中心論題：

• 分析對IC造成ESD的傳遞模式
• 分析IC內(nèi)部的ESD保護電路
• 分析修改應(yīng)用電路來提高ESD保護能力

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提供可靠保護
• 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電路，一些保護電路是內(nèi)置的，一些保護措施則來自具體的應(yīng)用電路。為了正確保護IC，需要考慮以下內(nèi)容：

• 對IC造成ESD的傳遞模式
• IC內(nèi)部的ESD保護電路
• 應(yīng)用電路與Ic內(nèi)部ESD保護的相互配合
• 修改應(yīng)用電路提高IC的ESD保護能力

IC內(nèi)部的ESD保護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，這個電壓源干與IC相連的電容上的儲存電荷。一般不會考慮有上千伏的電壓作用于IC。為了評估傳遞給IC的能量，需要一個模擬放電模型的測試裝置。

ESD測試中一般使用兩種充電模式(圖1)，人體模式(HBM)下將電荷儲存在人體模型(100pF等效電容)中，通過人體皮膚放電(1.5kΩ等效電阻)。機器模式(MM)下將電荷儲存在金屬物體，機器模式中的放電只受內(nèi)部連接電感的限制。

圖1 ESD測試模型

 
以下概念對于評估集成電路內(nèi)部的ESD傳遞非常有用：

• 對于高于標稱電源的電壓來說，IC阻抗較低。
  IESD=VESD／Z ZHBM="1".5kΩ
• 在機器模式下，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損壞的能量相當于微焦級，有外部去耦電容時，這一考慮非常重要：
  E=1／2 C1×V12
• 耗散功率會產(chǎn)生一定熱量，假設(shè)能量經(jīng)過一段較長的時間釋放掉，隨之降低熱量。
  P=E／t

ESD能量傳遞到低阻時可以考慮其電流(點1和2)；對于高阻而言，能量以電壓形式傳遞，為IC的去耦電容充電(3)。對IC造成損壞的典型能量是在不到一個毫秒的時間內(nèi)將微焦級能量釋放到IC(4和5)。

IC內(nèi)部保護電路
標準保護方案是限制到達IC核心電路的電壓和電流。圖1所示保護器件包括：
• ESD二極管：在引腳與電源之間提供一個低阻通道。
• 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沖擊時呈低阻。

ESD二極管
二極管連接在測試引腳和電源之間，為ESD電流提供低阻路徑。

如果對IC進行HBM測試，測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可靠性報告中給出了器件設(shè)計所能承受的ESD測試電壓。

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核電路中受沖擊時呈現(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)的正向偏置會進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電流不會導(dǎo)致二次擊穿。

圖2  ESD二極管電流和電壓波形（測試數(shù)據(jù)）

 
ESD保護和應(yīng)用電路
電源去耦電容會影響鉗位操作，鉗位二極管在低于絕對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，電容相當于一個能源，迅速將能量釋放到IC。

對于一個給定的去耦電容，ESD測試中初始電壓的變化遵循電荷守恒。例如，使用一個0.01μF去耦電容，2kV HBM測試電壓可以達到20V。

V1=VESD×C0／(C0+C1)或20V=2kV×100pF／(100pF+0.01μF)

被保護引腳電容上的能量如圖4所示，對小的去耦電容，鉗位二極管通過進入快恢復(fù)模式限制V1。電容越大，能量越大。

圖3  鉗位操作（測量數(shù)據(jù)）

圖4  能量、電壓與電源去耦電容的對應(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)，對于存在去耦電容的情況，由于電容儲能可能導(dǎo)致某些問題。如果器件在沒有外部電路的情況下進行測試，10V電壓是可以接受的，對器件不會構(gòu)成威脅。

提高ESD保護
使用大尺寸去耦電容有助于提高IC的ESD保護，使用足夠大的電容時，ESD電荷不會打開鉗位二極管。提高電容值實際上是降低了注入到器件的能量，因為C1遠大于C0：

 
C1電容增大兩倍，能量降低一半。

對于高速雙極性IC，HBM測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，鉗位二極管會產(chǎn)生動作，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。當使用更高的測試電壓時，0.05μF電容的尺寸要增大。

實際應(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，通常也會接入一個濾波電感。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提到的機器模式中的電流限制。

 
這為電源濾波器和ESD保護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提供可靠保護。
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
綜上所述，在對器件進行ESD測試時，需要參照IC的可靠性報告，確認二極管、鉗位二極管和傳導(dǎo)路徑適合測試電壓，選擇合適的電源去耦電容。Maxim的ESD保護方案能夠提供高度的可靠性保障，在ESD保護技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。經(jīng)過嚴格測試的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。