ESD斷路過壓保護，ESD產(chǎn)生的高壓和高峰值電流會損壞IC

ESD斷路過壓保護

在安裝于印刷電路板之前，必須對線性IC(如運算放大器、儀表放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器)進行保護。這即所謂斷路(out-of-circuit)狀態(tài)。在這種條件下，IC可能遇到多大的浪涌電壓完全取決于其環(huán)境。多數(shù)情況下，有害的浪涌電壓來自靜電放電，即常說的ESD。這是一種單次、快速、高電流的靜電荷傳輸現(xiàn)象，源于兩種條件，它們是：

* 兩個處于不同電位的物體之間的直接接觸傳輸(有時稱為接觸放電)* 兩個物體靠近時之間產(chǎn)生的高靜電場(有時稱為氣隙放電)。

靜電的主要來源基本都是絕緣器并且一般都是合成材料，如乙烯或塑料工作表面、絕緣鞋、經(jīng)過表面加工的木質(zhì)椅子、透明膠帶、氣泡袋、尖端未接地的烙鐵等。這些來源產(chǎn)生的電平極高，因為它們的電荷并不容易分布在表面上或者傳導(dǎo)給其他物體。兩個物體相互摩擦產(chǎn)生靜電被稱為摩擦電效應(yīng)。一些常見行為會產(chǎn)生較大的ESD電壓，部分示例見圖1。

ESD產(chǎn)生的高壓和高峰值電流會損壞IC。

精密模擬電路通常具有極低的偏置電流，比普通數(shù)字電路更容易遭到損壞，因為用于ESD保護的傳統(tǒng)輸入保護結(jié)構(gòu)會增加輸入泄漏——因此不能使用。

對于設(shè)計工程師或技師來說，ESD損壞最常見的表現(xiàn)是IC發(fā)生災(zāi)難性故障。然而，暴露在ESD之下也可能導(dǎo)致泄漏增加，或者使其他參數(shù)下降。如果某個器件在評估期間似乎達不到數(shù)據(jù)手冊上的規(guī)格指標(biāo)，則應(yīng)考慮ESD損壞的可能性。圖2列出了ESD引起的故障的一些相關(guān)點。

所有ESD敏感器件均采用保護性封裝。IC通常裝在導(dǎo)電泡沫中或者防靜電包裝套管中，而后將容器密封在一個靜電耗散塑料袋中。密封后的塑料袋用一個明顯的標(biāo)簽標(biāo)好（如圖3所示），標(biāo)簽上標(biāo)明正確的操作程序。

如圖3所示外部封裝說明旨在告知用戶，必須遵循ESD保護所需要的操作程序。

另外，ESD敏感型IC的數(shù)據(jù)手冊都有一條醒目的聲明，如圖4所示。

一旦識別出ESD敏感型器件，保護起來就相對容易些。很明顯，首先應(yīng)盡量把IC保存在原來的保護性封裝中。下一步是給存在破壞可能性的ESD源放電，以防患于未然。這種電壓放電可以通過高阻抗快速而安全地實施。

ESD安全IC操作需要的一個關(guān)鍵組件是一個具有靜電耗散表面的工作臺，如圖5所示。其表面通過一個1MΩ電阻接地，可以耗散任何靜電荷，同時還能保護用戶，免除接地故障電擊危險。如果現(xiàn)有的工作臺頂部不導(dǎo)電，則應(yīng)添加一塊靜電耗散墊和一個放電電阻。

請注意，工作臺的表面具有較高的薄膜電阻。工作表面不需要，也不適合使用低阻表面材料(如銅箔PC板)。請記住，如果通過低阻抗釋放IC電荷，則可能產(chǎn)生高峰值電流。這正是帶電IC接觸接地銅箔板時發(fā)生的情況。然而，當(dāng)將同一個帶電IC放在如圖5所示高阻抗表面時，峰值電流不足以損壞器件。

對于減少ESD相關(guān)損壞，有幾點人員操作技巧是至關(guān)重要的。在工作臺時，建議在操作ESD敏感型器件時帶上一個導(dǎo)電手環(huán)。手環(huán)可以確保正常的任務(wù)(如從包裝上撕下膠帶)不會導(dǎo)致IC損壞。另外，出于安全考慮，需用一個1MΩ的電阻從手環(huán)接地。在構(gòu)建原型實驗板或者裝配含有ESD敏感型IC的PC板時，應(yīng)在IC之前插入和焊接全部無源元件。結(jié)果將降低敏感型器件的ESD風(fēng)險。當(dāng)然，烙鐵尖需要接地。

保護IC、使其免受ESD影響需要IC制造商和客戶的共同參與。對IC制造商來說，為其產(chǎn)品提供最高水平的ESD保護是其既得利益。IC電路設(shè)計師、工藝工程師、封裝專家和其他人則不斷探索，試圖找到更好的新型電路設(shè)計、工藝和封裝方法以承受或分流ESD能量。然而，完整的ESD保護方案不僅僅需要在IC中內(nèi)置ESD保護機制。IC用戶也需要為其員工提供必要知識和培訓(xùn)，使其了解和遵守ESD操作程序，從而在整個過程的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)都建立起有效的保護，如圖6所示。

在構(gòu)建實驗板以及評估IC時，需要特別小心。ESD損壞可能具有累加效應(yīng)，因此，如果器件反復(fù)操作不當(dāng)，結(jié)果可能導(dǎo)致故障。在試驗插座上插入和移除IC時、評估期間存儲器件時以及在實驗板上添加或移除外部元件時，均須遵循適當(dāng)?shù)腅SD預(yù)防措施。同樣，如果器件在原型系統(tǒng)開發(fā)期間發(fā)生故障，其原因可能是不斷反復(fù)的ESD應(yīng)力。

對于ESD，需要記住一個關(guān)鍵詞：預(yù)防。ESD損壞一旦發(fā)生則無法挽回，也無法補償。

ESD模型和測試

有些應(yīng)用對ESD的敏感度高于其他應(yīng)用。位于PC板上且周圍有其他電路的IC遭受ESD損壞的可能性一般遠遠小于那些必須與其他PC板或外部世界接口的電路。這些IC一般沒有任何特定ESD保護的額定規(guī)格，也不提供此類保證(MIL-STD-883方法3015類器件除外)。ESD敏感型接口的一個良好示例是計算機上的RS-232接口端口IC，該IC很容易暴露在高電壓之下。為了保證此類器件的ESD性能，必須指定測試方法和限制。

人們提出了多種測試波形和規(guī)格，用以評估器件對ESD的敏感性。半導(dǎo)體或分立式器件目前仍在使用的最重要的三種波形為：人體模型(HBM)、機器模型(MM)和充電器件模型(CDM)。每一種模型均代表著一種完全不同的ESD事件，因此，這些模型的測試結(jié)果之間的相關(guān)性很小。

1996年以來，銷往歐共體或者在歐共體內(nèi)部銷售的所有電子設(shè)備都必須達到IEC1000-4-x規(guī)范中規(guī)定的電磁兼容性(EMC)等級。請注意，這并不適用于單片IC，而是適用于最終設(shè)備。各種IEC1000規(guī)范規(guī)定了此類標(biāo)準(zhǔn)和測試方法，詳見圖7。

IEC1000-4-2規(guī)定，合規(guī)測試要使用兩種耦合方法，即接觸放電和氣隙放電。接觸放電要求直接連接測試的裝置。氣隙放電使用更高的測試電壓，但不會直接接觸測試的裝置。在氣隙放電法下，放電槍朝向測試裝置移動，在整個氣隙上形成一道弧，氣隙放電即由此而來。這種方法受濕度、溫度、氣壓、距離和放電槍逼近速率的影響。接觸放電法雖然現(xiàn)實性較低，但具有更高的可重復(fù)性，其應(yīng)用呈現(xiàn)出趕超氣隙放電法之勢。

雖然ESD脈沖含有的能量極少，但極快的上升時間和高電壓卻可能給未受保護的IC帶來故障。電弧或熱效應(yīng)可能立即給器件帶來災(zāi)難性損壞。即使災(zāi)難性故障不會立即發(fā)生，器件的參數(shù)也可能下降，結(jié)果會降低性能。連續(xù)暴露具有累積效應(yīng)，可能最終導(dǎo)致器件完全失效。

I/O線路尤其容易遭到ESD損壞。即使是簡單地接觸一下，或者是插入一條I-O線纜，也可能導(dǎo)致靜電放電，結(jié)果可能損壞或完全損毀與I/O端口相連的接口產(chǎn)品(如RS-232線路驅(qū)動器和接收器)。

傳統(tǒng)的ESD測試方法(如MIL-STD-883B方法3015.7)并不會全面測試產(chǎn)品對這種放電的敏感性。該測試方法旨在測試產(chǎn)品在操作期間遭受ESD損壞的可能性。每個引腳都是相對于所有其他引腳進行測試的。MIL-STD-883B方法3015.7測試與IEC測試之間存在重要差異，如下所示：

IEC測試在放電能量方面要求更嚴(yán)格。注入的峰值電流大四倍以上。在IEC測試中，電流上升時間明顯更快。IEC測試是在器件帶電期間進行的。ESD放電有可能導(dǎo)致測試器件閂鎖。因此，該測試更能代表現(xiàn)實I-O放電，因為設(shè)備一般都是帶電運行的。然而，保險起見，應(yīng)該對接口器件進行這兩種測試，以確保操作期間以及隨后的現(xiàn)場維修期間，器件均能獲得最大程度的保護。

圖8比較了IEC1000-4-2模型與MIL-STD-883B方法3015.7人體模型的測試電路值。

MIL-STD-883B方法3015.7和IEC1000-4-2兩種測試的ESD波形分別列于圖9的左右兩欄。

適用的ESD保護設(shè)計措施實現(xiàn)起來相對容易，本節(jié)已討論過的多數(shù)過壓保護方法都有用。也可以獲得額外的保護措施。對于RS-232和RS-485驅(qū)動器和接收器，ADMXXX-E系列提供15kV(HBM)ESD擔(dān)保規(guī)格。對于更通用的應(yīng)用，在系統(tǒng)適當(dāng)位置增加TransZorb保護電路也可提供ESD保護功能。

圖10從斷路和在線兩個角度總結(jié)了ESD預(yù)防的要點。