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電路級(jí)靜電防護(hù)設(shè)計(jì)技巧與ESD防護(hù)方法
靜電放電(ESD)理論研究的已經(jīng)相當(dāng)成熟,為了模擬分析靜電事件,前人設(shè)計(jì)了很多靜電放電模型。
常見的靜電模型有:人體模型(HBM),帶電器件模型,場(chǎng)感應(yīng)模型,場(chǎng)增強(qiáng)模型,機(jī)器模型和電容耦合模型等。芯片級(jí)一般用HBM做測(cè)試,而電子產(chǎn)品則用IEC 6 1000-4-2的放電模型做測(cè)試。為對(duì) ESD 的測(cè)試進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范,在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面,歐共體的 IEC 61000-4-2 已建立起嚴(yán)格的瞬變沖擊抑制標(biāo)準(zhǔn);電子產(chǎn)品必須符合這一標(biāo)準(zhǔn)之后方能銷往歐共體的各個(gè)成員國。
因此,大多數(shù)生產(chǎn)廠家都把 IEC 61000-4-2看作是 ESD 測(cè)試的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。我國的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 17626.2-1998)等同于IEC 61000-4-2。大多是實(shí)驗(yàn)室用的靜電發(fā)生器就是按 IEC 61000-4-2的標(biāo)準(zhǔn),分為接觸放電和空氣放電。放電頭按接觸放電和空氣放電分尖頭和圓頭兩種。
IEC 61000-4-2的 靜電放電的波形如圖2,可以看到靜電放電主要電流是一個(gè)上升沿在1nS左右的一個(gè)上升沿,要消除這個(gè)上升沿要求ESD保護(hù)器件響應(yīng)時(shí)間要小于這個(gè)時(shí)間。靜電放電的能量主要集中在幾十MHz到500MHz,很多時(shí)候我們能從頻譜上考慮,如濾波器濾除相應(yīng)頻帶的能量來實(shí)現(xiàn)靜電防護(hù)。其放電頻譜如下,這個(gè)圖是我自己畫的,只能定性的看,不能定量。
IEC 61000-4-2規(guī)定了幾個(gè)試驗(yàn)等級(jí),目前手機(jī)CTA測(cè)試執(zhí)行得是3級(jí),即接觸放電6KV,空氣放電8KV。很多手機(jī)廠家內(nèi)部執(zhí)行更高的靜電防護(hù)等級(jí)。
當(dāng)集成電路( IC )經(jīng)受靜電放電( ESD)時(shí),放電回路的電阻通常都很小,無法限制放電電流。例如將帶靜電的電纜插到電路接口上時(shí),放電回路的電阻幾乎為零,造成高達(dá)數(shù)十安培的瞬間放電尖峰電流,流入相應(yīng)的 IC 管腳。瞬間大電流會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷 IC ,局部發(fā)熱的熱量甚至?xí)诨杵苄?。ESD 對(duì) IC的損傷還包括內(nèi)部金屬連接被燒斷,鈍化層受到破壞,晶體管單元被燒壞。
ESD 還會(huì)引起 IC 的死鎖( LATCHUP)。這種效應(yīng)和 CMOS 器件內(nèi)部的類似可控硅的結(jié)構(gòu)單元被激活有關(guān)。高電壓可激活這些結(jié)構(gòu),形成大電流信道,一般是從 VCC 到地。串行接口器件的死鎖電流可高達(dá) 1A 。死鎖電流會(huì)一直保持,直到器件被斷電。不過到那時(shí), IC 通常早已因過熱而燒毀了。
電路級(jí)ESD防護(hù)方法