Chapter 1   第1章

系统级ESD设计

1.1　认识ESD事件

1.1.1　IC和系统级ESD应力

ESD事件表示两个不同静电势的物体相连时发生的直至电势相等或两个物体分开的能量转移。此处的“相连”姑且假定为包括空气的任何介质提供的电流通路。ESD事件引发了正比于静电势差的一个衰减的电流脉冲，上升时间和电流大小决定于连接阻抗。能量转移可以通过接触进行，也可以通过电离环境放电（电火花）。这一转移由不同的标准电路模型模拟，以测试器件是否满足相应的合格水平。通常，这些模型采用一个由给定ESD脉冲电压充电的电容器和一个充当限流电阻的网络（或环境空气条件），伴随着感性和容性负载，以便控制脉冲上升时间和波形参数。第2章会对ESD脉冲的规范、标准和测试方法进行归纳总结。

ESD电流脉冲持续时间1~200 ns，上升时间从几百皮秒（ps）到零点几纳秒（ns），电流幅值从1 A到超过50 A。除非采取特殊的防护措施，否则在某些临界幅值处，ESD瞬态电流可直接影响到系统和元器件的可靠性。这可以导致成品率的下降或消费产品的损失。

在现实生活中，作为摩擦生电、以导电表面机械连接或空气放电的形式与其他带电系统或设备接触等的后果，ESD放电可在产品寿命期限内、在制造和装配或维护过程中由终端用户对系统或器件造成冲击。例如，带电电缆或连接器与系统输入或输出端口的连接可产生放电电流，其必定会通过特别的ESD电流通路分流到系统内部（见图1.1）。

在IC中实现的钳位电压和残余电流是防护器件的击穿电压和动态电阻的函数，钳位电压可以通过将电流乘以与ESD电流通路相关的导通电阻而推算得到。

为确保系统的可靠性和合格性，必须基于一系列标准文件进行器件级和系统级的ESD鉴定试验。这种鉴定测试条件是IC和系统设计以及产品不可分割的一部分。通过这些测试是取得各种产品证书（例如产品引入消费市场所必备的欧洲CE标志）的必要条件。

同时，ESD防护策略自身是基于一个相当简单的方法。它包括一个专用的用于放电的电流通路的实现，这借助于集成电路（IC）元器件的片上防护结构或/和嵌进系统ESD防护网络。除了其他隔离措施之外，这个网络还防护系统自身。这个防护网络通常由片上有源和无源或片外板级元器件组成。总体上说，这些元器件和互连线代表一个脉冲电源网络电路，在正常工作状态下不工作，但在ESD脉冲下被激活，提供放电电流通道。ESD脉冲防护网的启动通常是由上升时间和过电压检测组合来实现的。如果IC引脚或系统端口的临界电压超过了某一阈值，片上和片外ESD防护网就开启。