- 靜電放電(ESD)潛在危害
- 高壓來自何處?
- 測試方法與標(biāo)準(zhǔn)
- 針對I/O端口的新型ESD測試
- ESD保護(hù)方法
靜電放電(ESD)常常是導(dǎo)致設(shè)備損壞的根源，這些設(shè)備通常安裝在上廠的地面或現(xiàn)場。由于這種失效常常表現(xiàn)為其它類型的故障，因此很難找到真正的故障原因。例如在制造過程中，終檢所發(fā)現(xiàn)的問題往往可以追蹤至一個(gè)損壞的元件或組件，接著又聯(lián)
系到(經(jīng)過進(jìn)一步研究)OEM制造或測試中的某進(jìn)上序，在這進(jìn)上序中，某個(gè)器件遭到了ESD襲擊。
上業(yè)設(shè)備的早期失效和后期安裝問題常常是由安裝過程中的ESD而造成的。ESD的潛在危害是它只造成儀器性能的退化(至少在初期)并不明顯地影響系統(tǒng)的上作。這種狀況將導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定或非線性，而在數(shù)月或數(shù)年內(nèi)不會(huì)造成“硬”故障。
本文將討論如何保護(hù)你的產(chǎn)品不受ESD危害。概括了電子行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)測試方法，提供一些通用的抗ESD沖擊技術(shù)，并給出一些Maxim專有的ESD保護(hù)器件。通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)，這些芯片能夠在節(jié)省成本的前提下改善產(chǎn)品的質(zhì)量，從而維護(hù)公司的信譽(yù)。
潛在危害
圖1中的顯微圖片表明競爭對手的RS-232接口芯片在受到15kV(一般測試水平)的ESD沖擊后的損壞情況，強(qiáng)大的壓力使芯片內(nèi)的金屬汽化，結(jié)果造成明顯的大面積損壞。其它情況下，考察柵氧化層或
圖1.該顯微圖片表示不帶保護(hù)的 RS-232接收器受ESD沖擊后造成的損壞情況
掩理層內(nèi)的不明顯的故障時(shí)需要仔細(xì)地移開金屬層或其它層。ESD還有可能通過一定的進(jìn)入儀器的核心。類似于閃電沖擊> ESD會(huì)順著電路延伸直到能最耗盡為止，其結(jié)果難以預(yù)料。
高壓來自何處?
機(jī)械地分離兩種不同的材料會(huì)產(chǎn)生靜電，這些中性材料的表面被不同程度地電化成兩層，或許外層帶有大量電子，這些電子被材料中的大部分t1:電荷平衡;另一種材料呈現(xiàn)出相反的表面電荷，當(dāng)表面具有異性電荷的材料接觸時(shí)，電子的遷移使一種材料失
去負(fù)電荷，相應(yīng)的另一種材料失去t1:電荷。這就是所謂的摩擦起電，是靜電產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移的基本方式。
表1列出了不同材料摩擦起電的電荷特性，如玻璃、尼龍帶t1:電，硅、聚四氟乙烯帶負(fù)電。材料的導(dǎo)電性也對材料表面建立電荷的能力有影響，許多材料的導(dǎo)電性或表面電阻很大程度上取決于濕度，濕度越低導(dǎo)電能力越低，越容易阻止電荷的遷移使其停
留在原位。
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表1.摩擦起電特性
實(shí)際上，靜電高壓通,常是由人與周圍物體的相互作用產(chǎn)生的，可以想象，當(dāng)一個(gè)人坐在塑料椅子的膠木臺面上時(shí)，如果他身著羊毛褲、襪、穿著皮鞋、棉襯衫、系真絲領(lǐng)帶，我們很難定最分析以上能夠摩擦起電的混合材料，但可以斷定有大最的電荷被
建立。針對不同情形可以用幾種公認(rèn)的模型描述帶電人體，最為通行的模型(圖2)是充電到15,OOOV的100pF電容與1500。電阻串聯(lián)。
圖2 放電時(shí)，該電路（人體模式）產(chǎn)生快速上升的峰值電流，電流峰值為15kv/1.5千歐姆—高達(dá)10A
測試方法與標(biāo)準(zhǔn)
兩種通行的集成電路ESD敏感度檢測方法已被修改后用于最終設(shè)備的測試，如下節(jié)所述。早期采用的方式，MIL-STD-883中的方法3015.7，作為包裝、搬移芯片時(shí)的必要防范手段得到了廣泛應(yīng)用，這種方法檢測封裝的每個(gè)引腳，并與其它引腳相對比，依照
最低失效電壓對器件分級。
該測試中所施加的信號是由一個(gè)被稱為人體模型的電路(圖2}產(chǎn)生的電流波形，這個(gè)電路模擬人體的典型電容和源阻抗。由于實(shí)際送到芯片的波形與相關(guān)的測試連線及線路板的寄生電感、寄生電容有關(guān)，要求電路布線非常嚴(yán)格。電流波形代表人體接觸物體
(如IC)時(shí)產(chǎn)生的ESD。
由口本電了上業(yè)聯(lián)合會(huì)(EIAJ)選定的另一種測試方法與上述方法相比只是選用C的大小不同。這種所謂的Ic-121方法是基于一個(gè)被稱為機(jī)器模型(圖3)的電路，所采用的測試電流波形類似于芯片，搬運(yùn)機(jī)械接觸時(shí)產(chǎn)生的沖擊。通過模擬聚集在移動(dòng)部件上的電荷所產(chǎn)生的ESD波形模擬機(jī)器裝配時(shí)產(chǎn)生的靜電放電。
兩種測試方法互為辛吭，所以不能用其中一種代替另一種·因?yàn)椴还茉谥圃爝^程中、在印刷板裝配中、還是在最終產(chǎn)品投人使用后，ESD都有可能侵害Ic，結(jié)合人體模型和機(jī)器模型的綜合測試有利于保證Ic在制造過程中和使用壽期內(nèi)，對于嚴(yán)酷的環(huán)境具有足夠的承受力。
以上兩種測試方法均是針對芯片的，最終產(chǎn)品的裸露接口還需要其它特殊的檢測。例如，通過連接器暴露在外界的芯片引腳即使在將Pc板安裝于機(jī)箱內(nèi)部時(shí)也會(huì)受到ESD的沖擊，而與線路板上電路相連的引腳則不容易受到ESD的沖擊。
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對于這類芯片，類似于方法3015.7檢測組合引腳)的測試手段無法對輸沁輸出(I/O)引腳提供適當(dāng)?shù)腅SD敏感度的描述。機(jī)器模式和方法3015.7提供引腳的最低失效電壓等級，但不能確切判斷I/O引腳需要的較高的內(nèi)部ESD保護(hù)電平(由制造商提鈞，有些器件的I/O引腳能夠承受士15kV的沖擊，而非I/O引腳或許受到士2kV沖擊時(shí)就損壞了，如果利)I I上述測試方法對其檢測，得出的結(jié)論是ESD保護(hù)等級低于士2kV幸運(yùn)的是>III于I/O引腳測試的更好的方法已經(jīng)產(chǎn)生。
針對I/O端口的新型ESD測試
I/o端口允許系統(tǒng)與其它設(shè)備進(jìn)行通信，芯片的I/o口包含與外部設(shè)備進(jìn)行連接的邏輯電路引腳，這些引腳應(yīng)該能夠承受靜電放電和其它因操作員在連接或斷開電纜時(shí)的不規(guī)范操作帶來的影響。對于外部接口芯片的I/o引腳，理想的ESD檢測方法是:
.對實(shí)際設(shè)備僅采用模擬ESD事件的方法測試I/O引腳·
.采用模擬人體產(chǎn)生的靜電放電波形進(jìn)行測試。不同電路模型規(guī)定不同的幅值、上升/下降時(shí)間和功率。
.分別在供電和斷電期間測試IC
.定義IC故障，包括“死鎖”(暫時(shí)性的功能失效)、 災(zāi)難性損壞或參數(shù)失效。“死鎖”被認(rèn)為是一種結(jié)構(gòu)性的故障，因?yàn)?，如果不做檢測，它可能帶來可靠性問題，導(dǎo)致系統(tǒng)故障。
有兩種方法一均符合上述要求一已被設(shè)備制造商廣泛采用，來測試I/O端口的ESD防護(hù)能力(圖3)第一種方法修改自Method 3015.7 > MIL-STD-883它采用了與原來方法相同的電路模型和波形，但只將ESD脈沖施加于器件的I/o引腳。這種方法的口的是模擬已安裝于線路板并運(yùn)行于口標(biāo)系統(tǒng)中的Ic所遭遇的故障電流。
第二種方法是IEC 1000-4-2 >現(xiàn)已成為國際標(biāo)準(zhǔn)。相比Method 3015.7測試條件，它規(guī)定了更高的電容和更低的電阻}IE C 1000-4-2被廣泛地)II于測試終端設(shè)備的接口(表2)。值得一提的是> Maxim公司的模擬開關(guān)和RS-232/RS-485接口IC完個(gè)符合這些ESD標(biāo)準(zhǔn)，且無須外圍兒件。
ESD保護(hù)方法
保護(hù)接口免受ESD損壞是設(shè)計(jì)者的責(zé)任，業(yè)內(nèi)提供了多種選擇，每種方式各有利弊。下面的討論將試圖揭開許多關(guān)于ESD保護(hù)措施的誤解和謎團(tuán)。
電容保護(hù)
這種方法被廣泛應(yīng)用于大批消費(fèi)類和汽車設(shè)備中。它通過輸人端和地之間一個(gè)簡單的并聯(lián)電容來保護(hù)輸人引腳。這種想法認(rèn)為足夠容最的電容能夠吸收ESD放電，而不會(huì)超過所連接IC引腳的ESD額定值。為了方便說明，考慮一個(gè)連接至外部的引腳，且具有2kV的ESD額定值。
按照IEC 1000-4-2模型規(guī)范，將一個(gè)150pF的電容充電至15kV。如果將一個(gè)1500pF的電容并聯(lián)在暴露的引腳上，它將最大充電至測試電壓的1/10 (1.SkV)由l幾該值低于IC的ESD額定值，于是有些人認(rèn)為萬事大吉。這種方法被廣泛采用>但它對于問題的認(rèn)識過于簡單化。在某種條件下它可以提供一定的保路上作不受必要的電容或寄生電感的影響為說明這種保護(hù)方式對于布線的敏感程度，考慮印刷板上一段1 cm長的線條，它具有的電感最大約為7nH。當(dāng)一個(gè)幅度為30A的電流脈沖以lns的上升時(shí)間(IEC1000-4-2波形，圖4)施加于7nH電感時(shí)，很容易計(jì)算出每厘米接地線將產(chǎn)生210V的電壓毛刺。
電阻保護(hù)
電阻保護(hù)串聯(lián)于接口引腳。該阻抗能夠限制峰值電流，有助于消耗瞬態(tài)功率。與電容保護(hù)相似，必須注意，要確保電路上作不會(huì)受到阻抗增加帶來的負(fù)面影響。另一個(gè)需要注意的問題是，電阻自身也有可能對ESD敏感。金屬薄膜電阻采用的制造方
法，導(dǎo)體金屬化相似，通常具有類似的ESD限制。這些串聯(lián)電阻的寄生電容則是另外一個(gè)問題，一個(gè)短暫的跳變，即使通過幾個(gè)pF電容，一樣能夠?qū)е翴C輸人嚴(yán)幣損壞。
電阻一電容保護(hù)
這種方法是R和C保護(hù)技術(shù)的混合。每個(gè)接口引腳上所需的兩個(gè)元件，根據(jù)部分PC板面，同時(shí)增加了成本、降低了可靠性。RC網(wǎng)絡(luò)和鐵軟體磁珠或磁環(huán)一起，通常用于EMI抑制。
MOV和TransZorb下M保護(hù)
在I/O引腳上連接金屬一軟化物壓敏電阻或硅舌崩型抑制器是非常有效的保護(hù)措施。但是，它們的價(jià)格通常較高、體積較大，而且在接口端增加了額外的容性。與電容保護(hù)類似，這些兒件要求低感抗(短)接地回路。
增強(qiáng)ESD抵抗能力的布線要領(lǐng)
.遵守標(biāo)準(zhǔn)的模擬布線技術(shù)，將所有的旁路及電泵電容放置在盡可能靠近Ic的位置(尤其是接口Ic>}
.在印刷板上設(shè)置一個(gè)接地平面。
.保護(hù)電路或Ic盡最靠近I/o端口放置。
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Maxim IC的內(nèi)部保護(hù)
在斤發(fā)內(nèi)置ESD保護(hù)IC方面> Maxim已經(jīng)投人了極大的努力。開始是RS-232和RS-485接口IC，現(xiàn)在此類保護(hù)器件又增加了幾種模擬開關(guān)和MAX681_系列開關(guān)去抖器。所有器件都能夠承受直接施加于其I/o引腳上的IEC 1000-4-2 ESD放電。Maxim相干這是控制系統(tǒng)內(nèi)ESD的最好方法。它更為強(qiáng)健、技術(shù)成熟，而且成本低于大多數(shù)同類方案。
Maxim提供許多ESD保護(hù)的RS-232接口Ic同時(shí)很好地結(jié)合了驅(qū)動(dòng)器和接收器。其中有超低功耗的RS-232接口，它們I司時(shí)集成了Maxim的AutoShutdownTM技術(shù)·本年，幾項(xiàng)新的創(chuàng)新業(yè)已公開ESD保護(hù)類RS-232接口領(lǐng)域。例如，采用超小型的SOT封裝、具有完整的ESD保護(hù)的單RS-232發(fā)送器和接收器(MAX318_系列)就能夠解決許多小型便攜式設(shè)備中的實(shí)際問題。
另外，已經(jīng)發(fā)布的產(chǎn)品中還有一款專用于數(shù)據(jù)電纜的獨(dú)特的ESD保護(hù)接口。用于蜂窩電話的數(shù)據(jù)電纜通‘常是在電纜中，而非電話中，包含了一個(gè)RS-232接口。這樣，這種應(yīng)用的ESD保護(hù)不僅要求在接口IC的RS-232端，而且還包括邏輯端。MAX3237E是唯一針對這個(gè)問題提供解決方案的IC。它提供了一個(gè)完整的5發(fā)送器,3接收器接口(如同modem)Maxim下}一劃推出更多具有雙端ESD保護(hù)的RS-232接口，以適合于其它應(yīng)用，如PDA片座或其它電話裝置。
R S-485接口
在具有ESD保護(hù)的RS-485接口方面> Maxim也處于領(lǐng)導(dǎo)地位。在率先將ESD保護(hù)應(yīng)用于這類器件后，Maxim在這個(gè)方面推出了17種產(chǎn)品，而且還有許多產(chǎn)品正在研制。值得一提的是，前年我們推出了MAX3095/MAX3096，將Maxim強(qiáng)健的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)和低功耗上作模式延伸到了早期的26LS32四接收器上(引腳兼容)。另外，前年還發(fā)布了一系列的3.3V. ESD保護(hù)類 RS-485接口IC。例如，Maxim創(chuàng)新的MAX348_ E系列，包括ESD保護(hù)、輕負(fù)載、限斜率輸出和低功耗等特點(diǎn)。
模擬開關(guān)
Maxim是第一個(gè)認(rèn)識到ESD保護(hù)應(yīng)用于模擬開關(guān)和多路復(fù)用的價(jià)值的IC制造商，這些器件在許多應(yīng)用中直接與外部系統(tǒng)接口，因而提供ESD保護(hù)是有必要的。第一類是一系列的ESD保護(hù)開關(guān)和多路復(fù)用器·該系列包括幾款具有士15kV ESD保護(hù)的低電壓IC引腳兼容于4051的8:1 CMOS模擬多路復(fù)用器(MAX4558)，引腳兼容于4052的X4:1 CMOS模擬多路復(fù))IJ器(MAX4559)，引腳兼容于4053的3組SPDT開關(guān)(MAX4560 )，以及引腳兼容于4066的SPST CMOS模擬開關(guān)(MAX4551)第二個(gè)系列的器件采用JSOT23封裝，具有+-15kV ESD保護(hù)，包括單路單刀單擲(常幼開刃MAX4568) >單刀單擲(常閉)開關(guān)(MAX4569)和單刀雙擲開關(guān)(MAX4561)。
