能手機的ESD損傷與防護[J].湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2013，13(3)：4-6.

[5] 周子昂，姚遙，徐坤，等.基于CMOS多功能數(shù)字芯片的ESD保護電路設(shè)計[J].電子科技，2012，25(4)：57-59.