中心論題：
- 分析對(duì)IC造成ESD的傳遞模式
- 分析IC內(nèi)部的ESD保護(hù)電路
- 分析修改應(yīng)用電路來(lái)提高ESD保護(hù)能力
解決方案：
- 使用更大的濾波電容，使最大ESD電壓低于IC引腳所能承受的電壓
- 使用小的濾波電容，使得IC鉗位二極管在低能量時(shí)提供可靠保護(hù)
- 提高串聯(lián)電感限制大電容產(chǎn)生的浪涌電流
- 增加外部鉗位二極管，使ESD電壓低于器件所能承受的電壓
概述
集成電路需要抗靜電保護(hù)電路，一些保護(hù)電路是內(nèi)置的，一些保護(hù)措施則來(lái)自具體的應(yīng)用電路。為了正確保護(hù)IC，需要考慮以下內(nèi)容：
- 對(duì)IC造成ESD的傳遞模式
- IC內(nèi)部的ESD保護(hù)電路
- 應(yīng)用電路與Ic內(nèi)部ESD保護(hù)的相互配合
- 修改應(yīng)用電路提高IC的ESD保護(hù)能力
IC內(nèi)部的ESD保護(hù)可以阻止傳遞到芯片內(nèi)部敏感電路的較高能量，內(nèi)部鉗位二極管用于保護(hù)IC免受過壓沖擊。應(yīng)用電路的外部去耦電容可將ESD電壓限制在安全水平。然而，小容量的去耦電容可能影響IC的保護(hù)電路。如果使用小去耦電容，通常需要外部ESD電壓鉗位二極管。
ESD傳遞模式
ESD電平用電壓描述，這個(gè)電壓源干與IC相連的電容上的儲(chǔ)存電荷。一般不會(huì)考慮有上千伏的電壓作用于IC。為了評(píng)估傳遞給IC的能量，需要一個(gè)模擬放電模型的測(cè)試裝置。
ESD測(cè)試中一般使用兩種充電模式(圖1)，人體模式(HBM)下將電荷儲(chǔ)存在人體模型(100pF等效電容)中，通過人體皮膚放電(1.5kΩ等效電阻)。機(jī)器模式(MM)下將電荷儲(chǔ)存在金屬物體，機(jī)器模式中的放電只受內(nèi)部連接電感的限制。
圖1 ESD測(cè)試模型
以下概念對(duì)于評(píng)估集成電路內(nèi)部的ESD傳遞非常有用：
- 對(duì)于高于標(biāo)稱電源的電壓來(lái)說，IC阻抗較低。
IESD=VESD／Z ZHBM="1".5kΩ - 在機(jī)器模式下，電流受特征阻抗(約50Ω )的限制。
ZMM=V／I=L／C0
低阻能量損耗：
E=1／2C0×V2和E=1／2L×I2 - 如果ESD電流主要流入電源去耦電容，施加到IC的電壓由固定電荷量決定：
- 能夠在瞬間導(dǎo)致IC損壞的能量相當(dāng)于微焦級(jí)，有外部去耦電容時(shí)，這一考慮非常重要：
E=1／2 C1×V12 - 耗散功率會(huì)產(chǎn)生一定熱量，假設(shè)能量經(jīng)過一段較長(zhǎng)的時(shí)間釋放掉，隨之降低熱量。
P=E／t
ESD能量傳遞到低阻時(shí)可以考慮其電流(點(diǎn)1和2)；對(duì)于高阻而言，能量以電壓形式傳遞，為IC的去耦電容充電(3)。對(duì)IC造成損壞的典型能量是在不到一個(gè)毫秒的時(shí)間內(nèi)將微焦級(jí)能量釋放到IC(4和5)。
IC內(nèi)部保護(hù)電路
標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)方案是限制到達(dá)IC核心電路的電壓和電流。圖1所示保護(hù)器件包括：
• ESD二極管：在引腳與電源之間提供一個(gè)低阻通道。
• 電源鉗位：連接在電源之間，正常供電條件下不汲取電流，出現(xiàn)ESD沖擊時(shí)呈低阻。
ESD二極管
二極管連接在測(cè)試引腳和電源之間，為ESD電流提供低阻路徑。
如果對(duì)IC進(jìn)行HBM測(cè)試，測(cè)試電路的初始電壓是2kV，ESD電流約為1.33A：
IESD=2kV／1.5kΩ±10％
大電流在ESD二極管和引線上產(chǎn)生I-R壓降，該電壓高于二極管本身的壓降。IC可靠性報(bào)告中給出了器件設(shè)計(jì)所能承受的ESD測(cè)試電壓。
電源鉗位
引腳之間需要為ESD電流提供低阻路徑，包括電源引腳。鉗位電路在正常工作狀態(tài)下呈現(xiàn)為高阻抗。
雙極性IC的鉗位操作類似于在受保護(hù)核電路中受沖擊時(shí)呈現(xiàn)擊穿狀態(tài)，鉗位晶體管的過壓導(dǎo)致集電極-基極之間的雪崩電流，發(fā)射結(jié)的正向偏置會(huì)進(jìn)一步提高集電極電流，導(dǎo)致快恢復(fù)狀態(tài)。
鉗位二極管在IC其它電路遭到破壞之前導(dǎo)通，二極管要有足夠的承受力，保證ESD電流不會(huì)導(dǎo)致二次擊穿。
圖2 ESD二極管電流和電壓波形（測(cè)試數(shù)據(jù)）
ESD保護(hù)和應(yīng)用電路
電源去耦電容會(huì)影響鉗位操作，鉗位二極管在低于絕對(duì)額定電壓的正常供電情況下呈現(xiàn)高阻抗。電荷傳遞到去耦電容可能產(chǎn)生高于IC額定電壓的電平，但還不足以使二極管導(dǎo)通。此時(shí)，電容相當(dāng)于一個(gè)能源，迅速將能量釋放到IC。
對(duì)于一個(gè)給定的去耦電容，ESD測(cè)試中初始電壓的變化遵循電荷守恒。例如，使用一個(gè)0.01μF去耦電容，2kV HBM測(cè)試電壓可以達(dá)到20V。
V1=VESD×C0／(C0+C1)或20V=2kV×100pF／(100pF+0.01μF)
被保護(hù)引腳電容上的能量如圖4所示，對(duì)小的去耦電容，鉗位二極管通過進(jìn)入快恢復(fù)模式限制V1。電容越大，能量越大。
圖3 鉗位操作（測(cè)量數(shù)據(jù)）
圖4 能量、電壓與電源去耦電容的對(duì)應(yīng)關(guān)系
鉗位電壓高于器件所能承受的電壓(典型值6V)，低于二極管的快恢復(fù)電壓(～10V)，對(duì)于存在去耦電容的情況，由于電容儲(chǔ)能可能導(dǎo)致某些問題。如果器件在沒有外部電路的情況下進(jìn)行測(cè)試，10V電壓是可以接受的，對(duì)器件不會(huì)構(gòu)成威脅。
提高ESD保護(hù)
使用大尺寸去耦電容有助于提高IC的ESD保護(hù)，使用足夠大的電容時(shí)，ESD電荷不會(huì)打開鉗位二極管。提高電容值實(shí)際上是降低了注入到器件的能量，因?yàn)镃1遠(yuǎn)大于C0：
C1電容增大兩倍，能量降低一半。
對(duì)于高速雙極性IC，HBM測(cè)試中吸收的最大能量是lμJ；2kV人體模式中，如果電容小于0.02μF，鉗位二極管會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作，如圖4所示。為了使去耦電容的能量低于lμJ，去耦電容有兩種選擇：要么容值大于0.05μF，要么小于0.005μF。當(dāng)使用更高的測(cè)試電壓時(shí)，0.05μF電容的尺寸要增大。
實(shí)際應(yīng)用中，通常不允許使用更大的電容。浪涌電流的要求會(huì)限制電容尺寸。如果不控制電壓擺率，唯一限制浪涌電流的途徑就是限制去耦電容的尺寸。
IIN=C1×dV／dT
去耦電容與電源間的引線總是存在一定量的電感，通常也會(huì)接入一個(gè)濾波電感。這種配置下，最大浪涌電流取決于濾波電感與去耦電容的特征阻抗，類似于圖2提到的機(jī)器模式中的電流限制。
這為電源濾波器和ESD保護(hù)方案的折中提供了靈活性。
可選方案有：
使用更大的濾波電容，使最大ESD電壓低于IC引腳所能承受的電壓。
使用小的濾波電容，使得IC鉗位二極管在低能量時(shí)提供可靠保護(hù)。
提高串聯(lián)電感限制大電容產(chǎn)生的浪涌電流。
增加外部鉗位二極管，使ESD電壓低于器件所能承受的電壓。
結(jié)語(yǔ)
綜上所述，在對(duì)器件進(jìn)行ESD測(cè)試時(shí)，需要參照IC的可靠性報(bào)告，確認(rèn)二極管、鉗位二極管和傳導(dǎo)路徑適合測(cè)試電壓，選擇合適的電源去耦電容。Maxim的ESD保護(hù)方案能夠提供高度的可靠性保障，在ESD保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試的ESD產(chǎn)品能夠承受±15kV人體模式、IEC1000-4-2氣隙放電模式和±8kV IEC1000-4-2接觸放電模式的沖擊。
