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雙極性集成電路的靜電（即ESD）防護
日期：2024-06-24 13:50
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摘要：
雙極性集成電路的靜電（即ESD）防護
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(guò)壓沖擊。應用電路的外部去耦電容可將ESD電壓限制在**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
IC內部ESD保護電路
雙極性集成電路的靜電（即ESD）防護問(wèn)題，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(guò)壓沖擊。應用電路的外部去耦電容可將ESD電壓限制在**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(gè)電壓源干與IC相連的電容上的儲存電荷。一般不會(huì )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(gè)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，人體模式(HBM)下將電荷儲存在人體模型(100pF等效電容)中，通過(guò)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。
ESD能量傳遞到低阻時(shí)可以考慮其電流(點(diǎn)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(gè)毫秒的時(shí)間內將微焦級能量釋放到IC(4和5)。
IC內部ESD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。保護器件包括：
·ESD二極管：在引腳與電源之間提供一個(gè)低阻通道。
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(xiàn)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計所能承受的ESD測試電壓。
ESD保護和應用電路
電源去耦電容會(huì )影響鉗位操作，鉗位二極管在低于**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(chǎn)生高于IC額定電壓的電平，但還不足以使二極管導通。此時(shí)，電容相當于一個(gè)能源，迅速將能量釋放到IC。
對于一個(gè)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(gè)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)
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(wèn)題。如果器件在沒(méi)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(huì )構成威脅。
提高ESD保護
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(shí)，ESD電荷不會(huì )打開(kāi)鉗位二極管。提高電容值實(shí)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*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(huì )產(chǎn)生動(dòng)作。
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*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(shí)提供可靠保護。
·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。
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