靜電沖擊（ESD）對電子設備的危害極大，歐洲從1996年就開(kāi)始對電子設備抗靜電沖擊的能力制訂了標準，未達標的產(chǎn)品在歐洲很難銷(xiāo)售。半導體芯片制造商對ESD問(wèn)題也傾注了很高的熱情。對于那些與外界有接口的電路或芯片，如RS－232、RS－485串行接口、模擬開(kāi)關(guān)等IC，ESD問(wèn)題顯得尤其重要。本文討論ESD的來(lái)源、造成的危害和相應的防護措施，以及如何測試集成電路的防靜電沖擊能力。

1.ESD的來(lái)源及其危害

兩種不同的材料進(jìn)行摩擦后，一個(gè)帶上正電荷，另一個(gè)帶上負電荷，從而在兩者之間產(chǎn)生一定的電壓。電壓的大小取決于材料的性質(zhì)、空氣的干燥度和其它一些因素。如果帶靜電的物體靠近一個(gè)接地的導體，會(huì )產(chǎn)生強烈的瞬間放電，這就是靜電沖擊（ElectroStaticDischarge）。一般來(lái)講，帶靜電的物體在理論上可以簡(jiǎn)單模擬成一個(gè)被充電到很高電壓的小電容。

當集成電路（IC）受到ESD時(shí)，放電回路的電阻通常都很小，無(wú)法限制放電電流。例如將帶靜電的電纜插到電路接口上時(shí)，放電回路的電阻幾乎為零，這將造成高達幾十安培的瞬間放電尖峰電流流入相應的IC管腳。瞬間大電流會(huì )嚴重損傷IC，局部發(fā)熱的熱量甚至會(huì )融化硅片管芯。ESD對IC的損傷一般還包括內部金屬連接被燒斷、鈍化層被破壞、晶體管單元被燒壞等。

ESD還會(huì )引起IC的死鎖（LATCHUP）。這種效應和CMOS器件內部的類(lèi)似可控硅的結構單元被激活有關(guān)。高電壓可激活這些結構，形成大電流通道，一般是從VCC到地。串行接口器件的鎖死電流一般為1安培。鎖死電流會(huì )一直保持，直到器件被斷電。不過(guò)到那時(shí)，IC通常早已因過(guò)熱而燒毀了。

對串行接口器件來(lái)說(shuō)，ESD會(huì )使IC工作不正常，通訊出現誤碼，嚴重的會(huì )徹底損壞。為分析故障現象，MAXIM公司對不同廠(chǎng)家的RS－232接口器件做了ESD測試。結果發(fā)現，通常的故障現象有兩種：一種故障現象是串擾，信號接收器接收到的信號干擾了發(fā)送器，造成誤碼。另一種故障是在IC內部形成了一條反向電流通道，使接收器端口接收到的RS－232信號電平（±10V）回饋到電源端（＋5V）。如果電源不具備吸收電流的穩壓功能，過(guò)高的回饋電壓會(huì )損壞其它由單電源（＋5V）供電的器件

2.ESD防護措施

對于串行接口器件，最簡(jiǎn)單的防護措施是在每條信號線(xiàn)上外加阻容元件。串聯(lián)電阻能夠限制尖峰電流，并聯(lián)到地的電容則能限制瞬間的尖峰電壓。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是成本低，但是防護能力有限。雖然能使ESD的破壞力在一定程度上得到抑制，但依然存在。因為阻容元件并不能降低尖峰電壓的峰值，僅僅是減少了電壓上升的斜率。而且阻容元件還會(huì )引起信號失真，以致限制了通訊電纜的長(cháng)度和通訊速率。外接的電阻/電容也增加了電路板面積。另一種廣泛使用的技術(shù)是外加電壓瞬變抑制器或TransZorbTM二極管。這種防護非常有效。但外加器件仍會(huì )增加電路板面積，而且防護器件的電容效應會(huì )增加信號線(xiàn)的等效電容，成本也較高，因為T(mén)ransZorbTM二極管價(jià)格較貴（大約25美分/每個(gè)），典型的3發(fā)/5收的COM端口需要8個(gè)TransZorbTM二極管，費用高達＄2美元。

還有一種有效的方法是采用內部集成ESD防護功能的串行接口器件。這種器件比普通無(wú)防護功能的器件價(jià)格要貴，但增加的費用比起外加防護二極管的費用要低。內部集成的ESD防護電路不會(huì )增加任何輸入輸出管腳的等效電容，也節省了電路板面積。MAXIM公司近幾年發(fā)展了享有專(zhuān)利的集成ESD防護技術(shù)，并可提供全系列的ESD防護串行接口器件，包括與標準器件完全兼容的產(chǎn)品。MAXIM公司還將同樣的技術(shù)應用到模擬開(kāi)關(guān)和開(kāi)關(guān)去抖產(chǎn)品中。所有這些器件的ESD防護能力都符合±15kVIEC1000－4－2（氣隙放電）、±8kVIEC1000－4－2（接觸放電）和±15kV人體模型（HBM）測試標準。表1列出了MAXIM公司的具有抗靜電功能的器件。

3.ESD測試程序及標準

為保證ESD測試的一致性，應采用圖3所示標準測試電路。輸出可調的高壓源通過(guò)高阻值電阻對電容充電，切換開(kāi)關(guān)S1或利用靜電槍使充好電的電容通過(guò)一個(gè)放電電阻對被測器件進(jìn)行放電。電容、充電電阻、放電電阻根據不同的測試標準應取不同的數值。

一個(gè)有效的ESD測試應在最高測試電壓以?xún)鹊恼麄€(gè)電壓范圍進(jìn)行。因為有些IC可能在10kV時(shí)通過(guò)了測試，但在4kV時(shí)反而被ESD打壞了，這樣的IC實(shí)際上沒(méi)有抗靜電能力。人體模型和IEC1000－4－2標準規定在測試電壓范圍內必須以200V為一個(gè)間隔進(jìn)行測試，而且要同時(shí)測試正負電壓。也就是說(shuō)，從±200V開(kāi)始測試，±400V，±600V，一直到最高測試電壓。對IC的所有可能的工作模式都應分別進(jìn)行完整的ESD測試。包括上電工作狀態(tài)，斷電停機狀態(tài)，如果串行接口器件有自動(dòng)關(guān)斷休眠模式，還應對這一狀態(tài)再進(jìn)行一次ESD測試。所有相關(guān)的測試標準和程序都規定，在每個(gè)測試電壓點(diǎn)，對被測引腳應連續放電10次，考慮到正負電壓都要測，實(shí)際要放電20次。每一輪放電完成后，應測量被測器件的相應參數，判斷器件是否損壞。對于串行接口器件（RS－232，RS－485）應遵循以下判據：

1.電源電流是否正常（電源電流增加一般意味著(zhù)發(fā)生了器件死鎖）；

2.信號發(fā)送輸出端的輸出電平是否仍在參數規格范圍內；

3.信號接收輸入端的輸入電阻是否正常（一般在3kΩ到7kΩ(之間）。

只有這些指標都合格，才可轉到下一個(gè)電壓測試點(diǎn)。在所有電壓點(diǎn)都測試完以后，還應對IC做全面的功能測試，測量IC的每個(gè)參數是否仍在參數標準定義的范圍內。只有通過(guò)所有這些ESD測試后仍能達到規定參數標準的IC才是真正的抗靜電IC。需要注意的是，按一般標準完成ESD測試，但并不能判斷IC的好壞。有些ESD測試儀自帶了一些參數測量功能，但因不是針對特定器件的參數測量，只是一般的測試手段，因而只能作為一個(gè)參考。嚴格的測試仍應按以上所述的測試程序和測試判據進(jìn)行。