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靜電放電ESD三種模型及其防護(hù)設(shè)計(jì)
ESD:Electrostatic Discharge,即是靜電放電,每個(gè)從事硬件設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的工程師都必須掌握ESD的相關(guān)知識(shí)。為了定量表征ESD特性,一般將ESD轉(zhuǎn)化成模型表達(dá)方式,ESD的模型有很多種,下面介紹常用的三種:
1.HBM:Human Body Model,人體模型:(1500Ω±10% / 100PF±10%) 該模型表征人體帶電接觸器件放電,Rb為等效人體電阻,Cb為等效人體電容。等效電路如下圖。圖中同時(shí)給出了器件HBM模型的ESD等級(jí)。
2.MM:Machine Model,機(jī)器模型:(0Ω±10% / 200PF±10%) 機(jī)器模型的等效電路與人體模型相似,但等效電容(Cb)是200pF,等效電阻為0,機(jī)器模型與人體模型的差異較大,實(shí)際上機(jī)器的儲(chǔ)電電容變化較大,但為了描述的統(tǒng)一,取200pF。由于機(jī)器模型放電時(shí)沒(méi)有電阻,且儲(chǔ)電電容大于人體模式,同等電壓對(duì)器件的損害,機(jī)器模式遠(yuǎn)大于人體模型。
3.CDM:Charged Device Model,充電器件模型:
半導(dǎo)體器件主要采用三種封裝型式(金屬、陶瓷、塑料)。它們?cè)谘b配、傳遞、試驗(yàn)、測(cè)試、運(yùn)輸及存貯過(guò)程中,由于管殼與其它絕緣材料(如包裝用的塑料袋、傳遞用的塑料容器等)相互磨擦,就會(huì)使管殼帶電。器件本身作為電容器的一個(gè)極板而存貯電荷。CDM模型就是基于已帶電的器件通過(guò)管腳與地接觸時(shí),發(fā)生對(duì)地放電引起器件失效而建立的,器件帶電模型如下:
器件的ESD等級(jí)一般按以上三種模型測(cè)試,大部分ESD敏感器件手冊(cè)上都有器件的ESD數(shù)據(jù),一般給出的是HBM和MM。
通過(guò)器件的ESD數(shù)據(jù)可以了解器件的ESD特性,但要注意,器件的每個(gè)管腳的ESD特性差異較大,某些管腳的ESD電壓會(huì)特別低,一般來(lái)說(shuō),高速端口,高阻輸入端口,模擬端口ESD電壓會(huì)比較低。
ESD防護(hù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,需要各個(gè)環(huán)節(jié)的控制。下圖是一個(gè)ESD防護(hù)的流程圖:
ESD防護(hù)設(shè)計(jì)可分為單板防護(hù)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)防護(hù)設(shè)計(jì)、加工環(huán)境設(shè)計(jì)和應(yīng)用環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì),單板防護(hù)設(shè)計(jì)可以提高單板ESD水平,降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度和系統(tǒng)組裝的靜電防護(hù)要求。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)還不能滿(mǎn)足要求時(shí),需要進(jìn)行應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)防護(hù)設(shè)計(jì)。ESD敏感器件在裝聯(lián)和整機(jī)組裝時(shí),環(huán)境的ESD直接加載到器件,所以加工環(huán)境的ESD防護(hù)是至關(guān)重要的。
一般整機(jī)、單板、接口的接觸放電應(yīng)達(dá)到±2000V(HBM)以上的防護(hù)要求。器件的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)是在器件不能滿(mǎn)足ESD環(huán)境要求的情況下,通過(guò)衰減加到器件上的ESD能量達(dá)到保護(hù)器件的目的。ESD是電荷放電,具有電壓高,持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn),根據(jù)這些特點(diǎn),ESD能量衰減可通過(guò)電壓限制、電流限制、高通濾波、帶通濾波等方式實(shí)現(xiàn),所以防護(hù)電路的形式多種多樣。