- 靜電放電(ESD)潛在危害
- 高壓來自何處?
- 測試方法與標準
- 針對I/O端口的新型ESD測試
- ESD保護方法
靜電放電(ESD)常常是導致設備損壞的根源，這些設備通常安裝在上廠的地面或現場。由于這種失效常常表現為其它類型的故障，因此很難找到真正的故障原因。例如在制造過程中，終檢所發現的問題往往可以追蹤至一個損壞的元件或組件，接著又聯
系到(經過進一步研究)OEM制造或測試中的某進上序，在這進上序中，某個器件遭到了ESD襲擊。
上業設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的上作。這種狀況將導致系統的不穩定或非線性，而在數月或數年內不會造成“硬”故障。
本文將討論如何保護你的產品不受ESD危害。概括了電子行業的標準測試方法，提供一些通用的抗ESD沖擊技術，并給出一些Maxim專有的ESD保護器件。通過嚴謹的設計，這些芯片能夠在節省成本的前提下改善產品的質量，從而維護公司的信譽。
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，強大的壓力使芯片內的金屬汽化，結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的 RS-232接收器受ESD沖擊后造成的損壞情況
掩理層內的不明顯的故障時需要仔細地移開金屬層或其它層。ESD還有可能通過一定的進入儀器的核心。類似于閃電沖擊> ESD會順著電路延伸直到能最耗盡為止，其結果難以預料。
高壓來自何處?
機械地分離兩種不同的材料會產生靜電，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;另一種材料呈現出相反的表面電荷，當表面具有異性電荷的材料接觸時，電子的遷移使一種材料失
去負電荷，相應的另一種材料失去t1:電荷。這就是所謂的摩擦起電，是靜電產生和轉移的基本方式。
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、聚四氟乙烯帶負電。材料的導電性也對材料表面建立電荷的能力有影響，許多材料的導電性或表面電阻很大程度上取決于濕度，濕度越低導電能力越低，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
實際上，靜電高壓通,常是由人與周圍物體的相互作用產生的，可以想象，當一個人坐在塑料椅子的膠木臺面上時，如果他身著羊毛褲、襪、穿著皮鞋、棉襯衫、系真絲領帶，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。
圖2 放電時，該電路（人體模式）產生快速上升的峰值電流，電流峰值為15kv/1.5千歐姆—高達10A
測試方法與標準
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備的測試，如下節所述。早期采用的方式，MIL-STD-883中的方法3015.7，作為包裝、搬移芯片時的必要防范手段得到了廣泛應用，這種方法檢測封裝的每個引腳，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被稱為人體模型的電路(圖2}產生的電流波形，這個電路模擬人體的典型電容和源阻抗。由于實際送到芯片的波形與相關的測試連線及線路板的寄生電感、寄生電容有關，要求電路布線非常嚴格。電流波形代表人體接觸物體
(如IC)時產生的ESD。
由口本電了上業聯合會(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方法是基于一個被稱為機器模型(圖3)的電路，所采用的測試電流波形類似于芯片，搬運機械接觸時產生的沖擊。通過模擬聚集在移動部件上的電荷所產生的ESD波形模擬機器裝配時產生的靜電放電。
兩種測試方法互為辛吭，所以不能用其中一種代替另一種·因為不管在制造過程中、在印刷板裝配中、還是在最終產品投人使用后，ESD都有可能侵害Ic，結合人體模型和機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，對于嚴酷的環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板安裝于機箱內部時也會受到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)引腳提供適當的ESD敏感度的描述。機器模式和方法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部ESD保護電平(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沖擊時就損壞了，如果利)I I上述測試方法對其檢測，得出的結論是ESD保護等級低于士2kV幸運的是>III于I/O引腳測試的更好的方法已經產生。
針對I/O端口的新型ESD測試
I/o端口允許系統與其它設備進行通信，芯片的I/o口包含與外部設備進行連接的邏輯電路引腳，這些引腳應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的不規范操作帶來的影響。對于外部接口芯片的I/o引腳，理想的ESD檢測方法是:
.對實際設備僅采用模擬ESD事件的方法測試I/O引腳·
.采用模擬人體產生的靜電放電波形進行測試。不同電路模型規定不同的幅值、上升/下降時間和功率。
.分別在供電和斷電期間測試IC
.定義IC故障，包括“死鎖”(暫時性的功能失效)、 災難性損壞或參數失效。“死鎖”被認為是一種結構性的故障，因為，如果不做檢測，它可能帶來可靠性問題，導致系統故障。
有兩種方法一均符合上述要求一已被設備制造商廣泛采用，來測試I/O端口的ESD防護能力(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行于口標系統中的Ic所遭遇的故障電流。
第二種方法是IEC 1000-4-2 >現已成為國際標準。相比Method 3015.7測試條件，它規定了更高的電容和更低的電阻}IE C 1000-4-2被廣泛地)II于測試終端設備的接口(表2)。值得一提的是> Maxim公司的模擬開關和RS-232/RS-485接口IC完個符合這些ESD標準，且無須外圍兒件。
ESD保護方法
保護接口免受ESD損壞是設計者的責任，業內提供了多種選擇，每種方式各有利弊。下面的討論將試圖揭開許多關于ESD保護措施的誤解和謎團。
電容保護
這種方法被廣泛應用于大批消費類和汽車設備中。它通過輸人端和地之間一個簡單的并聯電容來保護輸人引腳。這種想法認為足夠容最的電容能夠吸收ESD放電，而不會超過所連接IC引腳的ESD額定值。為了方便說明，考慮一個連接至外部的引腳，且具有2kV的ESD額定值。
按照IEC 1000-4-2模型規范，將一個150pF的電容充電至15kV。如果將一個1500pF的電容并聯在暴露的引腳上，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，于是有些人認為萬事大吉。這種方法被廣泛采用>但它對于問題的認識過于簡單化。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。當一個幅度為30A的電流脈沖以lns的上升時間(IEC1000-4-2波形，圖4)施加于7nH電感時，很容易計算出每厘米接地線將產生210V的電壓毛刺。
電阻保護
電阻保護串聯于接口引腳。該阻抗能夠限制峰值電流，有助于消耗瞬態功率。與電容保護相似，必須注意，要確保電路上作不會受到阻抗增加帶來的負面影響。另一個需要注意的問題是，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，導體金屬化相似，通常具有類似的ESD限制。這些串聯電阻的寄生電容則是另外一個問題，一個短暫的跳變，即使通過幾個pF電容，一樣能夠導致IC輸人嚴幣損壞。
電阻一電容保護
這種方法是R和C保護技術的混合。每個接口引腳上所需的兩個元件，根據部分PC板面，同時增加了成本、降低了可靠性。RC網絡和鐵軟體磁珠或磁環一起，通常用于EMI抑制。
MOV和TransZorb下M保護
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措施。但是，它們的價格通常較高、體積較大，而且在接口端增加了額外的容性。與電容保護類似，這些兒件要求低感抗(短)接地回路。
增強ESD抵抗能力的布線要領
.遵守標準的模擬布線技術，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>}
.在印刷板上設置一個接地平面。
.保護電路或Ic盡最靠近I/o端口放置。
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Maxim IC的內部保護
在斤發內置ESD保護IC方面> Maxim已經投人了極大的努力。開始是RS-232和RS-485接口IC，現在此類保護器件又增加了幾種模擬開關和MAX681_系列開關去抖器。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相干這是控制系統內ESD的最好方法。它更為強健、技術成熟，而且成本低于大多數同類方案。
Maxim提供許多ESD保護的RS-232接口Ic同時很好地結合了驅動器和接收器。其中有超低功耗的RS-232接口，它們I司時集成了Maxim的AutoShutdownTM技術·本年，幾項新的創新業已公開ESD保護類RS-232接口領域。例如，采用超小型的SOT封裝、具有完整的ESD保護的單RS-232發送器和接收器(MAX318_系列)就能夠解決許多小型便攜式設備中的實際問題。
另外，已經發布的產品中還有一款專用于數據電纜的獨特的ESD保護接口。用于蜂窩電話的數據電纜通‘常是在電纜中，而非電話中，包含了一個RS-232接口。這樣，這種應用的ESD保護不僅要求在接口IC的RS-232端，而且還包括邏輯端。MAX3237E是唯一針對這個問題提供解決方案的IC。它提供了一個完整的5發送器,3接收器接口(如同modem)Maxim下}一劃推出更多具有雙端ESD保護的RS-232接口，以適合于其它應用，如PDA片座或其它電話裝置。
R S-485接口
在具有ESD保護的RS-485接口方面> Maxim也處于領導地位。在率先將ESD保護應用于這類器件后，Maxim在這個方面推出了17種產品，而且還有許多產品正在研制。值得一提的是，前年我們推出了MAX3095/MAX3096，將Maxim強健的ESD保護結構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，前年還發布了一系列的3.3V. ESD保護類 RS-485接口IC。例如，Maxim創新的MAX348_ E系列，包括ESD保護、輕負載、限斜率輸出和低功耗等特點。
模擬開關
Maxim是第一個認識到ESD保護應用于模擬開關和多路復用的價值的IC制造商，這些器件在許多應用中直接與外部系統接口，因而提供ESD保護是有必要的。第一類是一系列的ESD保護開關和多路復用器·該系列包括幾款具有士15kV ESD保護的低電壓IC引腳兼容于4051的8:1 CMOS模擬多路復用器(MAX4558)，引腳兼容于4052的X4:1 CMOS模擬多路復)IJ器(MAX4559)，引腳兼容于4053的3組SPDT開關(MAX4560 )，以及引腳兼容于4066的SPST CMOS模擬開關(MAX4551)第二個系列的器件采用JSOT23封裝，具有+-15kV ESD保護，包括單路單刀單擲(常幼開刃MAX4568) >單刀單擲(常閉)開關(MAX4569)和單刀雙擲開關(MAX4561)。
