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(dòng)、圖像傳感器。圖像傳感器和音圈馬達(dá)驅(qū)動(dòng)都是CMOS半導(dǎo)體器件，屬于ESD敏感器件，如果欠保護(hù)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(jiàn)的表現(xiàn)為不能預(yù)覽、馬達(dá)不對(duì)焦、I²C通信失敗，發(fā)熱異常等。研究手機(jī)攝像頭的ESD保護(hù)設(shè)計(jì)方法、ESD失效分析方法和ESD測(cè)試仿真方法對(duì)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(wèn)題。

1 攝像頭模組的ESD保護(hù)設(shè)計(jì)

1.1 ESD產(chǎn)生和定義

    自然界中的物質(zhì)，可經(jīng)由某種過(guò)程而獲得或失去電子(例如摩擦或感應(yīng)起電)，這類(lèi)的電荷即稱(chēng)為靜電。當(dāng)這些正電荷或是負(fù)電荷逐漸累積時(shí)，會(huì)與周?chē)h(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(chēng)此為靜電放電現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱(chēng)為ESD。

    ESD保護(hù)要求迅速泄放靜電的能力，在靜電泄放過(guò)程中保護(hù)結(jié)構(gòu)不會(huì)被損傷，ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有較大的功率承受能力，這是ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)最基本的要求，放電速度應(yīng)足夠快，否則會(huì)造成內(nèi)部電路受到損傷。電路正常工作狀態(tài)下，ESD保護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)在觸發(fā)時(shí)通過(guò)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(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)^[1]。通用的ESD保護(hù)設(shè)計(jì)主要可以分解為電子和結(jié)構(gòu)兩個(gè)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(hù)設(shè)計(jì)

    根據(jù)攝像頭模組的結(jié)構(gòu)，必須對(duì)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(wèn)題的重點(diǎn)，無(wú)法正確破解ESD問(wèn)題。模組的連接器引腳和音圈馬達(dá)的焊點(diǎn)都直接和CMOS器件，如圖像傳感器和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(gè)模組ESD敏感區(qū)強(qiáng)弱分布，則還要對(duì)中間未定義的區(qū)域進(jìn)行劃分。圖1展示了手機(jī)攝像頭的幾個(gè)ESD敏感區(qū)域。

1.3 攝像頭模組電子方面的ESD保護(hù)設(shè)計(jì)

1.3.1 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)芯片的ESD保護(hù)設(shè)計(jì)

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

    馬達(dá)驅(qū)動(dòng)芯片的ESD保護(hù)十分重要，為了保護(hù)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)芯片，一般可以通過(guò)增加高頻電容提高模組驅(qū)動(dòng)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(hù)設(shè)計(jì)圖

    SDA引腳是集電極開(kāi)路門(mén)結(jié)構(gòu)，在上拉方向沒(méi)有保護(hù)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(duì)靜電非常敏感，如圖4所示。

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

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

2 人體放電模型研究（HBM）

    手機(jī)攝像頭模組生產(chǎn)出來(lái)以后，需要做各種可靠性實(shí)驗(yàn)。為了測(cè)試攝像頭的抗靜電能力，實(shí)驗(yàn)室模擬人體靜電釋放模型的放電波形，此靜電強(qiáng)度與人體靜電釋放強(qiáng)度十分接近，這樣通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(cè)試中使用最廣泛的模型，該模型模擬人體接觸電子器件時(shí)產(chǎn)生的放電現(xiàn)象，如圖5所示。首先建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的等效電路，如圖6所示,另外還需要建立必要的測(cè)試方法來(lái)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(gè)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(shí)間函數(shù)。具體的推導(dǎo)方式如下：

    建立仿真模型時(shí)，需要對(duì)各個(gè)元器件進(jìn)行初始化參數(shù)設(shè)定。其中對(duì)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小（人體靜電存儲(chǔ)只有100 pF）,電壓和電流卻非常高，但維持時(shí)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(guò)各種人為的方法來(lái)疏導(dǎo)或阻止靜電釋放，從而有效地保護(hù)攝像頭模組免受靜電損壞。

3 靜電釋放的波形仿真和實(shí)驗(yàn)

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

    通過(guò)對(duì)比目標(biāo)(圖11)和實(shí)際(圖12)的ESD放電波形，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際的ESD波形會(huì)有劣化的現(xiàn)象。這時(shí)，如果繼續(xù)以這種劣化的波形來(lái)進(jìn)行模組ESD，無(wú)法得到正確的結(jié)果。必須要重新檢查靜電槍?zhuān)瑴y(cè)試平臺(tái)和測(cè)試治具，直到目標(biāo)和實(shí)際的ESD波形一致。

4 結(jié)論

    攝像頭模組設(shè)計(jì)人員通過(guò)改善電路設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)ESD可靠性測(cè)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(cè)試之前，必須對(duì)ESD目標(biāo)和實(shí)際波形做對(duì)比，只有一致時(shí)才能得到正確的ESD測(cè)試結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

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