本應用筆記描述了ESD如何威脅電子系統、造成的損壞類型、ESD的產生方式、使用的測試方法和波形、用于測試的人體和機器模型、IEC合規性水平、接觸和空氣放電。本文介紹了保護方法，詳細介紹了Maxim的ESD保護方法。給出了選擇具有高ESD電阻的IC的指南。RS-232 I/O 端口是專門考慮的。

當有人更換電纜甚至觸摸I / O端口時，靜電放電（ESD）可能會威脅到電子系統。伴隨這些常規事件的放電可能會破壞端口的一個或多個接口 IC，從而禁用端口（圖 1）。此類故障也可能代價高昂——它們提高了保修維修的成本，同時降低了產品的感知質量。

圖1.ESD保護不足的IC容易發生災難性故障，包括鈍化破裂、電熱遷移、鋁濺射、觸點尖峰和介電故障。

ESD還有另一種造成麻煩的方式。制造商可能很快就會被禁止向歐洲共同體銷售產品，除非他們的設備達到最低水平的ESD性能。這兩個因素，加上計算機和計算機相關設備之間的電氣通信量不斷增加，強調了工程師了解ESD的必要性。

要正確理解ESD，不僅需要了解所涉及的電壓電平，還需要了解電壓和電流波形、IC保護結構、測試方法和應用電路。以下各節將討論這些事項。

靜電放電生成

當兩種不同的材料聚集在一起，轉移電荷并分開，在它們之間產生電壓時，就會出現靜電荷。例如，在帶有皮革鞋底的地毯上行走會產生高達25kV的電壓。感應靜電電壓的水平取決于地毯和鞋皮之間的相對電荷親和力、濕度和其他因素。

摩擦電系列（表1）描述了各種材料之間的這種電荷親和力。當列表中的任何兩個項目接觸時，就會發生電荷轉移。系列中較高的材料獲得正電荷，而系列中較低的材料獲得負電荷。1對于列表中相距較遠的項目，凈電荷和產生的靜電電壓更大。

表 1.摩擦電系列

靜電測試方法

測試集成電路的ESD敏感性通常有兩種方法。最古老的MIL-STD-883方法3015.7是為了幫助理解封裝和處理IC所需的預防措施而開發的。該方法針對其他引腳組測試每個封裝引腳，并根據發生故障的最低電壓對器件進行分類。

本測試中施加的信號是從稱為人體模型（圖2）的電路得出的電流波形，該電路模擬人體的典型電容和源阻抗。（電路布局至關重要，因為IC上傳輸的實際波形還取決于與測試連接和印刷電路板相關的寄生電感和電容。由此產生的電流波形表示人接觸物體（例如IC）時發生的ESD。

圖2.如圖所示，替換不同的組件值會產生稱為人體模型、機器模型和 IEC 1000-4-2 模型（人體手持金屬物體）的放電電路。

另一種方法與上述方法的區別僅在于R和C的值，由日本電子工業協會（EIAJ）開發。它被稱為IC-121，基于稱為機器模型（圖2）的電路，它施加類似于IC與其處理機械接觸時產生的電流波形。通過模擬積聚在運動部件上的電荷引起的ESD事件，波形模擬機器裝配過程中看到的靜電放電。

這兩種方法是互補的，因此您不應該選擇其中一種。由于ESD會在制造過程中、印刷電路板組裝過程中以及最終產品投入使用后影響IC，因此基于人體模型和機器模型的測試可以充分保證IC對制造和插入的嚴格要求。

一些IC的引腳通過連接器暴露在外界，即使安裝在外殼內的印刷電路板上，也可能遇到ESD。對于連接到電路板電路的其他引腳，ESD暴露的可能性較小。對于這類IC，方法3015.7（測試引腳組合）等測試方法不能充分表示輸入/輸出（I/O）引腳的ESD敏感性。

兩者都根據任何引腳方法的最低電壓故障提供額定值，這種方法可能無法滿足I/O引腳（某些制造商提供）所需的更高水平的內部ESD保護。例如，器件可能具有可承受 ±15kV 的 I/O 引腳，以及±2kV 時失效的非 I/O 引腳。使用上述方法，器件的ESD額定值將小于±2kV。不過，幸運的是，現在有更好的測試方法可用于評估I/O引腳。

針對 I/O 端口的新 ESD 測試

I/O 端口允許與其他設備通信。IC 的 I/O 端口由邏輯引腳組組成，用于訪問包含 IC 的系統外部的設備。當操作員從系統中連接和斷開電纜時，這些引腳會受到靜電放電和其他濫用。對于RS-232或RS-485接口IC的I/O引腳，ESD敏感性的理想測試方法應：

僅以模擬實際設備中ESD事件暴露的方式測試I/O引腳。

應用模擬人體產生的靜電放電的測試波形。不同的電路型號指定不同的幅度、上升/下降時間和傳輸功率值。

在接通和不通電的情況下測試IC。

定義IC故障以包括閂鎖（瞬間失控）以及災難性或參數故障。閂鎖被認為是一種故障機制，因為如果不被發現，可能會導致可靠性問題和系統故障。

設備制造商越來越多地使用兩種方法（均符合所列要求）來測試I/O端口的ESD敏感性。第一個是對方法 3015.7 MIL-STD-883 的修改。它使用與原始方法相同的電路模型和波形，但僅將ESD脈沖應用于器件的I/O引腳。其目的是模擬安裝在電路板上并在目標系統中運行的IC看到的故障電流。波形（圖3）由圖2的測試電路使用與方法3015.7中最初指定的相同元件值生成。

圖3.該ESD波形的參數（上升時間、峰值電流、振鈴和衰減時間）在MIL-STD-883方法3015.7中指定。

與原始方法3015.7一樣，修改后的方法僅定義了ESD波形和故障標準：暴露于波形后，故障IC必須出現閂鎖或不符合一個或多個數據手冊規格。修改后的方法在測試期間沒有規定IC的特定工作模式，但Maxim建議執行所有可能的模式：電源開/關、發送器輸出高/低、待機/正常工作等。

同樣，修改后的方法3015.7不會強制產品承受特定水平的ESD;它只定義了保護等級。然而，Maxim的新型收發器通常提供±15kV的保護等級（表2和表3）。此級別允許一些用戶消除昂貴的 TransZorbs?;和其他外部保護電路。

IEC 1000-4-2 型號

測試包含I/O引腳的IC的第二種更嚴格的方法是IEC 1000-4-2。該設備級測試由國際電工委員會開發。最初打算作為在歐洲銷售的設備驗收條件，它在美國和日本也迅速被接受為標準ESD標準。雖然最初不是作為IC規范，但現在它作為IC的ESD測試具有額外的作用。與對 3015.7 的修改一樣，它只測試 I/O 引腳。

IEC 1000-4-2的模型也是圖2所示的電路，但元件值不同。電阻R2（330Ω）代表人拿著螺絲刀或其他金屬物體，C1（150pF）代表人體電容的另一種估計值。該電路產生的電流波形（圖4）的上升時間比方法3015.7產生的電流波形更陡峭。

圖4.此ESD波形的參數（上升時間、峰值電流、30ns幅度和60ns幅度）由IEC 1000-4-2規定。

IEC 1000-4-2 規定了通過接觸放電和空氣放電進行 ESD 測試。實際接觸引起的ESD事件更可重復，但不太真實，空氣放電更真實，但波形形狀差異很大——取決于溫度、濕度、氣壓、IC和電極之間的距離以及接近IC引腳的速率的變化。（這種形狀的變化會對測得的ESD容差水平產生重大影響。

IEC 1000-4-2根據I/O引腳承受的最低最大電壓定義了四個一致性級別（表4）。該表定義了接觸放電和空氣放電的這些水平。

表 4.IEC 1000-4-2 合規等級

接觸還是空氣放電？

根據IEC 1000-4-2測試IC的ESD耐用性需要使用ESD“槍”，該噴槍允許使用接觸放電或空氣放電進行測試。接觸放電要求噴槍和I/O引腳之間有物理接觸，然后才能通過噴槍內部的開關施加測試電壓。空氣放電要求噴槍在接近 I/O 引腳之前（從垂直方向盡快）用測試電壓充電。第二種技術在距離測試單元的某個臨界距離處產生火花。

空氣放電產生的ESD類似于實際的ESD事件。但是，與實際的ESD一樣，空氣放電的種類并不容易復制。它取決于許多不容易控制的變量。因此，為了證明重復性在測試中的普遍重要性，IEC 1000-4-2建議接觸放電，而修改后的3015.7方法僅要求接觸放電。在任何一種情況下，測試程序都要求在每個測試級別至少放電 10 次。

剛才討論的兩個ESD標準（改進的3015.7方法和IEC 1000-4-2的空氣或接觸放電版本）之間的主要區別在于它們在被測器件中產生的峰值電流。不同的元件值會導致這些峰值電流相差大于5的系數（表1000）。由于峰值電流會產生IC必須耗散的不需要的功率，因此IEC 4-2-<>通常是要求更高的ESD測試方法。

表 5.ESD 電流與模型和施加電壓的關系

高電流會以多種方式損壞 IC：

局部供暖過度

熔化硅

尖峰結，由將鋁溶解在硅中的短路引起（圖 5）

損壞的金屬線

由于電壓過高而導致柵極氧化故障

電熱遷移導致的晶體管損壞（圖 6）

圖5.IC中的高ESD電流可以通過將鋁觸點部分溶解在硅中來“尖峰”結，從而導致下面的層永久短路。

圖6.IC中的電熱遷移（ETM）可能會在發生ESD事件時為損壞奠定基礎。由此產生的高電流和高電壓會導致晶體管端子之間的短路或低阻抗路徑。

保護方法

為了防止ESD，設計人員可以在外部添加保護，也可以選擇內置高保護級別的IC。保護電路包括金屬氧化物壓敏電阻和硅雪崩抑制器，如TransZorb。這些設備有效但價格昂貴（硅雪崩保護器每條生產線的成本高達0.30美元）。外部ESD保護還會消耗寶貴的電路板面積，并增加I/O線路的電容。

為了克服這些限制，制造商一再提高其IC的ESD保護水平。例如，Maxim現在為RS-15 IC提供±232kV保護，無論是根據IEC 1000-4-2還是人體模型進行測試。

Maxim的ESD保護方法

ESD電流波形的特點是上升時間極快，因此其通過IC的進度受到電路分布寄生阻抗的強烈影響。因此，注意外部布局將確保IC的內部保護網絡具有最佳性能。Maxim建議對其接口IC采用以下做法：

遵循標準的模擬布局技術，將所有旁路和電荷泵電容盡可能靠近IC放置。

在印刷電路板上包括一個接地層。

將走線電感和電容降至最低。

將 IC 放置在盡可能靠近 I/O 端口的位置。

為了表征RS-232收發器或其他接口IC在存在ESD時的可靠性，Maxim建議使用改進的3015.7方法和IEC 1000-4-2型號，每種情況下都遵循類似的程序：以200V的增量逐步穿過指定的ESD范圍，在每個電平上，每個極性電壓對器件進行10次打擊， 大約每秒一次。

由于這些測試的目的是評估安裝在終端設備中的IC的ESD性能，因此測試設置應使ESD電流沿著與該設備中相同的路徑流動。應針對IC的接地引腳進行Zaps。（如IEC 1000-4-2中所述，電路接地通常連接到設備機箱。Maxim推薦使用Schaffner Instruments（瑞士）的NSG 435型ESD噴槍用于IEC 1000-4-2方法，并推薦IMCS（Oryx Technology Corporation，加利福尼亞州弗里蒙特的一個部門）的4000型ESD測試儀用于改進的3015.7方法。

您應該通過在每個 zap 之后監視三個參數來檢查故障。首先，電源電流應保持恒定（增加可能表示閂鎖或內部損壞）。其次，變送器輸出電壓應繼續滿足RS-5傳輸的最低±232V電平。第三，接收器輸入電阻應保持在3kΩ至7kΩ之間（理想情況下，應保持在該范圍內的恒定水平）。請務必在所有模式下對設備進行 zap 和測試：正常運行、關機、關機、發射器高/低等。

高抗ESDIC的選擇指南

在選擇必須承受高水平ESD的IC（特別是RS-232收發器）之前，需要解決以下一些問題：

IC保證承受什么級別的ESD電壓，該水平是通過什么測試方法建立的？不同的測試方法產生不同的額定電壓。目前，推薦的方法包括IEC 1000-4-2和修改后的3015.7方法。

ESD會導致IC閂鎖嗎？ 閂鎖是一個關鍵問題。如果ESD導致電路閂鎖，IC可能會停止工作。由此產生的電源電流（高達1A）可能會損壞IC。

IC的ESD保護是否會影響正常工作？如果設計不當，正常運行可能會導致內部保護結構閂鎖。

使用IC時必須遵守特殊預防措施嗎？雙極IC可能需要昂貴的低ESR電容或具有低交流阻抗的接地層。最好在一開始就了解這些要求。

IC的最大額定壓擺率是多少？由于其ESD保護結構而易受閂鎖影響的IC，可能會指定異常低的最大壓擺率，以避免觸發閂鎖條件。

IC如何響應覆蓋保證電壓保護的整個范圍的ESD測試？ESD保護結構的觸發機制可以在不同的電壓范圍內啟動，使打開的“窗口”沒有保護。（例如，這樣的設備可以承受±10kV，但在±5kV時失效。Maxim建議ESD測試以200V為增量覆蓋整個范圍。

審核編輯：郭婷