ESD保護策略分析

手機、數碼相機、MP3播放器和PDA等手持設備的設計工程師，正不斷地面臨著在降低整個系統成本的同時、又要以更小的體積提供更多功能的挑戰。集成電路設計工程師通過在減少硅片空間大小的同時提高設備的速度和性能，以此來推動這一趨勢。為了使功能和芯片體積得到優化，IC設計工程師要不斷地在他們的設計中使功能尺寸最小化。然而，要付出什么代價呢?IC功能尺寸的減少使得器件更易受到 ESD電壓的損害。這種趨勢對終端產品的可靠性會產生不利的影響，并且會增加故障的可能性。因此，手持設備的設計工程師就要面對找到一種具有成本效益的ESD解決方案的挑戰，這種方案能把電壓箝位到更低水平，以便使那些采用了對ESD越來越敏感的IC的終端產品保持高可靠性。

ESD波形

以系統級的方法來定義典型的ESD事件所采用的最常見的波形，是以其亞納秒上升時間和高電流電平(參見圖1)為顯著特征的IEC61000-4-2波形。這種波形的規范要求采用四級ESD量級。大部分設計工程師都要求把產品限定到最高級的8kV的接觸放電或15kV的空氣放電。當進行元器件級測試時，因為空氣放電測試在這樣的小型元器件上是不能重復的，接觸放電測試則是最適合的測試方式。

ESD方面所需考慮因素

ESD保護器件的目的是把數千伏電壓的ESD輸入電壓降低到所保護的IC所能承受的的安全電壓，并能把電流從IC旁路。雖然所需ESD波形的輸入電壓和電流在過去的幾年沒有出現變化，但要求保護IC的安全電壓電平卻降低了。過去，IC設計在ESD防護方面更具魯棒性，而且能夠承受更高電壓，因此，在選擇能符合IEC61000-4-2第4級的要求的保護二極管時有充分的選擇余地。而對于如今ESD更敏感的IC，設計工程師就必須不僅要確保保護器件能夠符合IEC61000-4-2第4級標準，而且還要確保該器件能夠將ESD脈沖鉗制到足夠低的電平，從而確保IC不受損壞。在為給定的應用選擇最佳保護器件的時候，設計工程師們必須要考慮到ESD保護器件能夠把ESD電壓控制到多么低的電平。

圖1：IEC61000-4-2規范指標一覽表。

選擇最有效的保護方案

保護二極管的關鍵DC指標是擊穿電壓、漏電和電容。大部分數據頁也會說明IEC61000-4-2的最大額定電壓，該電壓指的是二極管在該電壓上不會被ESD沖擊損壞。所存在的問題是，大部分數據頁中沒有任何針對像ESD這樣的高頻率、高瞬態電流的箝位電壓方面的信息。可是要詳細說明，要在IEC61000-4-2規范中硬性規定箝位電壓不是一件簡單的事情，這是因為該規范的初衷是用來檢驗系統是否合格，并且頻率是如此高。要把這種規范來檢驗保護器件，關鍵的是不僅要檢查保護二極管是否合格/不合格，還要檢查它能把ESD電壓箝位到多么低的電平。

比較保護二極管箝位電壓的最好途徑是采用一臺示波器抓取保護二極管兩端在ESD產生期間內的實際電壓波形。在觀察經受IEC61000-4-2標準測試的ESD保護器件的電壓波形時，通常初始電壓峰值之后緊隨著第二峰值，并且最終電壓將會穩定下來。初始峰值是由IEC61000-4-2波形的初始電流峰值和由測試電路中存在的電感所導致的過沖相結合所造成的。初始峰值的持續時間很短，因此限定了傳輸到IC的能量。圖中曲線上顯示了保護器件的箝位性能，其位于第一個過沖之后。應該重點關注第二個峰值，這是因為該峰值的持續時間較長，被測IC承受的能量將因此增加。在以下的討論中，箝位電壓被定義為第二峰值的最大電壓。

幾種保護二極管的比較

為了進行公平的比較，所選元器件應當有相似的封裝尺寸和參數指標。用來比較的是三只ESD保護二極管，當對它們的電特性進行比較時，認為這些器件可以彼此互換。這些器件都是雙向的ESD保護器件，具有同樣的擊穿電壓(6.8V)、電容(15pf)和封裝外形(1.0×0.6×0.4 mm)。這里所選擇的產品分別是競爭對手1的RSB6.8CS、競爭對手2的PG05DBTFC和安森美半導體的ESD9B5.0ST5G。

當對以上器件的DC性能進行比較的時候，結果看起來似乎是相同的(參見圖2所示曲線)。此外，它們都聲稱符合IEC61000-4-2第4級標準，這就意味著它們將都經受住高達8kV接觸電壓的ESD沖擊。

圖2：三種ESD器件的DC特性對比。

為了比較每個器件的箝位性能，利用示波器來抓取ESD發生期間的電壓波形。利用完全相同的測試條件，對上述器件進行并排測試。圖3中顯示出每個二極管對正/負ESD脈沖的響應曲線。所用的輸入脈沖為IEC61000-4-2 level 4的標準接觸電壓(8kV)。

圖3：三種ESD保護二極管的箝位電壓對比(示波器屏幕圖)。

從圖3所示的圖上可見，顯然，與兩個競爭對手的器件(藍色波形)相比較，安森美半導體保護解決方案(黑色波形)可提供更低的ESD脈沖箝位電壓。與KEC的18V和Rohm的23V相比較，安森美的器件將正脈沖箝位在14V。而在負脈沖期間，這三個器件之間箝位電壓的差異更加明顯。安森美、競爭對手2和競爭對手1的器件對負脈沖的箝位電壓分別是20V、34V和42V。在負ESD期間這三種器件之間有明顯的區別，競爭對手2的器件的箝位電壓比安森美的器件高70%，而競爭對手1的器件的箝位電壓則是安森美器件的兩倍之多。通過競爭對手的保護器件后的剩余負脈沖電壓對那些更容易受到ESD破壞的新IC設計有潛在的危險。然而，安森美的器件卻能在負脈沖和正脈沖兩個方向上保持低的箝位電壓，從而將遭受正/負ESD脈沖的破壞風險都保持在最低水平。

好的保護器件需要對正/負ESD脈沖都能進行很好的箝位，以保證終端產品在現實條件下實現最高的可靠性。在正/負兩個方向上的低箝位電壓確保器件能保護極敏感的IC，這使得設計工程師能利用可以實現更多功能和更高速度的最新IC技術。安森美半導體設計的保護器件不僅能夠使IC能夠經受ESD沖擊，而且提供了市場上最低的箝位電壓。認識到在選擇ESD保護器件時箝位電壓變得日益重要，安森美半導體在最新的保護器件的數據源中提供了類似圖3中的鉗位特性。