中心論題：
- 說(shuō)明ESD閃擊可能引發(fā)的故障機(jī)制
- ESD測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)
- 介紹分流時(shí)間瞬態(tài)抑制器件
解決方案：
- 了解ESD損害的基本性質(zhì)是嚴(yán)重的熱過(guò)載
- 系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須包含初級(jí)保護(hù)元件
- 設(shè)計(jì)中使用的TVS二極管必須滿足：VWM>VN、VCM<VNM、IIM<IPPM
為了提高產(chǎn)品的耐受性，影響整個(gè)電子業(yè)的四個(gè)長(zhǎng)期趨勢(shì)，促使靜電放電(ESD)保護(hù)在目的性工程的總體實(shí)踐中日益重要。首先，與數(shù)年前相比，隨著用戶、信號(hào)I/O功能日益復(fù)雜和流行，產(chǎn)品上ESD的閃擊進(jìn)入點(diǎn)多了許多。尤其是對(duì)于信號(hào)I/O端口，以及小鍵盤、指示器、顯示器。
其次，隨著IC制造工藝從500nm左右演變到90nm和更小尺寸，集成器件的擊穿電壓已大大降低。這與工作電壓的降低直接相關(guān)，在計(jì)算核心領(lǐng)域幅度最大，而且在I/O、存儲(chǔ)器、模擬電路也是如此。這個(gè)趨勢(shì)的一個(gè)受害者就是傳統(tǒng)的保護(hù)器件，它們的閾值電壓超過(guò)了當(dāng)前器件的最高電壓應(yīng)力極限。
第三，伴隨著集成器件尺寸的縮小，信號(hào)傳輸頻率增加迅猛。這個(gè)趨勢(shì)極大改善了計(jì)算裝置的吞吐速度，以及射頻和光子系統(tǒng)的頻譜接入。然而，隨著信號(hào)傳輸頻率的增加，電路對(duì)并聯(lián)電容的承受力減弱了。遺憾的是，所有的瞬態(tài)電壓保護(hù)器件均須工作在并聯(lián)模式，因此在其非工作模式中導(dǎo)致了并聯(lián)的雜散。
最后，當(dāng)前集成器件的微型化趨勢(shì)也造成了產(chǎn)品尺寸的總體縮小。較短的傳導(dǎo)跡線提供較低的雜散電感，這既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。好的一面是，對(duì)于鄰近電路所承受的瞬態(tài)電流而言，較小的電感雜散帶來(lái)的耦合系數(shù)較小。然而，較低的雜散電感也增強(qiáng)了跡線對(duì)電流瞬態(tài)的響應(yīng)，并降低了電流路徑的動(dòng)態(tài)阻抗。
故障機(jī)制
防范危險(xiǎn)的最好保護(hù)方法始于損害的基本性質(zhì)是嚴(yán)重的熱過(guò)載，以及它對(duì)系統(tǒng)的損害方式。ESD損害的基本性質(zhì)是嚴(yán)重的熱過(guò)載，在放電事件中，由于它以極快的速度傳遞能量，其速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常見IC結(jié)構(gòu)的熱時(shí)間常數(shù)，并且一般把能量集中在極小的體積內(nèi)，所以只需極少的能量就能造成很大損害。
雙極輸入器件仍用在儀器前端、模擬信號(hào)處理器等高精度超低噪聲應(yīng)用中，它對(duì)電壓過(guò)載尤其敏感。例如，能使器件保持完好的基極發(fā)射極結(jié)發(fā)生電流有限的反向擊穿時(shí)，可能會(huì)降低晶體管的gm（跨導(dǎo)），并增加反向泄漏電流。超過(guò)電流限制時(shí)可能導(dǎo)致基極發(fā)射極短路，使器件失靈。
MOS器件比雙極器件更易遭受到ESD破壞，并且隨著制造工藝尺寸的每一次縮短而更加脆弱。由于工藝技術(shù)的進(jìn)步，柵極氧化物厚度隨之縮小了。在90nm，氧化物僅有幾個(gè)分子層厚，這個(gè)問(wèn)題驅(qū)使工藝開發(fā)者去研究可以替代的柵極化學(xué)技術(shù)。雖然超薄膜的表面絕緣強(qiáng)度大于厚膜，但柵極氧化物的擊穿電壓仍然會(huì)隨著先進(jìn)工藝中更薄的氧化物而下降。如果一個(gè)大于氧化物擊穿電壓的瞬態(tài)出現(xiàn)在MOS晶體管的柵極上（相對(duì)于溝道電勢(shì)），氧化物就會(huì)失效，這個(gè)事件稱作“氧化物穿通”。輕微的損害也會(huì)導(dǎo)致明顯的柵極泄漏。更典型的情況是，在柵極金屬化層和溝道之間形成短路，由此毀壞器件。
IC內(nèi)部的傳導(dǎo)膜也會(huì)遭受ESD導(dǎo)致熔斷引發(fā)的故障，從而導(dǎo)致斷路。熔斷行為遵循I2t特征。內(nèi)部峰值電流高達(dá)30A時(shí)，即使ESD的短暫閃擊也能毀壞鈦鎢或鎳鉻薄膜跡線。
測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)
務(wù)必指出的是，ESD抗擾度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了系統(tǒng)級(jí)達(dá)標(biāo)測(cè)試。測(cè)試程序并非普遍適用于ESD閃擊直接施加到IC引腳的情況。較老的US MIL STD 883是例外，它規(guī)定了一個(gè)源極模型，后者包含一個(gè)100pF電荷存儲(chǔ)器，在1500 ohm源極電阻后面，用于在高達(dá)2kV的電勢(shì)做測(cè)試。正如此后的許多ESD抗擾度測(cè)試程序一樣，MIL STD 883依靠氣隙放電來(lái)模擬來(lái)自人體的閃擊。遺憾的是，長(zhǎng)久以來(lái)，對(duì)于氣隙放電測(cè)試，測(cè)試執(zhí)行過(guò)程和環(huán)境的微小變化也使得測(cè)試可重復(fù)性的問(wèn)題多多。
目前最常用的ESD抗擾度標(biāo)準(zhǔn)是IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一個(gè)源極模型，后者包含一個(gè)150pF電荷存儲(chǔ)器（在330 ohm源極電阻后面）和一個(gè)特定的電流放電波形（圖1和表1）。與舊標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的源極相比，大電荷存儲(chǔ)器和低源極電阻使源極模型能交付更多能量和更大電流。
IEC 61000-4-2規(guī)定了4個(gè)測(cè)試強(qiáng)度級(jí)別。前兩個(gè)級(jí)別強(qiáng)度較低，適合于具備防靜電表面的受控環(huán)境中的永久設(shè)備。例如，這也許包括電腦服務(wù)器，它們位于出入受限的地方，并且有溫度和濕度控制。第三個(gè)級(jí)別針對(duì)不受控環(huán)境中只受到零星觸碰的設(shè)備，如臺(tái)式電腦，操作人員只在工作日為了開機(jī)才觸碰它。第四級(jí)是最高強(qiáng)度級(jí)別，針對(duì)不受控環(huán)境中經(jīng)常被觸碰的設(shè)備，比如手機(jī)、MP3播放器或筆記本電腦。
IEC 61000-4-2測(cè)試程序同時(shí)包含了接觸放電和氣隙放電。接觸放電提供了更一致、可再現(xiàn)性更高的結(jié)果。在接觸放電非實(shí)際條件的情況下，應(yīng)仔細(xì)記錄測(cè)試設(shè)置和程序，并測(cè)試足夠多的單元，以便評(píng)估測(cè)試結(jié)果中的變化程度。
一些IC制造商會(huì)參照各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和源極模型來(lái)聲明ESD抗擾度。應(yīng)仔細(xì)了解這些聲明是遵循MIL STD 883程序還是更現(xiàn)代的標(biāo)準(zhǔn)。如果是后者，則在接受它們的聲明值之前，還應(yīng)了解這些聲明適用的電路板布線約束條件。缺乏參考測(cè)試說(shuō)明的ESD抗擾度聲明毫無(wú)意義。
初級(jí)保護(hù)
雖然IC引腳配備了電壓過(guò)載箝位電路，但這些電路結(jié)構(gòu)太小，并且位置遠(yuǎn)離放電進(jìn)入點(diǎn)，無(wú)法像初級(jí)保護(hù)機(jī)制那樣有效。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須包含初級(jí)保護(hù)元件，以便把能量從ESD閃擊安全地分流。
對(duì)于ESD耐受性，保護(hù)器件的位置是其中關(guān)鍵的問(wèn)題。ESD抗擾方法完全依靠把閃擊能量分流到地，如表1所示。如果把初級(jí)保護(hù)器件放在離ESD閃擊進(jìn)入點(diǎn)很近的位置，例如在I/O端口附近，那么閃擊電流只會(huì)流過(guò)很短的一段PCB跡線。而如果把初級(jí)保護(hù)器件放在離進(jìn)入點(diǎn)有些距離的位置，那么閃擊電流就會(huì)流過(guò)較長(zhǎng)的跡線長(zhǎng)度。在這種安排中，閃擊電流能更好地以電感形式耦合到鄰近跡線，包括那些未在外部端口終結(jié)的跡線，如果在此終結(jié)，它們就不會(huì)受到ESD引發(fā)的應(yīng)力的危害。
與此類似，接地設(shè)計(jì)必須考慮正常工作條件下流過(guò)的ESD閃擊電流和接地返回電流。這項(xiàng)要求一般建議：保護(hù)器件配備的接地跡線比設(shè)計(jì)方案所擔(dān)保的更粗，或者使用接地層。
應(yīng)仔細(xì)考慮初級(jí)保護(hù)器件的規(guī)格。元器件制造商只用幾個(gè)參數(shù)來(lái)描述瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)的特性，但所有參數(shù)均須適合于所需受保護(hù)的特定線路。額定工作電壓或最高開路電壓是被保護(hù)電路在正常工作條件下應(yīng)承受的最高電勢(shì)。電壓不超過(guò)最高開路電壓時(shí)，器件的泄漏電流應(yīng)不會(huì)超過(guò)極小的規(guī)定值。最高開路電壓及其泄漏電流應(yīng)適用于器件的整個(gè)工作溫度范圍。
隨著器件電勢(shì)超過(guò)最高開路電壓，分流電流將開始增加。元器件制造商在分流電流升至特定值時(shí)，規(guī)定了一個(gè)稱作“擊穿電壓”的閾值。該閾值在室溫時(shí)一般比最高開路電壓高10－15%，并且正溫度系數(shù)約為0.1%/℃。
TVS把受保護(hù)節(jié)點(diǎn)限制在箝位電壓，元器件的數(shù)據(jù)表在其峰值沖擊電流（最高安全工作電流）規(guī)定該電壓值。箝位電壓一般比最高開路電壓高60%。電壓從擊穿電壓升至箝位電壓的部分原因是器件在消散ESD閃擊能量時(shí)的內(nèi)部溫升。保守地規(guī)定器件的峰值脈沖功率，就能把箝位電壓的影響降至最低。不過(guò)，應(yīng)注意：器件的并聯(lián)雜散電容與其尺寸成比例。
箝位電壓的第二個(gè)影響因素，源自于流過(guò)器件及布線中的受保護(hù)節(jié)點(diǎn)和地之間的寄生電阻的分流電流。讓跡線保持盡可能短和寬，可以降低IR。同樣，閃擊前沿的電流迅速升高，會(huì)使插入到器件及布線中的寄生電感對(duì)箝位電壓產(chǎn)生動(dòng)態(tài)影響。讓跡線盡可能短和寬，也可以把這個(gè)動(dòng)態(tài)項(xiàng)降至最低。
以上部分介紹了電子行業(yè)的四個(gè)長(zhǎng)期技術(shù)和應(yīng)用趨勢(shì)，這些趨勢(shì)提高了靜電放電(ESD)保護(hù)對(duì)耐用電子設(shè)計(jì)的重要性。舉例說(shuō)明了ESD閃擊可能引發(fā)的故障機(jī)制，以及一些定義測(cè)試儀器和測(cè)試協(xié)議的常見標(biāo)準(zhǔn)，人們可用這些儀器和協(xié)議來(lái)評(píng)估產(chǎn)品的耐用性。最后介紹了分流型保護(hù)器件的關(guān)鍵參數(shù)，可用這些器件來(lái)保護(hù)設(shè)計(jì)方案中易被ESD和其它快速瞬態(tài)損壞的節(jié)點(diǎn)。第二部分將介紹最常見的分流時(shí)間瞬態(tài)抑制器，并探討如何為其中廣泛應(yīng)用的器件制定規(guī)格。
抑制器（或稱箝位器件）有多種構(gòu)造。最常見的是金屬氧化物壓敏電阻(MOV)、聚合物變阻器、標(biāo)準(zhǔn)齊納二極管、雪崩瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管。它們均作為分流型保護(hù)器件來(lái)工作。（在電源軌應(yīng)用中，保險(xiǎn)絲、斷路器或其它過(guò)流限制元件應(yīng)位于能量來(lái)源與任何分流型瞬態(tài)保護(hù)器件之間。缺乏此類串聯(lián)過(guò)流保護(hù)，就可能在分流器件工作時(shí)導(dǎo)致危險(xiǎn)狀況。）與此類似，應(yīng)考慮應(yīng)用在分流型保護(hù)器件與線路驅(qū)動(dòng)器或其它低壓I/O信號(hào)源之間是否需要串聯(lián)阻抗，以針對(duì)信號(hào)路徑上的過(guò)多故障電流提供保護(hù)。
MOV內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括一個(gè)氧化鋅顆粒矩陣，這些顆粒在其邊界的表現(xiàn)像PN半導(dǎo)體結(jié)。該矩陣組成了一個(gè)包含串聯(lián)和并聯(lián)二極管的大型陣列，因此在擊穿期間，電流往往會(huì)流經(jīng)這個(gè)整體。間隙電極的作用是重新分配電流密度，來(lái)確保這些器件充分利用各自的主體。所以最終MOV的額定功率與體積成正比。
這些器件天生就是雙向，并表現(xiàn)出較高的閾值電壓和泄漏電流，這使它們適合作為交流電輸入浪涌保護(hù)器。對(duì)于汽車、工業(yè)、數(shù)據(jù)處理和類似環(huán)境中易受線路浪涌影響的直流電應(yīng)用，上述器件能起到相似作用。然而，這些特性使MOV不適合于多數(shù)信號(hào)線路保護(hù)方案。
聚合物變阻器的表現(xiàn)類似于可控硅，這意味著它們的I/V曲線可迅速折回，使箝位電壓遠(yuǎn)低于閾值。再加上它們的低電容和小尺寸，使它們對(duì)于高速信號(hào)線路很具有吸引力。但遺憾的是，它們的閾值電壓經(jīng)常高于現(xiàn)代信號(hào)I/O端口上的電壓過(guò)應(yīng)力極限情況下的實(shí)際可承受量。
齊納二極管的特征表現(xiàn)與分流式穩(wěn)壓器相同。這類器件在低于其閾值電壓時(shí)表現(xiàn)出的泄漏電流非常合理。隨著源極電壓升高并超出齊納二極管的閾值，器件開始導(dǎo)電。無(wú)負(fù)載源極電壓和齊納二極管的工作電壓之間的差值在源極阻抗兩端下降，并且齊納二極管會(huì)調(diào)制分流電流來(lái)保持這種工作狀況。齊納二極管的端子電壓在恒溫時(shí)保持基本穩(wěn)定。
作為ESD或浪涌抑制器件，由于工作電壓所經(jīng)過(guò)的連接面積較小，所以齊納二極管一般只提供有限的額定功率。該器件的瞬間結(jié)功耗是上述工作電壓與該器件保持該電壓的分流電流的乘積。
雪崩型TVS二極管的工作特性與齊納二極管相似，但構(gòu)造和規(guī)格方面的差異使TVS二極管更適合于瞬態(tài)保護(hù)，尤其是對(duì)于低壓節(jié)點(diǎn)。實(shí)際上，TVS二極管是面向此類應(yīng)用的最常見保護(hù)器件。很多關(guān)于ESD減緩和浪涌抑制的文獻(xiàn)把TVS二極管稱作齊納二極管，并且兩者經(jīng)常共用相同的原理圖符號(hào)，這造成了不必要的困惑。因此對(duì)文章、應(yīng)用說(shuō)明和其它設(shè)計(jì)支持材料應(yīng)做仔細(xì)闡釋。
TVS二極管提供的主要優(yōu)勢(shì)是箝位電壓低和開關(guān)時(shí)間少于一納秒。這些元件的結(jié)面積一般大于標(biāo)準(zhǔn)齊納二極管，這使它們能更好地吸收瞬態(tài)能量。然而，較大的結(jié)增加了器件的關(guān)斷模式分流電容。由于結(jié)面積與額定功率以及電容之間的關(guān)系，人們將會(huì)發(fā)現(xiàn)，這些器件的額定功率和電容大體成正比。在搜尋合適器件用于高速信號(hào)端口設(shè)計(jì)時(shí)，要記住上述情況。
確定TVS二極的規(guī)格
六個(gè)關(guān)鍵參數(shù)可以描述TVS二極管：擊穿電壓(VBR)及其溫度系數(shù)(dVBR/dT)、最大工作電壓(VWM)、最大箝位電壓(VCM)、最大峰值脈沖電流(IPPM)、峰值脈沖功率(PPPM)。高速信號(hào)線路保護(hù)應(yīng)用對(duì)結(jié)電容(CJ)也很敏感，制造商通常在零伏偏置電壓規(guī)定其規(guī)格，這是該測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的最壞情形工作條件。
有數(shù)千種TVS二極管可供選擇，和多參數(shù)器件的常見情況一樣，人們必須準(zhǔn)備同時(shí)應(yīng)付多種器件規(guī)格。
其中一種方法是借助三項(xiàng)數(shù)據(jù)開始：節(jié)點(diǎn)的最大正常工作電壓(VN)、連接至該節(jié)點(diǎn)的任何半導(dǎo)體的絕對(duì)最大引腳電壓(VNM)、危險(xiǎn)情況的最大故障電流(IIM)。設(shè)計(jì)中使用的TVS二極管必須滿足三項(xiàng)關(guān)系：VWM>VN、VCM<VNM、IIM<IPPM。
如果按照IEC 61000-4-2等標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)保護(hù)方案，則應(yīng)采用該標(biāo)準(zhǔn)的IIM。如果使用的標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定峰值電流，則可把測(cè)試電壓除以源極阻抗，并把結(jié)果提高20或25%，以便為設(shè)計(jì)提供一些裕量。
如果尺寸、成本、電容約束條件允許選擇IPP大于應(yīng)用最低要求的TVS二極管，那么將能實(shí)現(xiàn)低于二極管數(shù)據(jù)表建議的箝位電壓。這是因?yàn)槠骷圃焐淌窃谄骷姆逯得}沖電流規(guī)定箝位電壓的。如果應(yīng)用的最大期望故障電流（直接給出或根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算）低于器件的IPP，則箝位電壓將是數(shù)據(jù)表數(shù)值的可計(jì)算的一部分。
假設(shè)二極管的電壓是VBR(MAX)（最壞情形中的導(dǎo)電開端）和VCM（對(duì)應(yīng)于最大電流IPPM的箝位電壓）之間電流的線性函數(shù)，并且VBR(MAX)位置的電流相對(duì)于IPPM可忽略不計(jì)，則中等電流時(shí)箝位電壓的保守估算值為
如果TVS二極管的數(shù)據(jù)表未規(guī)定VBR(MAX)，則合理的近似值為
如果應(yīng)用必須工作于低溫狀態(tài)，而VBR具有正溫度系數(shù)，約為每攝氏度0.1%。在低溫條件下，該數(shù)量壓縮了VWM和VBR之間的裕量，因此在精簡(jiǎn)自己的候選零件之前，務(wù)必檢查VBR在應(yīng)用的最低溫度時(shí)的值。
此外，需確定箝位器件必須容忍的峰值功耗PPP。如果設(shè)計(jì)遵循的標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定峰值閃擊電流，則可以計(jì)算該值。在閃擊源和箝位器件之間的雜散阻抗很低，并且閃擊電壓遠(yuǎn)高于箝位電壓的最壞情形中，峰值閃擊電流基本等于閃擊源的開路電壓VOC除以其源阻抗ZS。可以簡(jiǎn)單根據(jù)來(lái)計(jì)算峰值功耗：
如果閃擊源和保護(hù)器件之間存在阻抗ZI，則箝位器件的功耗降至
然而，構(gòu)成額外阻抗主要因素的元件必須能承受它自己在閃擊期間的功耗PI：
如果抑制器的數(shù)據(jù)表規(guī)定了峰值功耗，則該規(guī)格適用于具體波形和脈沖寬度。TVS二極管制造商通常報(bào)出的規(guī)格中包括10/1,000微秒脈沖。這個(gè)瞬態(tài)具有所謂的雙指數(shù)：波形在上升沿和下降沿都有指數(shù)型時(shí)域特性。在這種情況下，10/1,000規(guī)格是指10µs上升時(shí)間以及從峰值到半功率的1,000µs下降時(shí)間。
器件的額定功率依賴于波形和脈沖寬度，這是因?yàn)樗矐B(tài)遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于器件的熱時(shí)間常量。實(shí)際上，這限制了元件在某事件期間能吸收的能量數(shù)量（焦耳），與之形成對(duì)比的是器件在事件期間所能消耗的能量數(shù)量，它是更典型的時(shí)間速率（瓦），該事件發(fā)生的時(shí)間間隔明顯長(zhǎng)于器件的熱時(shí)間常量。
在此類條件下，離散脈沖短于10µs左右，分流抑制器遵循Wunsch-Bell模型：
其中k為與波形能量相關(guān)的常量——其功率曲線的時(shí)間積分，而tw為脈沖寬度。制造商的數(shù)據(jù)表經(jīng)常以降額曲線的形式說(shuō)明此項(xiàng)關(guān)系。
