TI高精度實驗室-運算放大器-第十一節-靜電釋放ESD
靜電釋放的話題 本節課程將介紹 ESD 是如何損壞半導體元器件的 並且詳細介紹半導體器件中的 ESD 保護電路的設計 最後我們將介紹 ESD 性能指標是如何測定的 以幫助更好的理解器件的 ESD 性能 很多常見的物體會積累靜電 特別是絕緣體 很容易積累大量的靜電 一些物體傾向於帶正電 另外一些物體則傾向於帶負電 當兩個電荷不同的物體 靠到一起的時候 兩個物體之間 會產生一個瞬時電流 稱爲 ESD 靜電釋放 ESD 電壓經常能達到幾千伏 產生可見的電火花 對於半導體器件來說 ESD 是最常見的損壞原因
上面的這個表格羅列了一些 生活中常見動作所產生的靜電電壓 注意到靜電電壓和相對溼度有關 相對溼度較低的時候 產生的靜電電壓更高 下面的表格展示了 人體對靜電放電的感受程度 注意到當您看到電火花的時候 靜電電壓已經非常高了 在 8000V 以上
不同類型的器件 對 ESD 的耐受值也不一樣 一些器件比如 MOS 管 在很低的電壓時就會損壞 後面我們將會看到 而大部分的芯片中 採用的 ESD 保護電路 能夠提升器件的 ESD 性能 在增加了 ESD 保護電路以後 MOS 器件的 ESD 耐壓值 可以從 10V 提升到幾千伏
我們來詳細地觀察一下 ESD 是怎樣損壞半導體器件的 假如當一個幅值很高的靜電 或者電壓加到運放的反相端 和負電源端 這就會在輸入 MOS 管的柵極 和源極之間產生一個很高的電壓 這個電壓會擊穿柵氧化層損壞器件 值得注意的是 MOS 管柵極氧化層的厚度 通常只有幾個納米 在這種電壓下非常容易被損壞
針對 ESD 事件 有兩種主要的分類方法 在電路組裝前 即芯片未焊接到 PCB 上之前 ESD 會造成器件損壞 這可能發生在生產 工廠測試和組裝的過程中 一般來說 工廠測試和生產工藝在設計的時候 就考慮到最小化 ESD 事件的發生 電路組裝後的 ESD 指的是 在一個組裝好的 pcb 或者終端產品上發生的 ESD 事件 這種情況下產品的包裝設計 以及器件本身的抗 ESD 性能 決定了產品的 ESD 特性 器件內部的 ESD 保護電路 是爲了防止器件在電路組裝前的 ESD 事件中損壞
我們可以採取一些基本的預防措施 來最小化 ESD 對器件和產品的損壞 一般來說 這些預防措施採用電阻性材料 來釋放靜電 比如圖中所示的抗靜電手環 能夠讓人體上的靜電 可控地釋放到大地上 這些抗靜電材料的阻值 一般在兆歐的級別 值得注意的是 圖中所示的抗靜電包裝 抗靜電盒以及抗靜電工作平臺 同樣都包含了電阻性材料 它能夠緩慢地釋放靜電
在半導體器件最初的生產過程中 芯片的 ESD 防護性能參數就已經確定了 首先大量的芯片樣片經過自動化測試 一般來說 芯片數據手冊上的大部分參數 都是在這個自動化測試中測量出來的 然後一個專門的 ESD 測試系統 對器件進行 ESD 脈衝仿真測試 這個 ESD 脈衝的參數 是由測試硬件控制的 比如我們可以選
擇脈衝的幅度 和 ESD 模型 我們將在後文中 討論多種不同的 ESD 模型 簡單來說 ESD 模型通過設置電容電感 和 ESD 電流等參數 來模擬現實中的 ESD 現象 在測試過程中 ESD 脈衝加到芯片的多個引腳 和引腳的不同組合上 同樣的 我們採用不同級別的 ESD 脈衝 對芯片進行測試 比如 1000 伏 2000 伏 3000 伏等 最後根據這個複雜的 ESD 測試流程 對芯片進行反覆的測試 芯片的 ESD 等級 是由這一批樣片均能通過測試的 最高值決定的 這個數值 就是芯片數據手冊上的 ESD 絕對最高值
我們採用三種不同的模型 來產生 ESD 脈衝 人體模型是 ESD 測試中最常用的模型 這個模型是用來模擬 當人體碰觸到芯片時產生的 ESD 典型的人體模型電壓值範圍 從 1000 伏到 5000 伏 機器模型也被稱作零歐姆模型 因爲它是用來仿真 一個阻抗非常低的 ESD 到地的釋放情形 機器模型是用來仿真金屬壁 或自動化組裝設備的 ESD 事件 在大部分情況下 機器模型都被帶電器件模型所替代 帶電器件模型 用來精確仿真測試環境 和組裝環境中的 ESD 事件 比如當器件從傳送管道上滑下時 會產生靜電累積 帶電模型的典型電壓值 從幾百伏到幾千伏 帶電器件模型的電流 比人體模型的電流要高很多 因爲帶電器件模型的限流電阻很小
在這部分我們介紹一下芯片內部 常用的 ESD 保護設計 在這裏我們採用運放作爲示例 其他器件中採用的 ESD 保護也是類似的 注意一下 這裏的 ESD 保護是用來保護器件 還未組裝到電路中的 ESD 事件 也就是說這些結構 是用來防護器件 在測試組裝和加工過程中的 ESD 現象 在未上電的系統中 這些 ESD 保護同樣有效 但是在上電系統中 它們也可能造成栓鎖效應 這一點我們將在 有關芯片過壓的視頻課程中做詳細介紹 芯片內部中一般有三種 ESD 保護結構 分別是串聯電阻 導流二極管和吸收器件 導流二極管引導 ESD 脈衝電流 到吸收器件上 避免損壞其他電路 吸收器件能夠吸收 ESD 脈衝能量 限制電壓值來保護電路 串聯電阻限制了輸入和輸出的電流 是值得注意的是 大的串聯電阻能夠提供更好的保護 但是也會使芯片的噪聲 或者最大輸出電流等等指標變差 因爲有這些限制 串聯電阻會影響到某些器件上的 ESD 性能
我們來測試一下 ESD 保護 是怎樣工作的 在這個示例中 一個 ESD 脈衝加到運放芯片的 同相輸入端引腳和負電壓引腳之間 比如在一個沒有靜電保護的 工作臺上組裝 PCB 就可能產生這種情況 注意一下 在這個例子中 D3 二極管變成正向偏置 引導 ESD 脈衝到吸收器件上 吸收器件是用來限制電壓值 吸收 ESD 脈衝的能量的 如果 ESD 脈衝加到不同的芯片引腳上 不同的二極管會導通 並引導 ESD 脈衝 到吸收器件上 同樣的輸入電阻 R2 限制了 ESD 脈衝的輸入電流 大阻值 R2 會讓芯片的 ESD 性能更好 但是會因爲偏置電流的影響而引入誤差 還會影響噪聲性能和芯片的頻率響應
這些參數讓我們對 ESD 二級管的性能 有一個基本的瞭解 實際情況下 二極管性能由設計和工藝來決定 很重要的一點是 二極管導通壓降爲 0.7 伏時 導通電流很大 對應於 ESD 脈衝的情形 這種二極管能夠保護芯片 免受幾納秒的安培級別的 脈衝電流的損害 但如果是持續的電流 則只有約 10mA 這些二極管還會引入反方向的漏電流 在室溫下漏電流只有幾納安或者更小 但在高溫時漏電流可以達到幾百納安 實際上 CMOS 器件的輸入偏置電流 大部分都是由 ESD 二極管的漏電流造成的 最後大家還需要記住 ESD 二極管還會引入幾皮法的寄生電容
在這裏我們來看一下 兩種運放芯片中 ESD 二極管的 IV 曲線 可以看到 低電流時二極管的正向壓降約爲 0.7V 大電流時導通壓降增加到了 1V 理解 ESD 二極管特性 可以幫助更好的理解 後續課程中的電氣過壓問題
在前面的章節中 我們粗略的討論了下吸收器件 這裏的吸收器件 是一個由襯底引入的寄生三極管 在正常情況下這個三極管是反偏的 所以不會有襯底電流 當加到三極管上的電壓升高 接近集電極發射極的擊穿區時 加大處於擊穿區的三極管上的電壓 電流會急劇增大 集電極的電流會增加 直到進入一個稱爲 snap back 回跳點的區域 在超過這個區域之後 電流會持續快速地增加 如果在三極管的電流通路上 沒有一個電阻來限制電流 電流過大會造成芯片過熱 直到三極管燒壞 這時候通常情況下 發射極電流會停止升高 並和集電極之間形成一個永久的短路 吸收器件是用來鉗制供電電壓 避免芯片在未安裝到電路 之前損壞而設計的 當 ESD 結束後 因爲沒有電壓加到器件上 一般幾個納秒以後吸收器件就會關閉 另一方面 如果芯片被安裝到電路中以後 發生 ESD 事件吸收器件會持續開通 並保持一個低阻的狀態 直到電源電壓關掉 因此在芯片過壓時 不能讓吸收裝置開啓 這個話題我們將在後面的課程中 進一步的探討
芯片數據手冊中的最大額定值 是指在最壞的情況下 不讓芯片損壞的數值 表格中給出了最大供電電壓 輸入電壓輸入電流溫度等等指標 注意到 最大輸入電流是正負 10mA 對於大多數器件來說 這都是一個極限值 這個值是根據 ESD 二級管 所能承受的最大持續電流值得來的 同樣表格中也給出了 芯片的 ESD 指標 在這個例子中 ESD 人體模型的額定值是 4000 伏 帶電器件模型是 1000 伏 不同的器件根據測試結果 ESD 性能指標會略有不同
