中心論題：

• 說(shuō)明ESD閃擊可能引發(fā)的故障機制
• ESD測量標準
• 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)是嚴重的熱過(guò)載
• 系統設計必須包含初級保護元件
• 設計中使用的TVS二極管必須滿(mǎn)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(cháng)期趨勢，促使靜電放電(ESD)保護在目的性工程的總體實(shí)踐中日益重要。首先，與數年前相比，隨著(zhù)用戶(hù)、信號I/O功能日益復雜和流行，產(chǎn)品上ESD的閃擊進(jìn)入點(diǎn)多了許多。尤其是對于信號I/O端口，以及小鍵盤(pán)、指示器、顯示器。

其次，隨著(zhù)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)，在計算核心領(lǐng)域幅度最大，而且在I/O、存儲器、模擬電路也是如此。這個(gè)趨勢的一個(gè)受害者就是傳統的保護器件，它們的閾值電壓超過(guò)了當前器件的最高電壓應力極限。

第三，伴隨著(zhù)集成器件尺寸的縮小，信號傳輸頻率增加迅猛。這個(gè)趨勢極大改善了計算裝置的吞吐速度，以及射頻和光子系統的頻譜接入。然而，隨著(zhù)信號傳輸頻率的增加，電路對并聯(lián)電容的承受力減弱了。遺憾的是，所有的瞬態(tài)電壓保護器件均須工作在并聯(lián)模式，因此在其非工作模式中導致了并聯(lián)的雜散。

最后，當前集成器件的微型化趨勢也造成了產(chǎn)品尺寸的總體縮小。較短的傳導跡線(xiàn)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)的耦合系數較小。然而，較低的雜散電感也增強了跡線(xiàn)對電流瞬態(tài)的響應，并降低了電流路徑的動(dòng)態(tài)阻抗。

故障機制
防范危險的最好保護方法始于損害的基本性質(zhì)是嚴重的熱過(guò)載，以及它對系統的損害方式。ESD損害的基本性質(zhì)是嚴重的熱過(guò)載，在放電事件中，由于它以極快的速度傳遞能量，其速度遠遠超過(guò)常見(jiàn)IC結構的熱時(shí)間常數，并且一般把能量集中在極小的體積內，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、模擬信號處理器等高精度超低噪聲應用中，它對電壓過(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），并增加反向泄漏電流。超過(guò)電流限制時(shí)可能導致基極發(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(zhù)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)題驅使工藝開(kāi)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度大于厚膜，但柵極氧化物的擊穿電壓仍然會(huì )隨著(zhù)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)出現在MOS晶體管的柵極上（相對于溝道電勢），氧化物就會(huì )失效，這個(gè)事件稱(chēng)作“氧化物穿通”。輕微的損害也會(huì )導致明顯的柵極泄漏。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內部的傳導膜也會(huì )遭受ESD導致熔斷引發(fā)的故障，從而導致斷路。熔斷行為遵循I2t特征。內部峰值電流高達30A時(shí)，即使ESD的短暫閃擊也能毀壞鈦鎢或鎳鉻薄膜跡線(xiàn)。

測量標準
務(wù)必指出的是，ESD抗擾度標準規定了系統級達標測試。測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，它規定了一個(gè)源極模型，后者包含一個(gè)100pF電荷存儲器，在1500 ohm源極電阻后面，用于在高達2kV的電勢做測試。正如此后的許多ESD抗擾度測試程序一樣，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(cháng)久以來(lái)，對于氣隙放電測試，測試執行過(guò)程和環(huán)境的微小變化也使得測試可重復性的問(wèn)題多多。

目前最常用的ESD抗擾度標準是IEC 61000-4-2標準。該系統級標準規定了一個(gè)源極模型，后者包含一個(gè)150pF電荷存儲器（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）。與舊標準規定的源極相比，大電荷存儲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規定了4個(gè)測試強度級別。前兩個(gè)級別強度較低，適合于具備防靜電表面的受控環(huán)境中的永久設備。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)級別針對不受控環(huán)境中只受到零星觸碰的設備，如臺式電腦，操作人員只在工作日為了開(kāi)機才觸碰它。第四級是最高強度級別，針對不受控環(huán)境中經(jīng)常被觸碰的設備，比如手機、MP3播放器或筆記本電腦。

IEC 61000-4-2測試程序同時(shí)包含了接觸放電和氣隙放電。接觸放電提供了更一致、可再現性更高的結果。在接觸放電非實(shí)際條件的情況下，應仔細記錄測試設置和程序，并測試足夠多的單元，以便評估測試結果中的變化程度。

一些IC制造商會(huì )參照各項標準和源極模型來(lái)聲明ESD抗擾度。應仔細了解這些聲明是遵循MIL STD 883程序還是更現代的標準。如果是后者，則在接受它們的聲明值之前，還應了解這些聲明適用的電路板布線(xiàn)約束條件。缺乏參考測試說(shuō)明的ESD抗擾度聲明毫無(wú)意義。

初級保護
雖然IC引腳配備了電壓過(guò)載箝位電路，但這些電路結構太小，并且位置遠離放電進(jìn)入點(diǎn)，無(wú)法像初級保護機制那樣有效。因此，系統設計必須包含初級保護元件，以便把能量從ESD閃擊安全地分流。

對于ESD耐受性，保護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。如果把初級保護器件放在離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(xiàn)。而如果把初級保護器件放在離進(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(cháng)的跡線(xiàn)長(cháng)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(xiàn)，包括那些未在外部端口終結的跡線(xiàn)，如果在此終結，它們就不會(huì )受到ESD引發(fā)的應力的危害。

與此類(lèi)似，接地設計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。這項要求一般建議：保護器件配備的接地跡線(xiàn)比設計方案所擔保的更粗，或者使用接地層。

應仔細考慮初級保護器件的規格。元器件制造商只用幾個(gè)參數來(lái)描述瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)的特性，但所有參數均須適合于所需受保護的特定線(xiàn)路。額定工作電壓或最高開(kāi)路電壓是被保護電路在正常工作條件下應承受的最高電勢。電壓不超過(guò)最高開(kāi)路電壓時(shí)，器件的泄漏電流應不會(huì )超過(guò)極小的規定值。最高開(kāi)路電壓及其泄漏電流應適用于器件的整個(gè)工作溫度范圍。

隨著(zhù)器件電勢超過(guò)最高開(kāi)路電壓，分流電流將開(kāi)始增加。元器件制造商在分流電流升至特定值時(shí)，規定了一個(gè)稱(chēng)作“擊穿電壓”的閾值。該閾值在室溫時(shí)一般比最高開(kāi)路電壓高10－15%，并且正溫度系數約為0.1%/℃。

TVS把受保護節點(diǎn)限制在箝位電壓，元器件的數據表在其峰值沖擊電流（最高安全工作電流）規定該電壓值。箝位電壓一般比最高開(kāi)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)的內部溫升。保守地規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(xiàn)中的受保護節點(diǎn)和地之間的寄生電阻的分流電流。讓跡線(xiàn)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(xiàn)中的寄生電感對箝位電壓產(chǎn)生動(dòng)態(tài)影響。讓跡線(xiàn)盡可能短和寬，也可以把這個(gè)動(dòng)態(tài)項降至最低。

以上部分介紹了電子行業(yè)的四個(gè)長(cháng)期技術(shù)和應用趨勢，這些趨勢提高了靜電放電(ESD)保護對耐用電子設計的重要性。舉例說(shuō)明了ESD閃擊可能引發(fā)的故障機制，以及一些定義測試儀器和測試協(xié)議的常見(jiàn)標準，人們可用這些儀器和協(xié)議來(lái)評估產(chǎn)品的耐用性。最后介紹了分流型保護器件的關(guān)鍵參數，可用這些器件來(lái)保護設計方案中易被ESD和其它快速瞬態(tài)損壞的節點(diǎn)。第二部分將介紹最常見(jiàn)的分流時(shí)間瞬態(tài)抑制器，并探討如何為其中廣泛應用的器件制定規格。

抑制器（或稱(chēng)箝位器件）有多種構造。最常見(jiàn)的是金屬氧化物壓敏電阻(MOV)、聚合物變阻器、標準齊納二極管、雪崩瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管。它們均作為分流型保護器件來(lái)工作。（在電源軌應用中，保險絲、斷路器或其它過(guò)流限制元件應位于能量來(lái)源與任何分流型瞬態(tài)保護器件之間。缺乏此類(lèi)串聯(lián)過(guò)流保護，就可能在分流器件工作時(shí)導致危險狀況。）與此類(lèi)似，應考慮應用在分流型保護器件與線(xiàn)路驅動(dòng)器或其它低壓I/O信號源之間是否需要串聯(lián)阻抗，以針對信號路徑上的過(guò)多故障電流提供保護。

MOV內部結構包括一個(gè)氧化鋅顆粒矩陣，這些顆粒在其邊界的表現像PN半導體結。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器。對于汽車(chē)、工業(yè)、數據處理和類(lèi)似環(huán)境中易受線(xiàn)路浪涌影響的直流電應用，上述器件能起到相似作用。然而，這些特性使MOV不適合于多數信號線(xiàn)路保護方案。

聚合物變阻器的表現類(lèi)似于可控硅，這意味著(zhù)它們的I/V曲線(xiàn)可迅速折回，使箝位電壓遠低于閾值。再加上它們的低電容和小尺寸，使它們對于高速信號線(xiàn)路很具有吸引力。但遺憾的是，它們的閾值電壓經(jīng)常高于現代信號I/O端口上的電壓過(guò)應力極限情況下的實(shí)際可承受量。

齊納二極管的特征表現與分流式穩壓器相同。這類(lèi)器件在低于其閾值電壓時(shí)表現出的泄漏電流非常合理。隨著(zhù)源極電壓升高并超出齊納二極管的閾值，器件開(kāi)始導電。無(wú)負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，但構造和規格方面的差異使TVS二極管更適合于瞬態(tài)保護，尤其是對于低壓節點(diǎn)。實(shí)際上，TVS二極管是面向此類(lèi)應用的最常見(jiàn)保護器件。很多關(guān)于ESD減緩和浪涌抑制的文獻把TVS二極管稱(chēng)作齊納二極管，并且兩者經(jīng)常共用相同的原理圖符號，這造成了不必要的困惑。因此對文章、應用說(shuō)明和其它設計支持材料應做仔細闡釋。

TVS二極管提供的主要優(yōu)勢是箝位電壓低和開(kāi)關(guān)時(shí)間少于一納秒。這些元件的結面積一般大于標準齊納二極管，這使它們能更好地吸收瞬態(tài)能量。然而，較大的結增加了器件的關(guān)斷模式分流電容。由于結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，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端口設計時(shí)，要記住上述情況。

確定TVS二極的規格
六個(gè)關(guān)鍵參數可以描述TVS二極管：擊穿電壓(VBR)及其溫度系數(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)。高速信號線(xiàn)路保護應用對結電容(CJ)也很敏感，制造商通常在零伏偏置電壓規定其規格，這是該測量標準的最壞情形工作條件。

有數千種TVS二極管可供選擇，和多參數器件的常見(jiàn)情況一樣，人們必須準備同時(shí)應付多種器件規格。

其中一種方法是借助三項數據開(kāi)始：節點(diǎn)的最大正常工作電壓(VN)、連接至該節點(diǎn)的任何半導體的絕對最大引腳電壓(VNM)、危險情況的最大故障電流(IIM)。設計中使用的TVS二極管必須滿(mǎn)足三項關(guān)系：VWM>VN、VCM<VNM、IIM<IPPM。

如果按照IEC 61000-4-2等標準來(lái)設計保護方案，則應采用該標準的IIM。如果使用的標準未規定峰值電流，則可把測試電壓除以源極阻抗，并把結果提高20或25%，以便為設計提供一些裕量。

如果尺寸、成本、電容約束條件允許選擇IPP大于應用最低要求的TVS二極管，那么將能實(shí)現低于二極管數據表建議的箝位電壓。這是因為器件制造商是在器件的峰值脈沖電流規定箝位電壓的。如果應用的最大期望故障電流（直接給出或根據標準計算）低于器件的IPP，則箝位電壓將是數據表數值的可計算的一部分。

假設二極管的電壓是VBR(MAX)（最壞情形中的導電開(kāi)端）和VCM（對應于最大電流IPPM的箝位電壓）之間電流的線(xiàn)性函數，并且VBR(MAX)位置的電流相對于IPPM可忽略不計，則中等電流時(shí)箝位電壓的保守估算值為

如果TVS二極管的數據表未規定VBR(MAX)，則合理的近似值為

如果應用必須工作于低溫狀態(tài)，而VBR具有正溫度系數，約為每攝氏度0.1%。在低溫條件下，該數量壓縮了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。如果設計遵循的標準未規定峰值閃擊電流，則可以計算該值。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(kāi)路電壓VOC除以其源阻抗ZS?？梢院?jiǎn)單根據來(lái)計算峰值功耗：
 

如果閃擊源和保護器件之間存在阻抗ZI，則箝位器件的功耗降至
 

然而，構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：
 

如果抑制器的數據表規定了峰值功耗，則該規格適用于具體波形和脈沖寬度。TVS二極管制造商通常報出的規格中包括10/1,000微秒脈沖。這個(gè)瞬態(tài)具有所謂的雙指數：波形在上升沿和下降沿都有指數型時(shí)域特性。在這種情況下，10/1,000規格是指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(lài)于波形和脈沖寬度，這是因為瞬態(tài)遠遠短于器件的熱時(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量（焦耳），與之形成對比的是器件在事件期間所能消耗的能量數量，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(cháng)于器件的熱時(shí)間常量。

在此類(lèi)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(xiàn)的時(shí)間積分，而tw為脈沖寬度。制造商的數據表經(jīng)常以降額曲線(xiàn)的形式說(shuō)明此項關(guān)系。