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      雙極性集成電路的ESD保護(hù)

      發(fā)布時間:2008-10-10 來源:電子產(chǎn)品世界

      中心論題:

      • 分析對IC造成ESD的傳遞模式
      • 分析IC內(nèi)部的ESD保護(hù)電路
      • 分析修改應(yīng)用電路來提高ESD保護(hù)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(hù)
      • 提高串聯(lián)電感限制大電容產(chǎn)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(hù)電路,一些保護(hù)電路是內(nèi)置的,一些保護(hù)措施則來自具體的應(yīng)用電路。為了正確保護(hù)IC,需要考慮以下內(nèi)容:

      • 對IC造成ESD的傳遞模式
      • IC內(nèi)部的ESD保護(hù)電路
      • 應(yīng)用電路與Ic內(nèi)部ESD保護(hù)的相互配合
      • 修改應(yīng)用電路提高IC的ESD保護(hù)能力

      IC內(nèi)部的ESD保護(hù)可以阻止傳遞到芯片內(nèi)部敏感電路的較高能量,內(nèi)部鉗位二極管用于保護(hù)IC免受過壓沖擊。應(yīng)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(hù)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(nèi)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(nèi)部的ESD傳遞非常有用:

      • 對于高于標(biāo)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(dǎo)致IC損壞的能量相當(dāng)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(chǎn)生一定熱量,假設(shè)能量經(jīng)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(nèi)將微焦級能量釋放到IC(4和5)。

      IC內(nèi)部保護(hù)電路
      標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)方案是限制到達(dá)IC核心電路的電壓和電流。圖1所示保護(hù)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(xiàn)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(jìn)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(chǎn)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(shè)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(tài)下呈現(xiàn)為高阻抗。

      雙極性IC的鉗位操作類似于在受保護(hù)核電路中受沖擊時呈現(xiàn)擊穿狀態(tài),鉗位晶體管的過壓導(dǎo)致集電極-基極之間的雪崩電流,發(fā)射結(jié)的正向偏置會進(jìn)一步提高集電極電流,導(dǎo)致快恢復(fù)狀態(tài)。

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


      圖2  ESD二極管電流和電壓波形(測試數(shù)據(jù))

       
      ESD保護(hù)和應(yīng)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(xiàn)高阻抗。電荷傳遞到去耦電容可能產(chǎn)生高于IC額定電壓的電平,但還不足以使二極管導(dǎo)通。此時,電容相當(dāng)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(dá)到20V。

      V1=VESD×C0/(C0+C1)或20V=2kV×100pF/(100pF+0.01μF)

      被保護(hù)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(jìn)入快恢復(fù)模式限制V1。電容越大,能量越大。


      圖3  鉗位操作(測量數(shù)據(jù))

      圖4  能量、電壓與電源去耦電容的對應(yīng)關(guān)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(fù)電壓(~10V),對于存在去耦電容的情況,由于電容儲能可能導(dǎo)致某些問題。如果器件在沒有外部電路的情況下進(jìn)行測試,10V電壓是可以接受的,對器件不會構(gòu)成威脅。

      提高ESD保護(hù)
      使用大尺寸去耦電容有助于提高IC的ESD保護(hù),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(yuǎn)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(chǎn)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(dāng)使用更高的測試電壓時,0.05μF電容的尺寸要增大。

      實際應(yīng)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(hù)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(hù)。
      提高串聯(lián)電感限制大電容產(chǎn)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(jié)語
      綜上所述,在對器件進(jìn)行ESD測試時,需要參照IC的可靠性報告,確認(rèn)二極管、鉗位二極管和傳導(dǎo)路徑適合測試電壓,選擇合適的電源去耦電容。Maxim的ESD保護(hù)方案能夠提供高度的可靠性保障,在ESD保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。經(jīng)過嚴(yán)格測試的ESD產(chǎn)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。

       

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