利用HFTA-16.0建立雙極型集成電路的ESD保護

ESD傳遞模式

靜電放電強度以電壓形式表示，該電壓由電容的儲能電荷產生，最終傳遞到IC。作用到IC的電壓和電流強度與IC和ESD源之間的阻抗有關。對電荷來源進行評估后建立了ESD測試模型。

ESD測試中一般使用兩種充電模式(圖1)，人體模式(HBM)下將電荷儲存在人體內(100pF等效電容)，通過人體皮膚放電(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。

圖1. ESD測試模型

IC內部保護電路

標準保護方案是限制到達IC核心電路的電壓和電流。圖1所示保護器件包括：

ESD二極管—在信號引腳與電源或地之間提供一個低阻通道，與極性有關。

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ESD沖擊時呈低阻。

ESD二極管

如果對IC引腳進行HBM測試，測試電路的初始電壓是2kV，通過ESD二極管的電流約為1.33A ：

圖2. ESD二極管的電流和電壓(測量數據)

理論上，進行HBM測試時引腳電壓受限于二極管壓降。大電流會在ESD二極管和引線上產生I-R壓降，在信號引腳產生額外的電壓，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指標在可靠性報告中可以查找到。

電源箝位

雙極型IC的箝位電路類似于在受保護核電路中提供一個受沖擊時擊穿的部件，圖3給出了圖1中箝位功能的詳細電路。箝位晶體管的過壓導致集電極-基極之間的雪崩電流，發射結的正向偏置會進一步提高集電極電流，導致一個“突變”過程。箝位時的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通，箝位管要有足夠的承受力，保證ESD電流不會導致二次擊穿。2kV HBM測試的箝位過程如圖5所示，圖5中的電壓包括I-R壓降和突變穩定后的箝位電壓。

圖5. 箝位工作過程(測量數據)ESD保護與應用電路

箝位電壓從第一次擊穿變化到突變穩定后的導通電壓，如圖5所示。為保證箝位時關閉正常的工作條件，設計的箝位電壓一般要略高于IC的絕對最大電壓。