【導(dǎo)讀】隨著更新的集成電路(IC)技術(shù)采用更小的幾何尺寸和更低的工作電壓，不斷更新?lián)Q代的便攜產(chǎn)品對靜電放電(ESD)電壓損害越來越敏感。有鑒于此，手機(jī)、MP3播放器和數(shù)碼相機(jī)等便攜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員必須評估各種可供選擇的ESD保護(hù)解決方案，確保他們所選擇的解決方案能滿足當(dāng)今IC不斷變化的需求。本文將探討選擇有效ESD保護(hù)解決方案的關(guān)鍵步驟。
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8 kV的接觸放電或15 kV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。
從近期的設(shè)計(jì)趨勢的ESD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)對于(防范)ESD而言更具強(qiáng)固性，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。
如何選擇最有效的保護(hù)方案
保護(hù)二極管的關(guān)鍵直流(DC)規(guī)范是擊穿電壓、漏電壓和電容。大部分?jǐn)?shù)據(jù)表也會說明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)表中沒有任何針對象ESD這樣的高頻率、高瞬態(tài)電流的鉗位電壓方面的信息?？墒且敿?xì)說明，要在 IEC61000-4-2規(guī)范中硬性規(guī)定鉗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電壓鉗位到多么低的電平。
比較保護(hù)二極管鉗位電壓的最好途徑是采用一臺示波器截取保護(hù)二極管兩端在ESD產(chǎn)生期間內(nèi)的實(shí)際電壓波形，可以根據(jù)圖2的測試設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。
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)器件的鉗位性能，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，鉗位電壓被定義為第二峰值的最大電壓。
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幾種保護(hù)二極管的比較
為了進(jìn)行公平的比較，所選元器件應(yīng)當(dāng)有相似的封裝尺寸和參數(shù)指標(biāo)。用來比較的是三 只ESD保護(hù)二極管，當(dāng)對它們的電特性進(jìn)行比較時(shí)，認(rèn)為這些器件可以彼此互換。這些器件都是雙向的ESD保護(hù)器件，具有同樣的擊穿電壓(6.8 V)、電容(15 pf)和封裝外形(1.0 × 0.6 × 0.4 mm)。這里所選擇的產(chǎn)品分別是競爭對手1的RSB6.8CS、競爭對手2的PG05DBTFC和安森美半導(dǎo)體的ESD9B5.0ST5G。
當(dāng)對以上器件的DC性能進(jìn)行比較的時(shí)候，結(jié)果看起來似乎是相同的(參見圖2所示曲線)。此外，它們都聲稱符合IEC61000-4-2第4級標(biāo)準(zhǔn)，這就意味 著它們將都經(jīng)受住高達(dá)8 kV接觸電壓的ESD沖擊。確保保護(hù)敏感IC的ESD保護(hù)器件至關(guān)重要的性能不是DC性能; 盡管器件符合IEC61000-4-2的第4級標(biāo)準(zhǔn)是重要，但更重要的是保護(hù)IC。為確保在ESD事件期間IC沒有被損壞，保護(hù)二極管必須把ESD電壓鉗 位至足夠低的值，使IC不會損壞。
圖2：三種ESD器件的DC特性對比。
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為了比較每個(gè)器件的鉗位性能，利用示波器來截取ESD發(fā)生期間的電壓波形。利用完全相同的測試條件，對上述器件進(jìn)行并排測試。圖3中顯示出每個(gè)二極管對正/負(fù)ESD脈沖的響應(yīng)曲線。所用的輸入脈沖為IEC61000-4-2第4級的標(biāo)準(zhǔn)接觸電壓(8 kV)。
圖3：三種ESD保護(hù)二極管的鉗位電壓對比(示波器屏幕截圖)。
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從圖3所示的屏幕圖上可見，顯然，與兩個(gè)競爭對手的器件(藍(lán)色波形)相比較，安森美半導(dǎo)體保護(hù)解決方案(黑色波形)提供更低的ESD脈沖鉗位電壓。與競爭對 手2的18 V和競爭對手1的23 V相比較，安森美半導(dǎo)體的器件將正脈沖鉗位在14 V。而在負(fù)脈沖期間，這三個(gè)器件之間鉗位電壓的差異更加明顯。安森美半導(dǎo)體、競爭對手2和競爭對手1的器件對負(fù)脈沖的鉗位電壓分別是20 V、34 V和42 V。在負(fù)ESD脈沖期間這三種器件之間有明顯的區(qū)別，競爭對手2的器件的鉗位電壓比安森美半導(dǎo)體的器件高70%，而競爭對手1的器件的鉗位電壓則是安森美 半導(dǎo)體器件的兩倍之多。通過競爭對手的保護(hù)器件后的剩余負(fù)脈沖電壓對那些更容易受到ESD破壞的新IC設(shè)計(jì)有潛在的危險(xiǎn)。然而，安森美半導(dǎo)體的器件卻能在 負(fù)脈沖和正脈沖兩個(gè)方向上保持低的鉗位電壓，從而將遭受正/負(fù)ESD脈沖的破壞風(fēng)險(xiǎn)都保持在最低水平。
好的保護(hù)器件需要對 正/負(fù)ESD脈沖都能進(jìn)行很好的鉗位，以保證終端產(chǎn)品在實(shí)際條件下具有最高的可靠性。在正/負(fù)兩個(gè)方向上的低鉗位電壓確保保護(hù)器件能保護(hù)極敏感的IC，這 使得設(shè)計(jì)工程師能利用可以實(shí)現(xiàn)更多功能和更高速度的最新IC技術(shù)。由于認(rèn)識到在選擇ESD保護(hù)器件時(shí)鉗位電壓的重要性日益提高，很多提供保護(hù)器件的公司在 他們最新ESD保護(hù)器件的數(shù)據(jù)表中提供了類似圖3中的ESD鉗位屏幕截圖。
