ot;display: block;">隨著下一代無線收發(fā)器和數(shù)字通信芯片的幾何尺寸日益縮小,IC制造商越來越難以維持合理的片上ESD保護(hù)等級。而片上ESD保護(hù)力度的減少反過來又意味著系統(tǒng)設(shè)計師必須更加清醒地認(rèn)識到,只有選擇正確的保護(hù)元件并遵循基本設(shè)計規(guī)則才能在其設(shè)計中建立起應(yīng)有的ESD保護(hù),從而最大程度地提高成品率。
在追求更快和更多功能的大環(huán)境下,片上ESD保護(hù)大多因為要達(dá)到更高芯片性能而成了迫不得已的犧牲品。據(jù)ESD協(xié)會估計,未來的集成電路可能將無法承受目前片上ESD保護(hù)的電壓水平(2kV)。事實上已有人提議將片上ESD的目標(biāo)承受水平降低一半以上。如果降低了片上保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn),那么從系統(tǒng)級來說,芯片就會對電纜放電(CDE)和人體靜電放電(ESD)等瞬態(tài)現(xiàn)象更加敏感。于是,隨著當(dāng)前和今后集成電路ESD敏感性的增加,就更有必要采用更加強健的片外瞬態(tài)電壓抑制措施來保護(hù)系統(tǒng)。
ESD現(xiàn)象可采用多種模型進(jìn)行模擬,而許多人在談及芯片級模型與標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)級模型與標(biāo)準(zhǔn)時,往往會產(chǎn)生混淆。根據(jù)MIL-STD 883標(biāo)準(zhǔn)的 Method 3015 (ANSI/ESD STM5.1)規(guī)定,芯片級ESD測試是讓最低2kV的放電電壓通過一個1500 Ohm的電阻進(jìn)入被測器件。在此阻值下,該模型產(chǎn)生的電流接近。正如我們前面所說,已有人提議降低放電電壓至1000V,甚至在今后降至500V以下。而就當(dāng)前的ESD控制方式和亞微米IC的制造要求來看,這樣的水平或許也是合理的。
然而在系統(tǒng)級,電子設(shè)備則面臨更惡劣的ESD條件。今天國際公認(rèn)的系統(tǒng)級ESD標(biāo)準(zhǔn)是IEC 61000-4-2。制造商廣泛采用該標(biāo)準(zhǔn)模擬人體接觸所產(chǎn)生的ESD。它不但對保證產(chǎn)品可靠性十分重要,而且通常產(chǎn)品要想進(jìn)入國際市場就必須達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)。IEC 61000-4-2又將ESD放電電壓細(xì)分為4個危害等級,分別是通過330 Ohm 電阻釋放2kV、 4kV、 6kV和8kV電壓。如今的電子系統(tǒng)大都要求至少可抵抗3級或4級ESD電壓。以第4級為例,最大ESD電流可達(dá)30A(見表1),是芯片級ESD電流的20多倍。如果按前面所提新的片上ESD保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)算,很明顯,下一代集成電路上哪怕只出現(xiàn)一次放電,都會面臨災(zāi)難性損壞的風(fēng)險。
與其他過壓現(xiàn)象相比,靜電放電是一種非常快的瞬態(tài)脈沖。IEC 61000-4-2將其上升時間定為700ps到1ns,脈沖持續(xù)時間為60ns(見圖1)。這也解釋了為什么普通ESD現(xiàn)象在進(jìn)行板卡級抗ESD設(shè)計時會成為難題。
保護(hù)電子設(shè)備不被損壞,這項使命從來都不簡單。由于鉗位電壓低而且響應(yīng)時間短,瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管長期以來一直被用于保護(hù)系統(tǒng)免受ESD損壞。當(dāng)然,市場上還有其他類型的ESD抑制器件,但這種器件若選擇不慎,可能會讓設(shè)計人員對自己的產(chǎn)品產(chǎn)生錯誤的安全感。采用的ESD器件滿足IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)并不能保證系統(tǒng)一定可以通過ESD測試。評價一個TVS器件在系統(tǒng)中表現(xiàn)如何的最佳方法是看其鉗位電壓。所謂鉗位電壓,就是當(dāng)出現(xiàn)ESD現(xiàn)象時器件兩端維持的電壓。因此,這也是當(dāng)時被保護(hù)IC所承受的電壓。鉗位電壓過高會導(dǎo)致被保護(hù)器件承受的電壓過高,從而增大故障概率。而TVS二極管則以其優(yōu)秀的低鉗位電壓特性成為敏感電子產(chǎn)品保護(hù)領(lǐng)域的主要技術(shù)。如果使用得當(dāng),它可以將被保護(hù)器件兩端的電壓限制在稍高于該器件的工作電壓、并遠(yuǎn)低于器件損壞電壓的水平。
圖1 根據(jù)IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)得到的ESD電流波形
保護(hù)元件的鉗位性能通常用一幅繪有元件鉗位電壓與ESD電壓關(guān)系的圖來表示。但不同制造商生產(chǎn)的TVS器件在鉗位響應(yīng)上可能差異巨大,因此器件的選擇就變得更加復(fù)雜。介于此,設(shè)計師在選擇器件時應(yīng)堅持要求廠商提供數(shù)據(jù)手冊,手冊中除說明器件符合IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)外還應(yīng)提供更多其他信息。一款品質(zhì)優(yōu)良的ESD保護(hù)器件,其數(shù)據(jù)手冊中應(yīng)包含該器件的鉗位性能圖,否則設(shè)計人員就不應(yīng)考慮采用。
從TVS器件的角度說,有一點很明確——鉗位電壓越低越好。事實上,保護(hù)器件的鉗位電壓越低,系統(tǒng)就越有可能一次性通過檢測實驗室的抗ESD測試。盡管不能保證萬無一失,但通過合理布線和選用低鉗位電壓的TVS,可以最大程度地強化系統(tǒng)的抗ESD能力。
在選擇保護(hù)器件的鉗位電壓時,還必須考慮被保護(hù)器件的工作電壓。目的是在輸入電壓剛剛高于電路正常工作電壓時,保護(hù)器件就能導(dǎo)通。針對5V系統(tǒng)的傳統(tǒng)P-N結(jié)保護(hù)器件早已出現(xiàn),但隨著系統(tǒng)工作電壓降至5V以下,低電壓保護(hù)器件的需求就凸顯出來。Semtech公司開發(fā)了一種專有低電壓工藝,采用該工藝的ESD保護(hù)器件能工作在 和,泄漏電流小,過負(fù)荷能力強。
表1:IEC 61000-4-2測試等級
設(shè)計ESD保護(hù)方案時,在電路板布線和元器件選擇方面還應(yīng)注意以下問題:
1. TVS器件應(yīng)盡可能接近系統(tǒng)的接口連接器。由于ESD脈沖上升時間很短,因此我們顯然不希望它耦合到附近的走線上去。而將TVS器件盡可能靠近接口端口放置就可以限制PCB入口點的能量,從而削弱ESD現(xiàn)象引發(fā)的二次輻射效應(yīng)。
2. 盡可能縮短TVS器件到被保護(hù)I/O線之間的走線長度,以此減小寄生電感效應(yīng)(V = L*di/dt)。假設(shè)ESD的上升時間為1ns,那么一個30A的脈沖(IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)第4級)加在一個1nH的走線寄生串聯(lián)電感上可以將器件的鉗位電壓提高30V!
3. 如果可能,TVS器件的接地腳應(yīng)直接連接到電路板的地平面。如需過孔連接,則應(yīng)同時采用多個過孔連接。
4. 當(dāng)電路板承載的是高速數(shù)字信號時,TVS器件的電容特性就顯得重要起來。為保持信號完整性,應(yīng)在不犧牲鉗位性能的前提下選擇容值最小的保護(hù)器件。例如,Semtech 的RClamp0524P電容只有,因而對高速接口幾乎沒有影響。
5. 如果可以,在高速走線上應(yīng)采用流過型封裝(flow through package),因為這樣就能直接將保護(hù)器件放在PCB的差分走線對上,使走線不必分支,也不必彎曲,從而保持信號完整性。圖2給出了一個實現(xiàn)流過性封裝的例子。
6. 盡可能縮短走線長度,因為如果信號走線過長,就會象天線一樣從ESD耦合噪聲。
圖2 采用流過性封裝的RClamp0524P HDMI保護(hù)器件
半導(dǎo)體發(fā)展的趨勢是體積日益縮小,片上ESD保護(hù)日益減少,這就要求設(shè)計師在系統(tǒng)設(shè)計時更多地考慮可靠性。盡管集成電路對ESD的靈敏度在增高,但ESD這一物理現(xiàn)象卻并沒有減弱。所以未來的電子產(chǎn)品需要更強健的片外ESD保護(hù)才能提供與目前相當(dāng)?shù)南到y(tǒng)保護(hù)性能。選擇一款鉗位性能優(yōu)秀的TVS,并采用一些基本布線技術(shù),設(shè)計師們就能提高其產(chǎn)品一次性通過ESD檢測的幾率,并保證產(chǎn)品具備更高的可靠性。
作者:應(yīng)用技術(shù)經(jīng)理Bill Russell, 產(chǎn)品行銷工程師Tim Puls
Semtech公司
