攝像頭模組ESD保護模型分析與電路設計

俞曉東 ，萬國春

（1.同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804；2.寧波舜宇光電信息有限公司，浙江 余姚 315400）

0 引言

攝像頭的主要組成部分是鏡頭、濾色片、音圈馬達、馬達驅動、圖像傳感器。圖像傳感器和音圈馬達驅動都是CMOS半導體器件，屬于ESD敏感器件，如果欠保護或操作不當很容易被靜電擊穿，從而導致攝像頭功能失效，常見的表現為不能預覽、馬達不對焦、I2C通信失敗，發熱異常等。研究手機攝像頭的ESD保護設計方法、ESD失效分析方法和ESD測試仿真方法對本行業的技術人員十分重要，有利于提高產品質量，解決各種疑難問題。

1 攝像頭模組的ESD保護設計

1.1 ESD產生和定義

自然界中的物質，可經由某種過程而獲得或失去電子(例如摩擦或感應起電)，這類的電荷即稱為靜電。當這些正電荷或是負電荷逐漸累積時，會與周圍環境產生電位差，電荷若是經由放電路徑而產生在不同電位之間移轉現象，即稱此為靜電放電現象，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構不會被損傷，ESD保護結構應該具有較大的功率承受能力，這是ESD保護結構最基本的要求，放電速度應足夠快，否則會造成內部電路受到損傷。電路正常工作狀態下，ESD保護結構必須處于截止狀態，不能影響電路的性能;由于ESD保護結構在觸發時通過的電流很大，容易觸發閂鎖效應，比較常用的方法是采用保護環結構[1]。通用的ESD保護設計主要可以分解為電子和結構兩個方面，經常需要綜合考慮。

1.2 攝像頭模組結構方面的ESD保護設計

根據攝像頭模組的結構，必須對模組的區域分別考慮,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動芯片連接，屬于ESD的敏感區。模組的鏡頭馬達端面和FPC背部大面積覆地區都屬于非ESD敏感區。如果需要更深入地分析整個模組ESD敏感區強弱分布，則還要對中間未定義的區域進行劃分。圖1展示了手機攝像頭的幾個ESD敏感區域。

圖1 攝像頭模組的ESD敏感區分布

1.3 攝像頭模組電子方面的ESD保護設計

1.3.1 馬達驅動芯片的ESD保護設計

如圖2所示，當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)就會發生擊穿，并破壞IOUT引腳(異常路徑 B)。

圖2 攝像頭模組的馬達驅動芯片ESD損壞原理圖

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

圖3 DW9714A的電路ESD保護改進示意圖

1.3.2 圖像傳感器芯片的ESD保護設計圖

SDA引腳是集電極開路門結構，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。

圖4 并口IO引腳和SDA引腳的等效電路示意圖

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生的放電現象，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。

圖5 人體靜電模型

圖6 HBM充電和放電等效電路

2.2 HBM模型的數學推導和波形仿真

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

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

圖7 靜電釋放仿真電路圖

圖8 電流波形

圖9 電壓波形

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發生器、靜電測試工作臺、測試手段和測試設備的差異，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。

圖10 靜電釋放測量系統搭建

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

4 結論

圖11 目標的ESD放電波形

圖12 實際的ESD放電波形

攝像頭模組設計人員通過改善電路設計和結構設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目標和實際波形做對比，只有一致時才能得到正確的ESD測試結果。

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