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双极性集成电路的静电（即ESD）防护
日期：2024-04-23 11:31
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摘要：
双极性集成电路的静电（即ESD）防护
IC内部的ESD保护可以阻止传递到芯片内部敏感电路的较高能量，内部钳位二极管用于保护IC免受过压冲击。应用电路的外部去耦电容可将ESD电压限制在**水平。然而，小容量的去耦电容可能影响IC的保护电路。如果使用小去耦电容，通常需要外部ESD电压钳位二极管。
ESD传递模式
IC内部ESD保护电路
双极性集成电路的静电（即ESD）防护问题，为了正确保护IC，需要考虑以下内容：
*对IC造成ESD的传递模式
*IC内部的ESD保护电路
*应用电路与Ic内部ESD保护的相互配合
*修改应用电路提高IC的ESD保护能力
IC内部的ESD保护可以阻止传递到芯片内部敏感电路的较高能量，内部钳位二极管用于保护IC免受过压冲击。应用电路的外部去耦电容可将ESD电压限制在**水平。然而，小容量的去耦电容可能影响IC的保护电路。如果使用小去耦电容，通常需要外部ESD电压钳位二极管。
ESD传递模式
ESD电平用电压描述，这个电压源干与IC相连的电容上的储存电荷。一般不会考虑有上千伏的电压作用于IC。为了评估传递给IC的能量，需要一个模拟放电模型的测试装置
ESD测试中一般使用两种充电模式，人体模式(HBM)下将电荷储存在人体模型(100pF等效电容)中，通过人体皮肤放电(1.5kΩ等效电阻)。机器模式(MM)下将电荷储存在金属物体，机器模式中的放电只受内部连接电感的限制。
ESD能量传递到低阻时可以考虑其电流(点1和2)；对于高阻而言，能量以电压形式传递，为IC的去耦电容充电(3)。对IC造成损坏的典型能量是在不到一个毫秒的时间内将微焦级能量释放到IC(4和5)。
IC内部ESD保护电路
标准保护方案是限制到达IC核心电路的电压和电流。保护器件包括：
·ESD二极管：在引脚与电源之间提供一个低阻通道。
ESD二极管
二极管连接在测试引脚和电源之间，为ESD电流提供低阻路径。
如果对IC进行HBM测试，测试电路的初始电压是2kV，ESD电流约为1.33A：
IESD=2kV／1.5kΩ±10％
大电流在ESD二极管和引线上产生I-R压降，该电压高于二极管本身的压降。IC可靠性报告中给出了器件设计所能承受的ESD测试电压。
ESD保护和应用电路
电源去耦电容会影响钳位操作，钳位二极管在低于**额定电压的正常供电情况下呈现高阻抗。电荷传递到去耦电容可能产生高于IC额定电压的电平，但还不足以使二极管导通。此时，电容相当于一个能源，迅速将能量释放到IC。
对于一个给定的去耦电容，ESD测试中初始电压的变化遵循电荷守恒。例如，使用一个0.01μF去耦电容，2kV HBM测试电压可以达到20V。
V1=VESD×C0／(C0+C1)或20V=2kV×100pF／(100pF+0.01μF)
钳位电压高于器件所能承受的电压(典型值6V)，低于二极管的快恢复电压(～10V)，对于存在去耦电容的情况，由于电容储能可能导致某些问题。如果器件在没有外部电路的情况下进行测试，10V电压是可以接受的，对器件不会构成威胁。
提高ESD保护
提高ESD保护
使用大尺寸去耦电容有助于提高IC的ESD保护，使用足够大的电容时，ESD电荷不会打开钳位二极管。提高电容值实际上是降低了注入到器件的能量，因为C1远大于C0：
C1电容增大两倍，能量降低一半。
对于高速双极性IC，HBM测试中吸收的*大能量是lμJ；2kV人体模式中，如果电容小于0.02μF，钳位二极管会产生动作。
这为电源滤波器和ESD保护方案的折中提供了灵活性。
可选方案有：
·使用更大的滤波电容，使*大ESD电压低于IC引脚所能承受的电压。
·使用小的滤波电容，使得IC钳位二极管在低能量时提供可靠保护。
·提高串联电感限制大电容产生的浪涌电流。
