【技术】浅析ESD静电保护工作原理

时间： 2022-09-28 来源：里阳半导体

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ESD静电保护器件是什么?是如何工作的?静电放电（ESD：Electrostatic Discharge），应该是造成所有电子元器件或集成电路系统造成过度电应力（EOS：Electrical Over Stress）破坏的主要元凶。因为静电通常瞬间电压非常高（>几千伏），所以这种损伤是毁灭性和永久性的，会造成电路直接烧毁。所以预防静电损伤是所有IC设计和制造的头号难题。

静电，通常都是人为产生的，如生产、组装、测试、存放、搬运等过程中都有可能使得静电累积在人体、仪器或设备中，甚至元器件本身也会累积静电，当人们在不知情的情况下使这些带电的物体接触就会形成放电路径，瞬间使得电子元件或系统遭到静电放电的损坏（这就是为什么以前修电脑都必须要配戴静电环托在工作桌上，防止人体的静电损伤芯片），如同云层中储存的电荷瞬间击穿云层产生剧烈的闪电，会把大地劈开一样，而且通常都是在雨天来临之际，因为空气湿度大易形成导电通到。

那么，如何防止静电放电损伤呢?首先当然改变坏境从源头减少静电（比如减少摩擦、少穿羊毛类毛衣、控制空气温湿度等），当然这不是我们今天讨论的重点。我们今天要讨论的时候如何在电路里面涉及保护电路，当外界有静电的时候我们的电子元器件或系统能够自我保护避免被静电损坏（其实就是安装一个避雷针）。这也是很多IC设计和制造业者的头号难题，很多公司有专门设计ESD的团队，今天里阳半导体就和大家从最基本的理论讲起逐步讲解ESD保护的原理及注意点。

ESD的标准以及测试方法，根据静电的产生方式以及对电路的损伤模式不同通常分为四种测试方式：人体放电模式（HBM：Human-Body Model)、机器放电模式（Machine Model）、元件充电模式（CDM：Charge-Device Model)、电场感应模式（FIM： Field-Induced Model)，但是业界通常使用前两种模式来测试（HBM， MM）。

1、人体放电模式（HBM)：当然就是人体摩擦产生了电荷突然碰到芯片释放的电荷导致芯片烧毁击穿，秋天和别人触碰经常触电就是这个原因。业界对HBM的ESD标准也有迹可循（MIL-STD-883C method 3015.7，等效人体电容为100pF，等效人体电阻为1.5Kohm），或者国际电子工业标准（EIA/JESD22-A114-A）也有规定。如果是MIL-STD-883C method 3015.7，它规定小于<2kV的则为Class-1，在2kV~4kV的为class-2，4kV~16kV的为class-3。

2、机器放电模式（MM）：当然就是机器（如robot）移动产生的静电触碰芯片时由pin脚释放，次标准为EIAJ-IC-121 method 20（或者标准EIA/JESD22-A115-A），等效机器电阻为0（因为金属），电容依旧为100pF。由于机器是金属且电阻为0，所以放电时间很短，几乎是ms或者μs之间。但是更重要的问题是，由于等效电阻为0，所以电流很大，所以即使是200V的MM放电也比2kV的HBM放电的危害大。而且机器本身由于有很多导线互相会产生耦合作用，所以电流会随时间变化而干扰变化。

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