【導讀】ESD 保護器件的目的是將數千伏的 ESD 輸入降低至受保護 IC 的安全電壓，并將電流從 IC 分流出去。盡管所需 ESD 波形的輸入電壓和電流在過去幾年中沒有變化，但保護 IC 所需的安全電壓水平卻有所下降。過去，IC 設計對 ESD 更加穩健，并且可以處理更高的電壓，因此選擇能夠滿足 IEC61000-4-2 4 級要求的任何保護二極管就足夠了。
ESD 波形
在系統級定義典型 ESD 事件的常用波形是 IEC61000-4-2 波形，其特點是亞納秒上升時間和高電流水平（見圖 1）。該波形的規格規定了 4 個級別的 ESD 幅度。大多數設計人員都需要將其產品鑒定為別，即 8kV 接觸放電或 15kV 空氣放電。在元件級進行測試時，接觸放電測試是合適的測試，因為空氣放電測試在如此小的元件上不可重復。
ESD 保護器件的目的是將數千伏的 ESD 輸入降低至受保護 IC 的安全電壓，并將電流從 IC 分流出去。盡管所需 ESD 波形的輸入電壓和電流在過去幾年中沒有變化，但保護 IC 所需的安全電壓水平卻有所下降。過去，IC 設計對 ESD 更加穩健，并且可以處理更高的電壓，因此選擇能夠滿足 IEC61000-4-2 4 級要求的任何保護二極管就足夠了。對于更新、更靈敏的 IC，當今的設計人員不僅必須確保保護器件能夠滿足 IEC61000-4-2 4 級標準，還要確保器件將 ESD 脈沖鉗位在足夠低的電壓，以確保IC沒有損壞。在為給定應用選擇保護器件時，設計人員必須考慮 ESD 保護器件將傳入 ESD 事件鉗位到多低。
如何選擇有效的保護解決方案
保護二極管數據表上的關鍵直流規格是擊穿電壓、漏電流和電容。大多數數據表還將規定 IEC61000-4-2 的額定值，這表明二極管不會被指定級別的 ESD 脈沖損壞。大多數數據表的問題在于，它們沒有任何有關高頻、高電流瞬變（例如 ESD）的鉗位電壓的信息。與數據表中指定的直流電壓相比，在這些類型的瞬態事件期間，保護二極管的鉗位電壓要高得多。然而，很難為 IEC61000-4-2 規范指定鉗位電壓，因為它旨在成為系統級的通過/失敗規范，并且頻率非常高。要將這一規范應用于保護器件，不僅要檢查保護二極管是否通過，還要檢查它對 ESD 電壓的鉗位有多低，這一點至關重要。
比較保護二極管鉗位電壓的方法是使用示波器截取 ESD 事件期間二極管兩端的實際電壓波形。這是通過測試設置來完成的（參見圖 2）。
當查看暴露于 IEC61000-4-2 的 ESD 保護器件的電壓波形時，通常會出現一個初始電壓尖峰，隨后出現二次峰值，終電壓將趨于平穩。初始尖峰是由 IEC61000-4-2 波形的初始電流尖峰和測試結構中的電感引起的過沖共同引起的。然而，初始尖峰持續時間很短，這限制了傳輸到 IC 的能量。保護裝置的鉗位性能地顯示在初始過沖之后的曲線中。二次峰值是主要問題，因為電壓波形持續時間較長，從而增加了 IC 所承受的總能量。在下面的研究中，鉗位電壓被定義為次級峰值的電壓。
基準研究示例
為了進行公平比較，所選部件應具有相似的封裝尺寸和數據表規格。本次比較選擇的部件是三個 ESD 保護二極管，在比較數據表中的電氣特性時，這三個二極管被視為可以直接替代。這些器件均為雙向 ESD 保護二極管，具有相同的擊穿電壓 (6.8V)、電容 (15pf) 和封裝外形 (1.0 mm x 0.6 mm x 0.4 mm)。本研究選擇的產品是 Rohm 的 RSB6.8CS、KEC 的 PG05DBTFC 以及 ON Semiconductor 的 ESD9B5.0ST5G。
當比較上述部件的直流性能時，它們看起來似乎相同（參見下面圖 2 中的曲線軌跡）。此外，它們都聲稱符合 IEC61000-4-2 4 級標準，這意味著它們都能承受高達 8 kV 接觸電壓的 ESD 沖擊。 ESD 保護器件確保敏感 IC 保護的關鍵性能特征不是直流性能，而是直流性能。然而，雖然設備能夠滿足 IEC61000-4-2 4 級標準很重要，但更重要的是受保護的 IC 能夠滿足要求。為了確保 IC 在 ESD 事件期間存活，保護二極管必須將 ESD 電壓鉗位到足夠低的值，以免 IC 損壞。
為了比較每個器件的鉗位性能，我們將使用示波器截取 ESD 事件期間的電壓波形。我們將進行并行測試，保持所有測試條件相同。下面的圖 3 顯示了同一圖表上每個二極管對正負 ESD 脈沖的響應。使用的輸入脈沖是標準 IEC61000-4-2 4 級觸點 (8 kV)。
圖 3. ESD 保護二極管的電壓鉗位比較（示波器屏幕截圖）
從圖 3 中的屏幕截圖可以明顯看出，當應用 ESD 的高電流條件時，三個保護二極管的性能存在明顯差異。與 KEC 和 Rohm 部件（藍色波形）相比，安森美半導體保護解決方案（黑色波形）為 ESD 脈沖提供更低的鉗位電壓。對于正脈沖，ON Semiconductor 部件鉗位在 14 V，而 KEC 為 18 V，Rohm 為 23 V。在施加負脈沖期間，三個器件之間的鉗位電壓差異變得更加明顯。安森美半導體器件的負脈沖鉗位電壓為 20 V，KEC 器件的負脈沖鉗位電壓為 34 V，羅姆器件的負脈沖鉗位電壓為 42 V。在負 ESD 事件期間，這三個器件之間存在明顯的區別，其中 KEC 部件的鉗位電壓比 ON Semiconductor 部件高 70%，而 Rohm 部件的鉗位電壓是 ON Semiconductor 部件的兩倍以上。通過 KEC 和 Rohm 產品的負脈沖總電壓可能對更容易受到 ESD 損壞的新 IC 設計造成潛在危險。然而，安森美半導體部件在兩個方向上保持低鉗位電壓，從而限度地降低正負 ESD 脈沖的風險。
良好的保護器件必須能夠很好地鉗位正負 ESD 脈沖，以保證終產品在實際條件下具有的可靠性。兩個方向的低鉗位電壓確保該器件能夠保護敏感的 IC，從而使設計人員能夠利用的 IC 技術來突破功能和速度的極限。認識到鉗位電壓在 ESD 保護器件選擇中的重要性與日俱增，許多保護公司都在 ESD 保護器件的數據表中提供了 ESD 鉗位屏幕截圖，如圖 3 所示。
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