電路設(shè)計(jì)中如何防范ESD

來源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器和PDA等手持設(shè)備的設(shè)計(jì)工程師，正不斷地面臨著在降低整個(gè)系統(tǒng)成本的同時(shí)、又要以更小的體積提供更多功能的挑戰(zhàn)。集成電路設(shè)計(jì)工程師通過在減少硅片空間大小的同時(shí)提高設(shè)備的速度和性能，以此來推動(dòng)這一趨勢。

為了使功能和芯片體積得到優(yōu)化，IC設(shè)計(jì)工程師要不斷地在他們的設(shè)計(jì)中使功能尺寸最小化。然而，要付出什么代價(jià)呢?IC功能尺寸的減少使得器件更易受到ESD電壓的損害。這種趨勢對終端產(chǎn)品的可靠性會產(chǎn)生不利的影響，并且會增加故障的可能性。因此，手持設(shè)備的設(shè)計(jì)工程師就要面對找到一種具有成本效益的ESD解決方案的挑戰(zhàn)，這種方案能把電壓箝位到更低水平，以便使那些采用了對ESD越來越敏感的IC的終端產(chǎn)品保持高可靠性。

ESD波形

以系統(tǒng)級的方法來定義典型的ESD事件所采用的最常見的波形，是以其亞納秒上升時(shí)間和高電流電平(參見圖1)為顯著特征的IEC61000-4-2波形。這種波形的規(guī)范要求采用四級ESD量級。大部分設(shè)計(jì)工程師都要求把產(chǎn)品限定到最高級的8kV的接觸放電或15kV的空氣放電。當(dāng)進(jìn)行元器件級測試時(shí)，因?yàn)榭諝夥烹姕y試在這樣的小型元器件上是不能重復(fù)的，接觸放電測試則是最適合的測試方式。

ESD方面所需考慮因素

ESD保護(hù)器件的目的是把數(shù)千伏電壓的ESD輸入電壓降低到所保護(hù)的IC所能承受的的安全電壓，并能把電流從IC旁路。雖然所需ESD波形的輸入電壓和電流在過去的幾年沒有出現(xiàn)變化，但要求保護(hù)IC的安全電壓電平卻降低了。過去，IC設(shè)計(jì)在ESD防護(hù)方面更具魯棒性，而且能夠承受更高電壓，因此，在選擇能符合IEC61000-4-2第4級的要求的保護(hù)二極管時(shí)有充分的選擇余地。而對于如今ESD更敏感的IC，設(shè)計(jì)工程師就必須不僅要確保保護(hù)器件能夠符合IEC61000-4-2第4級標(biāo)準(zhǔn)，而且還要確保該器件能夠?qū)SD脈沖鉗制到足夠低的電平，從而確保IC不受損壞。在為給定的應(yīng)用選擇最佳保護(hù)器件的時(shí)候，設(shè)計(jì)工程師們必須要考慮到ESD保護(hù)器件能夠把ESD電壓控制到多么低的電平。

選擇最有效的保護(hù)方案

保護(hù)二極管的關(guān)鍵DC指標(biāo)是擊穿電壓、漏電和電容。大部分?jǐn)?shù)據(jù)頁也會說明IEC61000-4-2的最大額定電壓，該電壓指的是二極管在該電壓上不會被ESD沖擊損壞。所存在的問題是，大部分?jǐn)?shù)據(jù)頁中沒有任何針對像ESD這樣的高頻率、高瞬態(tài)電流的箝位電壓方面的信息。可是要詳細(xì)說明，要在IEC61000-4-2規(guī)范中硬性規(guī)定箝位電壓不是一件簡單的事情，這是因?yàn)樵撘?guī)范的初衷是用來檢驗(yàn)系統(tǒng)是否合格，并且頻率是如此高。要把這種規(guī)范來檢驗(yàn)保護(hù)器件，關(guān)鍵的是不僅要檢查保護(hù)二極管是否合格/不合格，還要檢查它能把ESD電壓箝位到多么低的電平。

比較保護(hù)二極管箝位電壓的最好途徑是采用一臺示波器抓取保護(hù)二極管兩端在ESD產(chǎn)生期間內(nèi)的實(shí)際電壓波形。在觀察經(jīng)受IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)測試的ESD保護(hù)器件的電壓波形時(shí)，通常初始電壓峰值之后緊隨著第二峰值，并且最終電壓將會穩(wěn)定下來。初始峰值是由IEC61000-4-2波形的初始電流峰值和由測試電路中存在的電感所導(dǎo)致的過沖相結(jié)合所造成的。初始峰值的持續(xù)時(shí)間很短，因此限定了傳輸?shù)絀C的能量。圖中曲線上顯示了保護(hù)器件的箝位性能，其位于第一個(gè)過沖之后。應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注第二個(gè)峰值，這是因?yàn)樵摲逯档某掷m(xù)時(shí)間較長，被測IC承受的能量將因此增加。在以下的討論中，箝位電壓被定義為第二峰值的最大電壓。

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審核編輯黃宇