0 引言

    攝像頭的主要組成部分是鏡頭、濾色片,、音圈馬達,、馬達驅(qū)動、圖像傳感器,。圖像傳感器和音圈馬達驅(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的焊點都直接和CMOS器件,，如圖像傳感器和馬達驅(qū)動芯片連接，屬于ESD的敏感區(qū),。模組的鏡頭馬達端面和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),。

    馬達驅(qū)動芯片的ESD保護十分重要，為了保護馬達驅(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小（人體靜電存儲只有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,，可以比較準確地知道攝像頭模組的抗ESD能力。在進行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

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