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1.ESD的来源及其危害

  两种不同的材料进行摩擦后,一个带上正电荷,另一个带上负电荷,从而在两者之间产生一定的电压。电压的大小取决于材料的性质、空气的干燥度和其它一些因素。如果带静电的物体靠近一个接地的导体,会产生强烈的瞬间放电,这就是静电冲击(ElectroStaticDischarge)。一般来讲,带静电的物体在理论上可以简单模拟成一个被充电到很高电压的小电容。

  当集成电路(IC)受到ESD时,放电回路的电阻通常都很小,无法限制放电电流。例如将带静电的电缆插到电路接口上时,放电回路的电阻几乎为零,这将造成高达几十安培的瞬间放电尖峰电流流入相应的IC管脚。瞬间大电流会严重损伤IC,局部发热的热量甚至会融化硅片管芯。ESD对IC的损伤一般还包括内部金属连接被烧断、钝化层被破坏、晶体管单元被烧坏等。

  ESD还会引起IC的死锁(LATCHUP)。这种效应和CMOS器件内部的类似可控硅的结构单元被激活有关。高电压可激活这些结构,形成大电流通道,一般是从VCC到地。串行接口器件的锁死电流一般为1安培。锁死电流会一直保持,直到器件被断电。不过到那时,IC通常早已因过热而烧毁了。

  对串行接口器件来说,ESD会使IC工作不正常,通讯出现误码,严重的会彻底损坏。为分析故障现象,MAXIM公司对不同厂家的RS-232接口器件做了ESD测试。结果发现,通常的故障现象有两种:一种故障现象是串扰,信号接收器接收到的信号干扰了发送器,造成误码(见图1)。另一种故障是在IC内部形成了一条反向电流通道,使接收器端口接收到的RS-232信号电平(±10V)回馈到电源端(+5V)。如果电源不具备吸收电流的稳压功能,过高的回馈电压会损坏其它由单电源(+5V)供电的器件

对于串行接口器件,最简单的防护措施是在每条信号线上外加阻容元件。串联电阻能够限制尖峰电流,并联到地的电容则能限制瞬间的尖峰电压。这样做的优点是成本低,但是防护能力有限。虽然能使ESD的破坏力在一定程度上得到抑制,但依然存在。因为阻容元件并不能降低尖峰电压的峰值,仅仅是减少了电压上升的斜率。而且阻容元件还会引起信号失真,以致限制了通讯电缆的长度和通讯速率。外接的电阻/电容也增加了电路板面积。另一种广泛使用的技术是外加电压瞬变抑制器或TransZorbTM二极管。这种防护非常有效。但外加器件仍会增加电路板面积,而且防护器件的电容效应会增加信号线的等效电容,成本也较高,因为TransZorbTM二极管价格较贵(大约25美分/每个),典型的3发/5收的COM端口需要8个TransZorbTM二极管,费用高达$2美元。

  一个有效的ESD测试应在最高测试电压以内的整个电压范围进行。因为有些IC可能在10kV时通过了测试,但在4kV时反而被ESD打坏了,这样的IC实际上没有抗静电能力。人体模型和IEC1000-4-2标准规定在测试电压范围内必须以200V为一个间隔进行测试,而且要同时测试正负电压。也就是说,从±200V开始测试,±400V,±600V,一直到最高测试电压。对IC的所有可能的工作模式都应分别进行完整的ESD测试。包括上电工作状态,断电停机状态,如果串行接口器件有自动关断休眠模式,还应对这一状态再进行一次ESD测试。所有相关的测试标准和程序都规定,在每个测试电压点,对被测引脚应连续放电10次,考虑到正负电压都要测,实际要放电20次。每一轮放电完成后,应测量被测器件的相应参数,判断器件是否损坏。对于串行接口器件(RS-232,RS-485)应遵循以下判据:

  ●电源电流是否正常(电源电流增加一般意味着发生了器件死锁);

  ●信号发送输出端的输出电平是否仍在参数规格范围内;

  ●信号接收输入端的输入电阻是否正常(一般在3kΩ到7kΩ(之间)。

  只有这些指标都合格,才可转到下一个电压测试点。在所有电压点都测试完以后,还应对IC做全面的功能测试,测量IC的每个参数是否仍在参数标准定义的范围内。只有通过所有这些ESD测试后仍能达到规定参数标准的IC才是真正的抗静电IC。需要注意的是,按一般标准完成ESD测试,但并不能判断IC的好坏。有些ESD测试仪自带了一些参数测量功能,但因不是针对特定器件的参数测量,只是一般的测试手段,因而只能作为一个参考。严格的测试仍应按以上所述的测试程序和测试判据进行。
 
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