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電路級靜電防護設計技巧與ESD防護方法

時間:2024/9/24閱讀:780
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靜電放電(ESD)理論研究的已經相當成熟,為了模擬分析靜電事件,前人設計了很多靜電放電模型。

常見的靜電模型有:人體模型(HBM),帶電器件模型,場感應模型,場增強模型,機器模型和電容耦合模型等。芯片級一般用HBM做測試,而電子產品則用IEC 6 1000-4-2的放電模型做測試。為對 ESD 的測試進行統一規范,在工業標準方面,歐共體的 IEC 61000-4-2 已建立起嚴格的瞬變沖擊抑制標準;電子產品必須符合這一標準之后方能銷往歐共體的各個成員國。

因此,大多數生產廠家都把 IEC 61000-4-2看作是 ESD 測試的事實標準。我國的國家標準(GB/T 17626.2-1998)等同于IEC 61000-4-2。大多是實驗室用的靜電發生器就是按 IEC 61000-4-2的標準,分為接觸放電和空氣放電。放電頭按接觸放電和空氣放電分尖頭和圓頭兩種。

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IEC 61000-4-2的 靜電放電的波形如圖2,可以看到靜電放電主要電流是一個上升沿在1nS左右的一個上升沿,要消除這個上升沿要求ESD保護器件響應時間要小于這個時間。靜電放電的能量主要集中在幾十MHz到500MHz,很多時候我們能從頻譜上考慮,如濾波器濾除相應頻帶的能量來實現靜電防護。其放電頻譜如下,這個圖是我自己畫的,只能定性的看,不能定量。

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IEC 61000-4-2規定了幾個試驗等級,目前手機CTA測試執行得是3級,即接觸放電6KV,空氣放電8KV。很多手機廠家內部執行更高的靜電防護等級。

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當集成電路( IC )經受靜電放電( ESD)時,放電回路的電阻通常都很小,無法限制放電電流。例如將帶靜電的電纜插到電路接口上時,放電回路的電阻幾乎為零,造成高達數十安培的瞬間放電尖峰電流,流入相應的 IC 管腳。瞬間大電流會嚴重損傷 IC ,局部發熱的熱量甚至會融化硅片管芯。ESD 對 IC的損傷還包括內部金屬連接被燒斷,鈍化層受到破壞,晶體管單元被燒壞。

ESD 還會引起 IC 的死鎖( LATCHUP)。這種效應和 CMOS 器件內部的類似可控硅的結構單元被激活有關。高電壓可激活這些結構,形成大電流信道,一般是從 VCC 到地。串行接口器件的死鎖電流可高達 1A 。死鎖電流會一直保持,直到器件被斷電。不過到那時, IC 通常早已因過熱而燒毀了。

電路級ESD防護方法


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