靜電沖擊（ESD）對(duì)電子設(shè)備的危害極大，歐洲從1996年就開始對(duì)電子設(shè)備抗靜電沖擊的能力制訂了標(biāo)準(zhǔn)，未達(dá)標(biāo)的產(chǎn)品在歐洲很難銷售。半導(dǎo)體芯片制造商對(duì)ESD問題也傾注了很高的熱情。對(duì)于那些與外界有接口的電路或芯片，如RS－232、RS－485串行接口、模擬開關(guān)等IC，ESD問題顯得尤其重要。本文討論ESD的來源、造成的危害和相應(yīng)的防護(hù)措施，以及如何測(cè)試集成電路的防靜電沖擊能力。
1.ESD的來源及其危害
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(fù)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(dǎo)體，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的瞬間放電，這就是靜電沖擊（ElectroStaticDischarge）。一般來講，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(dāng)集成電路（IC）受到ESD時(shí)，放電回路的電阻通常都很小，無法限制放電電流。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(dá)幾十安培的瞬間放電尖峰電流流入相應(yīng)的IC管腳。瞬間大電流會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷IC，局部發(fā)熱的熱量甚至?xí)诨杵苄尽SD對(duì)IC的損傷一般還包括內(nèi)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(yīng)和CMOS器件內(nèi)部的類似可控硅的結(jié)構(gòu)單元被激活有關(guān)。高電壓可激活這些結(jié)構(gòu)，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。不過到那時(shí)，IC通常早已因過熱而燒毀了。
對(duì)串行接口器件來說，ESD會(huì)使IC工作不正常，通訊出現(xiàn)誤碼，嚴(yán)重的會(huì)徹底損壞。為分析故障現(xiàn)象，MAXIM公司對(duì)不同廠家的RS－232接口器件做了ESD測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通常的故障現(xiàn)象有兩種：一種故障現(xiàn)象是串?dāng)_，信號(hào)接收器接收到的信號(hào)干擾了發(fā)送器，造成誤碼。另一種故障是在IC內(nèi)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(hào)電平（±10V）回饋到電源端（＋5V）。如果電源不具備吸收電流的穩(wěn)壓功能，過高的回饋電壓會(huì)損壞其它由單電源（＋5V）供電的器件
2.ESD防護(hù)措施
對(duì)于串行接口器件，最簡(jiǎn)單的防護(hù)措施是在每條信號(hào)線上外加阻容元件。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(hù)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?yàn)樽枞菰⒉荒芙档图夥咫妷旱姆逯?，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(hào)失真，以致限制了通訊電纜的長(zhǎng)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(hù)非常有效。但外加器件仍會(huì)增加電路板面積，而且防護(hù)器件的電容效應(yīng)會(huì)增加信號(hào)線的等效電容，成本也較高，因?yàn)門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(fèi)用高達(dá)＄2美元。
還有一種有效的方法是采用內(nèi)部集成ESD防護(hù)功能的串行接口器件。這種器件比普通無防護(hù)功能的器件價(jià)格要貴，但增加的費(fèi)用比起外加防護(hù)二極管的費(fèi)用要低。內(nèi)部集成的ESD防護(hù)電路不會(huì)增加任何輸入輸出管腳的等效電容，也節(jié)省了電路板面積。MAXIM公司近幾年發(fā)展了享有專利的集成ESD防護(hù)技術(shù)，并可提供全系列的ESD防護(hù)串行接口器件，包括與標(biāo)準(zhǔn)器件完全兼容的產(chǎn)品。MAXIM公司還將同樣的技術(shù)應(yīng)用到模擬開關(guān)和開關(guān)去抖產(chǎn)品中。所有這些器件的ESD防護(hù)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。表1列出了MAXIM公司的具有抗靜電功能的器件。
3.ESD測(cè)試程序及標(biāo)準(zhǔn)
為保證ESD測(cè)試的一致性，應(yīng)采用圖3所示標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試電路。輸出可調(diào)的高壓源通過高阻值電阻對(duì)電容充電，切換開關(guān)S1或利用靜電槍使充好電的電容通過一個(gè)放電電阻對(duì)被測(cè)器件進(jìn)行放電。電容、充電電阻、放電電阻根據(jù)不同的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)取不同的數(shù)值。
一個(gè)有效的ESD測(cè)試應(yīng)在最高測(cè)試電壓以內(nèi)的整個(gè)電壓范圍進(jìn)行。因?yàn)橛行㊣C可能在10kV時(shí)通過了測(cè)試，但在4kV時(shí)反而被ESD打壞了，這樣的IC實(shí)際上沒有抗靜電能力。人體模型和IEC1000－4－2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在測(cè)試電壓范圍內(nèi)必須以200V為一個(gè)間隔進(jìn)行測(cè)試，而且要同時(shí)測(cè)試正負(fù)電壓。也就是說，從±200V開始測(cè)試，±400V，±600V，一直到最高測(cè)試電壓。對(duì)IC的所有可能的工作模式都應(yīng)分別進(jìn)行完整的ESD測(cè)試。包括上電工作狀態(tài)，斷電停機(jī)狀態(tài)，如果串行接口器件有自動(dòng)關(guān)斷休眠模式，還應(yīng)對(duì)這一狀態(tài)再進(jìn)行一次ESD測(cè)試。所有相關(guān)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和程序都規(guī)定，在每個(gè)測(cè)試電壓點(diǎn)，對(duì)被測(cè)引腳應(yīng)連續(xù)放電10次，考慮到正負(fù)電壓都要測(cè)，實(shí)際要放電20次。每一輪放電完成后，應(yīng)測(cè)量被測(cè)器件的相應(yīng)參數(shù)，判斷器件是否損壞。對(duì)于串行接口器件（RS－232，RS－485）應(yīng)遵循以下判據(jù)：
1.電源電流是否正常（電源電流增加一般意味著發(fā)生了器件死鎖）；
2.信號(hào)發(fā)送輸出端的輸出電平是否仍在參數(shù)規(guī)格范圍內(nèi)；
3.信號(hào)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(biāo)都合格，才可轉(zhuǎn)到下一個(gè)電壓測(cè)試點(diǎn)。在所有電壓點(diǎn)都測(cè)試完以后，還應(yīng)對(duì)IC做全面的功能測(cè)試，測(cè)量IC的每個(gè)參數(shù)是否仍在參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)定義的范圍內(nèi)。只有通過所有這些ESD測(cè)試后仍能達(dá)到規(guī)定參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的IC才是真正的抗靜電IC。需要注意的是，按一般標(biāo)準(zhǔn)完成ESD測(cè)試，但并不能判斷IC的好壞。有些ESD測(cè)試儀自帶了一些參數(shù)測(cè)量功能，但因不是針對(duì)特定器件的參數(shù)測(cè)量，只是一般的測(cè)試手段，因而只能作為一個(gè)參考。嚴(yán)格的測(cè)試仍應(yīng)按以上所述的測(cè)試程序和測(cè)試判據(jù)進(jìn)行。
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