集成电路制造商如何应对芯片ESD？

何谓 EOS？

EOS是一个通用术语，表示因为过多的电子通过相应路径试图进入电路，导致系统承受过大压力。有一点需要注意，这是一个随功率和时间变化的函数。

如果将复杂电路看作一个简单的消耗功率的元件，例如，将它视为一个电阻。在额定功率为1 W的1 Ω电阻上施加1.1 V电压，计算功耗的公式如下：

计算得出，消耗的功率为1.21 W。虽然电阻的额定功率为1 W，但是可能存在一些余量，所以暂时不用担心这一点。但并不能够始终如此。 

将电压增加到2 V，会出现什么情况？如果功耗达到之前示例的4倍，那么电阻可能会像一个空间加热器在很有限的时间内提高环境温度，但是请记住这个公式：

如果将电压增加到10 V，但仅持续10毫秒呢？有趣的地方就在这里：如果不了解部件，以及设计处理部件的目的，您就无法真正了解会对该部件产生什么影响。现在，来看看整个元件系统。

哪些部分易受EOS影响？

一般而言，任何包含电子元件的部分都容易受到EOS影响。特别薄弱的部分是那些与外界的接口，因为它们很可能是最先接触到静电放电(ESD)、雷击等的部分。我们感兴趣的部件包括USB端口、示波器的模拟前端，以及最新的高性能物联网混合器的充电端口等。

图1. 8 kV时的理想接触放电电流波形。

如何知道要防范哪些问题？

虽然我们想要保护系统免受电气过载，但是这个术语太宽泛了，对于决定如何保护系统没有任何帮助。为此，IEC（以及许多其他组织）做了大量工作来弄清楚在现实生活中可能会遇到的EOS类型。接着将重点探讨IEC规范，因为它们涵盖广泛的市场应用，而与该规范相关的混乱状况也说明需要本文来厘清。表1显示了三个规范，它们定义了系统可能遇到的EOS状况类型。在本文中只对ESD做深入探讨，同时也会让大家熟悉电快速瞬变(EFT)和浪涌。

图2. 符合IEC61000-4-4标准的电快速瞬变4级波形。 

表1. IEC规范

集成电路制造商如何应对芯片ESD？

芯片中的保护主要用于应对制造过程中的ESD，而不是在系统通电状态下的ESD。这一差异非常重要，因为在放大器连接电源和没连接电源时，其在遭受静电时的反应截然不同。例如，内部保护二极管可消除在无电源供电时对部件的静电放电冲击。但是，当有电源供电时，对部件的静电放电冲击可能会使内部结构传导的电流超过其设计承受水平，这可能导致该部件损毁，具体由部件和电源电压决定。

这是全球范围内亟待解决的问题！如何保护IC免受这种潜在威胁？ 

希望您能够意识到，这个挑战涉及很多因素，一个简单的解决方案是无法应用于所有情况的。下方是一个涉及因素列表，列出了决定部件能否承受EOS事件的因素。这些因素分为两组：无法控制的因素和可以控制的因素。 

无法控制的因素：

·IEC波形：ESD、EFT和浪涌的曲线各有不同，它们会以不同的方式攻击器件的某些弱点。

·考虑器件的工艺技术：有些工艺技术比其他技术更容易发生闩锁。例如，CMOS工艺容易发生闩锁，但在许多现代工艺中，可以通过精心设计和沟槽隔离来减轻这种危害。

·考虑器件的内部结构：集成电路的设计方法很多，所以对一种电路有效的保护方案对另一种可能无效。例如，许多器件都有时序电路，检测到波形足够快时，就会启动保护结构。这可能意味着，如果您在静电放电的位置增加更多电容，那么能够承受静电放电冲击的器件可能无法承受这种电容冲击。这种结果出乎意料，但认识到以下这一点非常重要：常见的电路保护方法，即RC滤波器，可能会让情况更糟。

图3. IEC61000-4-5浪涌在8 μs/20 μs电流波形位置转为正常状态。

可以控制的因素：

·PCB布局：部件离冲击的位置越近，其电能波形就越高。这是因为，当冲击波形沿某条路径传播时，从传播路径辐射出去的电磁波会有能量损耗、这是由于路径电阻产生的热量以及与周边导体耦合的寄生电容和电感所导致。 

·保护电路：这是对器件的生存能力最有意义的部分。上述无法控制的因素将会影响保护方案的设计。

·现在有过压保护(OVP)和过限额(OTT)特性。可以利用这些特性来保护电路不受高压瞬变影响吗？

OVP和OTT特性让部件的输入在承受超过电源电压的电压时，本身不会受到损坏。依靠这些特性来保护电路不受高压瞬变影响，就像是依靠雨靴来应对高压冲水机一样。雨靴只对水深不超过其高度的浅水沆有效，就像OVP和OTT只适用于比其额定值低的电压。OVP和OTT的额定电压比给定的供电轨电压高几十伏。它无法抵抗8000V的高压。