利用HFTA-16.0建立双极型集成电路的ESD保护

ESD传递模式

静电放电强度以电压形式表示，该电压由电容的储能电荷产生，最终传递到IC。作用到IC的电压和电流强度与IC和ESD源之间的阻抗有关。对电荷来源进行评估后建立了ESD测试模型。

ESD测试中一般使用两种充电模式(图1)，人体模式(HBM)下将电荷储存在人体内(100pF等效电容)，通过人体皮肤放电(1.5kΩ等效电阻)。机器模式(MM)下将电荷储存在金属物体，机器模式中的放电只受内部连接电感的限制。

图1. ESD测试模型

IC内部保护电路

标准保护方案是限制到达IC核心电路的电压和电流。图1所示保护器件包括：

ESD二极管—在信号引脚与电源或地之间提供一个低阻通道，与极性有关。

电源箝位—连接在电源之间，正常供电条件下不汲取电流，出现ESD冲击时呈低阻。

ESD二极管

如果对IC引脚进行HBM测试，测试电路的初始电压是2kV，通过ESD二极管的电流约为1.33A ：

图2. ESD二极管的电流和电压(测量数据)

理论上，进行HBM测试时引脚电压受限于二极管压降。大电流会在ESD二极管和引线上产生I-R压降，在信号引脚产生额外的电压，如图2所示。为了确定IC是否能够承受2kV的ESD冲击，需要参考厂商提供的资料。IC的额定电压由最大电压决定，图1中的VESD，这是IC能够承受的一种特定的ESD源。Maxim IC所能承受的ESD指标在可靠性报告中可以查找到。

电源箝位

双极型IC的箝位电路类似于在受保护核电路中提供一个受冲击时击穿的部件，图3给出了图1中箝位功能的详细电路。箝位晶体管的过压导致集电极-基极之间的雪崩电流，发射结的正向偏置会进一步提高集电极电流，导致一个“突变”过程。箝位时的V-I特性曲线如图4所示。

图3. 图1中的箝位电路

图4. V-I箝位特性

箝位二极管在IC其它电路遭到破坏之前导通，箝位管要有足够的承受力，保证ESD电流不会导致二次击穿。2kV HBM测试的箝位过程如图5所示，图5中的电压包括I-R压降和突变稳定后的箝位电压。

图5. 箝位工作过程(测量数据)ESD保护与应用电路

箝位电压从第一次击穿变化到突变稳定后的导通电压，如图5所示。为保证箝位时关闭正常的工作条件，设计的箝位电压一般要略高于IC的绝对最大电压。

电源去耦电容会影响箝位操作，传递到去耦电容的电荷会产生高于IC绝对最大值的电压，但还不足以使箝位电路导通。这时的电容相当于一个能源，迅速向器件注入能量。

图6. 能量和电压与电源耦合电容的关系

被保护引脚电容上的能量如图6所示，对小的去耦电容，箝位二极管通过进入突变稳定模式限制电压(V1)。突变稳定后的电压所产生的能量近似地随着电容的增大而成比例增大。电源去耦电容增大到一定程度后，电荷传输不会产生导致箝位电路击穿的电压。

箝位电压高于IC所能承受的电压(典型值6V)，低于二极管的击穿电压(约10V)时，对于存在去耦电容的情况，因为电容储能可能导致某些问题。如果IC在没有外部电路的情况下进行测试，引脚上作用10V电压是可以接受的，对器件不会构成威胁。

改善ESD保护

合理选择去耦电容的大小有助于在电路中提高IC的保护，降低电容储能，使ESD电荷不会产生击穿箝位电路的电压。

对于小尺寸高速双极型IC，HBM测试中吸收的最大能量是1μJ；2kV人体模式下，如果电容小于0.02μF (图6)， 箝位二极管会产生动作。为了使去耦电容的能量低于1μJ，去耦电容有两种选择：要么容值大于0.05μF，要么小于0.005μF。当使用更高的测试电压时，要按比例增大0.05μF电容的尺寸。

结论

IC及其周边元件需要承受突破应用电路镜电防护层的ESD能量，电源的去耦电容可能是降低作用到IC上的ESD强度的一条低成本解决途径，诸多设计因素会影响ESD性能，具体可以归纳为：

1.确定应用场合的测试电压(VESD)，典型值为2kV的HBM或100V MM模式。

2.检查IC的可靠性报告，确认二极管、钳位二极管和传导路径适合的测试电压。Maxim的可靠性报告中提供了IC的相关信息。

3.当使用外部电容，如电源滤波电容(C1)时，需检查其产生的电压，这个电压最终作用到IC上。

4.如果出现ESD冲击时，电压介于IC的最大额定电压(典型值为6V)与击穿电压(典型值在8V至10V)，可以考虑使用较大尺寸的电容来替代电源滤波的方案。