中心論題：

• 分析對IC造成ESD的傳遞模式
• 分析IC內部的ESD保護電路
• 分析修改應用電路來提高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
• 提高串聯電感限制大電容產生的浪涌電流
• 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，一些保護電路是內置的，一些保護措施則來自具體的應用電路。為了正確保護IC，需要考慮以下內容：

• 對IC造成ESD的傳遞模式
• IC內部的ESD保護電路
• 應用電路與Ic內部ESD保護的相互配合
• 修改應用電路提高IC的ESD保護能力

IC內部的ESD保護可以阻止傳遞到芯片內部敏感電路的較高能量，內部鉗位二極管用于保護IC免受過壓沖擊。應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
• 耗散功率會產生一定熱量，假設能量經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將微焦級能量釋放到IC(4和5)。

IC內部保護電路
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下呈現為高阻抗。

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擊穿狀態，鉗位晶體管的過壓導致集電極-基極之間的雪崩電流，發射結的正向偏置會進一步提高集電極電流，導致快恢復狀態。

鉗位二極管在IC其它電路遭到破壞之前導通，二極管要有足夠的承受力，保證ESD電流不會導致二次擊穿。

圖2  ESD二極管電流和電壓波形（測試數據）

 
ESD保護和應用電路
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高阻抗。電荷傳遞到去耦電容可能產生高于IC額定電壓的電平，但還不足以使二極管導通。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模式限制V1。電容越大，能量越大。

圖3  鉗位操作（測量數據）

圖4  能量、電壓與電源去耦電容的對應關系 

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電壓(～10V)，對于存在去耦電容的情況，由于電容儲能可能導致某些問題。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。
提高串聯電感限制大電容產生的浪涌電流。
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保護技術領域處于領先地位。經過嚴格測試的ESD產品能夠承受±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。