利用HFTA-16.0建立雙極型集成電路的ESD保護(hù)

ESD傳遞模式

靜電放電強(qiáng)度以電壓形式表示，該電壓由電容的儲(chǔ)能電荷產(chǎn)生，最終傳遞到IC。作用到IC的電壓和電流強(qiáng)度與IC和ESD源之間的阻抗有關(guān)。對(duì)電荷來(lái)源進(jìn)行評(píng)估后建立了ESD測(cè)試模型。

ESD測(cè)試中一般使用兩種充電模式(圖1)，人體模式(HBM)下將電荷儲(chǔ)存在人體內(nèi)(100pF等效電容)，通過(guò)人體皮膚放電(1.5kΩ等效電阻)。機(jī)器模式(MM)下將電荷儲(chǔ)存在金屬物體，機(jī)器模式中的放電只受內(nèi)部連接電感的限制。

圖1. ESD測(cè)試模型

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—在信號(hào)引腳與電源或地之間提供一個(gè)低阻通道，與極性有關(guān)。

電源箝位—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(shí)呈低阻。

ESD二極管

如果對(duì)IC引腳進(jìn)行HBM測(cè)試，測(cè)試電路的初始電壓是2kV，通過(guò)ESD二極管的電流約為1.33A ：

圖2. ESD二極管的電流和電壓(測(cè)量數(shù)據(jù))

理論上，進(jìn)行HBM測(cè)試時(shí)引腳電壓受限于二極管壓降。大電流會(huì)在ESD二極管和引線上產(chǎn)生I-R壓降，在信號(hào)引腳產(chǎn)生額外的電壓，如圖2所示。為了確定IC是否能夠承受2kV的ESD沖擊，需要參考廠商提供的資料。IC的額定電壓由最大電壓決定，圖1中的VESD，這是IC能夠承受的一種特定的ESD源。Maxim IC所能承受的ESD指標(biāo)在可靠性報(bào)告中可以查找到。

電源箝位

雙極型IC的箝位電路類似于在受保護(hù)核電路中提供一個(gè)受沖擊時(shí)擊穿的部件，圖3給出了圖1中箝位功能的詳細(xì)電路。箝位晶體管的過(guò)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(huì)進(jìn)一步提高集電極電流，導(dǎo)致一個(gè)“突變”過(guò)程。箝位時(shí)的V-I特性曲線如圖4所示。

圖4. V-I箝位特性

箝位二極管在IC其它電路遭到破壞之前導(dǎo)通，箝位管要有足夠的承受力，保證ESD電流不會(huì)導(dǎo)致二次擊穿。2kV HBM測(cè)試的箝位過(guò)程如圖5所示，圖5中的電壓包括I-R壓降和突變穩(wěn)定后的箝位電壓。

圖5. 箝位工作過(guò)程(測(cè)量數(shù)據(jù))ESD保護(hù)與應(yīng)用電路

箝位電壓從第一次擊穿變化到突變穩(wěn)定后的導(dǎo)通電壓，如圖5所示。為保證箝位時(shí)關(guān)閉正常的工作條件，設(shè)計(jì)的箝位電壓一般要略高于IC的絕對(duì)最大電壓。