如何選擇有效的ESD保護(hù)二極管

隨著更新的集成電路(IC) 技術(shù)采用更小的幾何尺寸和更低的工作電壓，新一代便攜式產(chǎn)品對(duì)靜電放電 (ESD)電壓的損壞越來越敏感。因此，手機(jī)、MP3播放器和數(shù)碼相機(jī)等便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員必須評(píng)估 ESD 保護(hù)選項(xiàng)，以確保他們選擇的解決方案能夠響應(yīng)當(dāng)今 IC 不斷變化的需求。本文將解釋選擇有效 ESD 保護(hù)所涉及的關(guān)鍵步驟。

ESD 波形

定義系統(tǒng)級(jí)典型 ESD 事件的最常用波形是 IEC61000-4-2 波形，其特點(diǎn)是亞納秒級(jí)上升時(shí)間和高電流水平。該波形的規(guī)范列出了 4 個(gè)級(jí)別的 ESD 幅度。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員都需要將他們的產(chǎn)品認(rèn)證到最高級(jí)別，即 8kV 接觸放電或 15kV 空氣放電。在組件級(jí)別進(jìn)行測試時(shí)，接觸放電測試是最合適的測試，因?yàn)榭諝夥烹姕y試在如此小的組件上是不可重復(fù)的。

ESD 考慮因素——最近的設(shè)計(jì)趨勢

ESD 保護(hù)器件的目的是將數(shù)千伏的 ESD 輸入降低到受保護(hù) IC 的安全電壓，并將電流從 IC 中分流出去。盡管所需 ESD 波形的輸入電壓和電流在過去幾年中沒有發(fā)生變化，但保護(hù) IC 所需的安全電壓水平已經(jīng)降低。過去，IC 設(shè)計(jì)對(duì) ESD 更穩(wěn)健，可以處理更高的電壓，因此選擇任何保護(hù)二極管就足夠了能夠滿足 IEC61000-4-2 4 級(jí)要求。對(duì)于更新、更敏感的 IC，當(dāng)今的設(shè)計(jì)人員不僅必須確保保護(hù)器件能夠滿足 IEC61000-4-2 4 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而且還要確保器件將 ESD 脈沖鉗位在足夠低的電壓，以確保IC沒有損壞。在為給定應(yīng)用選擇最佳保護(hù)器件時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須考慮 ESD 保護(hù)器件將傳入的 ESD 事件鉗位到多低。

如何選擇最有效的保護(hù)解決方案

保護(hù)二極管數(shù)據(jù)表中的關(guān)鍵直流規(guī)格是擊穿電壓、漏電流和電容。大多數(shù)數(shù)據(jù)表還將說明 IEC61000-4-2 的最大額定值，這表明二極管不會(huì)被指定水平的 ESD 脈沖損壞。大多數(shù)數(shù)據(jù)表的問題在于它們沒有任何關(guān)于高頻、高電流瞬態(tài)(如 ESD)的鉗位電壓的信息。與直流相比，在這些類型的瞬態(tài)事件中，保護(hù)二極管的鉗位電壓要高得多數(shù)據(jù)表上指定的電壓。然而，很難為 IEC61000-4-2 規(guī)范指定鉗位電壓，因?yàn)樗荚诔蔀橄到y(tǒng)級(jí)別的通過/失敗規(guī)范，而且頻率很高。要將這個(gè)規(guī)范應(yīng)用于保護(hù)器件，不僅要檢查保護(hù)二極管是通過還是失敗，而且還要檢查它對(duì) ESD 電壓的鉗位有多低。

比較保護(hù)二極管鉗位電壓的最佳方法是在 ESD 事件期間對(duì)二極管兩端的實(shí)際電壓波形進(jìn)行示波器截屏。這是使用測試設(shè)置完成的。

當(dāng)查看暴露于 IEC61000-4-2 的 ESD 保護(hù)設(shè)備的電壓波形時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)初始電壓尖峰，然后是二次峰值，最終電壓將趨于平穩(wěn)。初始尖峰是由 IEC61000-4-2 波形的初始電流尖峰和測試結(jié)構(gòu)中的電感導(dǎo)致的過沖共同引起的。然而，初始尖峰持續(xù)時(shí)間很短，這限制了傳輸?shù)?IC 的能量。保護(hù)裝置的鉗位性能最好顯示在初始超調(diào)之后的曲線中。次要峰值是主要問題，因?yàn)殡妷翰ㄐ纬掷m(xù)時(shí)間更長，從而增加了 IC 將暴露的總能量。在下面的研究中，鉗位電壓被定義為次級(jí)峰值的最大電壓。

基準(zhǔn)研究示例

為了進(jìn)行公平比較，所選部件應(yīng)具有相似的封裝尺寸和數(shù)據(jù)表規(guī)格。為進(jìn)行比較而選擇的部件是三個(gè) ESD 保護(hù)二極管，在比較數(shù)據(jù)表中的電氣特性時(shí)，它們被認(rèn)為可以直接替代。這些器件都是雙向 ESD 保護(hù)二極管，具有相同的擊穿電壓 (6.8V)、電容 (15pf) 和封裝外形 (1.0 mm x 0.6 mm x 0.4 mm)。本研究選擇的產(chǎn)品是 Rohm 的 RSB6.8CS、KEC 的 PG05DBTFC 和 ON Semiconductor 的 ESD9B5.0ST5G。

在比較上述部件的直流性能時(shí)，它們看起來似乎相同。此外，它們都聲稱符合 IEC61000-4-2 4 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，這意味著它們都能承受高達(dá) 8 kV 接觸的 ESD 沖擊。ESD 保護(hù)器件確保保護(hù)敏感 IC 的關(guān)鍵性能特性不是直流性能，而是直流性能。然而，盡管設(shè)備符合 IEC61000-4-2 第 4 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)很重要，但更重要的是受保護(hù)的 IC 能夠存活。為確保 IC 在 ESD 事件中存活，保護(hù)二極管必須將 ESD 電壓鉗位到足夠低的值，以免 IC 受損。

為了比較每個(gè)器件的鉗位性能，我們將對(duì) ESD 事件期間的電壓波形進(jìn)行示波器截圖。我們將進(jìn)行并排測試，保持所有測試條件相同。下面的顯示了同一圖表上每個(gè)二極管對(duì)正負(fù) ESD 脈沖的響應(yīng)。使用的輸入脈沖是標(biāo)準(zhǔn) IEC61000-4-2 4 級(jí)觸點(diǎn) (8 kV)。

當(dāng)施加 ESD 的大電流條件時(shí)，三個(gè)保護(hù)二極管的性能存在明顯差異。與 KEC 和 Rohm 部件(藍(lán)色波形)相比，安森美半導(dǎo)體保護(hù)解決方案(黑色波形)為 ESD 脈沖提供了更低的鉗位電壓。對(duì)于正脈沖，ON Semiconductor 部件鉗位在 14 V，而 KEC 為 18 V，Rohm 為 23 V。在施加負(fù)脈沖期間，三個(gè)器件之間的鉗位電壓差變得更加明顯。ON Semiconductor 部分的負(fù)脈沖鉗位電壓為 20 V，KEC 部分為 34 V，Rohm 部分為 42 V。在負(fù) ESD 事件期間，這三個(gè)器件之間存在明顯的區(qū)別，其中 KEC 部件的鉗位電壓比 ON Semiconductor 部件高 70%，而 Rohm 部件的鉗位電壓是 ON Semiconductor 部件的兩倍以上。KEC 和 Rohm 產(chǎn)品通過的負(fù)脈沖的總電壓可能對(duì)更容易受到 ESD 損壞的新 IC 設(shè)計(jì)構(gòu)成危險(xiǎn)。然而，安森美半導(dǎo)體部件在兩個(gè)方向上都保持低鉗位電壓，從而將正負(fù) ESD 脈沖的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。KEC 和 Rohm 產(chǎn)品通過的負(fù)脈沖的總電壓可能對(duì)更容易受到 ESD 損壞的新 IC 設(shè)計(jì)構(gòu)成危險(xiǎn)。然而，安森美半導(dǎo)體部件在兩個(gè)方向上都保持低鉗位電壓，從而將正負(fù) ESD 脈沖的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。KEC 和 Rohm 產(chǎn)品通過的負(fù)脈沖的總電壓可能對(duì)更容易受到 ESD 損壞的新 IC 設(shè)計(jì)構(gòu)成危險(xiǎn)。然而，安森美半導(dǎo)體部件在兩個(gè)方向上都保持低鉗位電壓，從而將正負(fù) ESD 脈沖的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

一個(gè)好的保護(hù)器件必須對(duì)正負(fù) ESD 脈沖進(jìn)行良好的鉗位，以保證最終產(chǎn)品在實(shí)際條件下的最高可靠性。雙向低鉗位電壓可確保器件保護(hù)最敏感的 IC，從而使設(shè)計(jì)人員能夠利用最新的 IC 技術(shù)推動(dòng)功能和速度的極限。鑒于鉗位電壓在選擇 ESD 保護(hù)器件中的重要性日益增加，許多保護(hù)公司都在 ESD 保護(hù)器件的數(shù)據(jù)表中提供了 ESD 鉗位屏幕截圖。