更换电缆或接触I/O端口时，静电放电(ESD)会对电子系统造成威胁。伴随这些常规事件的放电可能会破坏一个或多个接口ic，从而使端口失效(图1)。此类故障也可能代价高昂——它们会增加保修维修的成本，同时降低产品的感知质量。

ESD还有另一种制造麻烦的方式。制造商可能很快就会被禁止向欧洲共同体销售，除非他们的设备达到ESD性能的最低水平。这两个因素，再加上计算机和计算机相关设备之间电子通信的增加，使得工程师对ESD的理解变得更加重要。

正确理解ESD不仅需要了解所涉及的电压水平，还需要了解电压和电流波形、ic保护结构、测试方法和应用电路。这些问题将在以下几节中讨论。

ESD代

当两种不同的材料走到一起，转移电荷，然后分开，在它们之间产生电压时，就会产生静电荷。例如，在皮底地毯上行走，会产生高达25千伏的电压。静电电压的感应程度取决于地毯和鞋皮之间的相对电荷亲和力、湿度和其他因素。

摩擦电级数(表1)描述了各种材料之间的电荷亲和力。当清单上的任何两个项目接触时，就会发生电荷转移。(1)表中距离越远的物料所产生的净电荷和静电电压越大。

表1 摩擦电系列

ESD测试方法

集成电路的ESD敏感性测试常用两种方法。最早的MIL-STD-883方法3015.7是为了帮助理解封装和处理ic所需的预防措施而开发的。该方法将每个封装引脚与其他引脚组进行测试，并根据发生故障的最低电压对器件进行分类。

本测试中应用的信号是来自人体模型电路的电流波形(图2)，该电路模拟了典型人体的电容和源阻抗。(电路布局是至关重要的，因为在IC上传递的实际波形还取决于与测试连接和pc板相关的寄生电感和电容。)产生的电流波形表示当人接触物体(如IC)时产生的ESD。

另一种方法是由日本电子工业协会(EIAJ)开发的，与上述方法不同的只是R和C的值。它被称为IC-121，基于称为机器模型的电路(图2)，它应用的电流波形类似于IC与其处理机械接触时产生的电流波形。通过模拟由积聚在运动部件上的电荷引起的ESD事件，该波形模拟了机器组装过程中看到的静电放电。

这两种方法是互补的，所以你不应该任选其一。由于ESD会在IC的制造过程、pc板组装过程以及最终产品投入使用后影响IC，因此基于人体模型和机器模型的测试可以为IC的制造和插入的严格公差提供充分的保证。

有些ic的引脚通过连接器暴露在外界，即使安装在机箱内的pc板上也会遇到ESD。ESD暴露是不太可能为其他引脚，这是连接到电路板上的电路。对于这类IC，方法3015.7(测试引脚组合)等测试方法不能充分表示输入/输出(I/O)引脚的ESD易感性。

两者都根据任何引脚上的最低电压故障提供额定值-这种方法可能无法公正地处理I/O引脚所需的更高级别的内部ESD保护(并且由一些制造商提供)。例如，设备可能具有可承受±15kV的I/O引脚，以及可承受±2kV的非I/O引脚。采用上述方法，器件的ESD额定值将小于±2kV。不过，幸运的是，现在有更好的测试方法可用于对I/O引脚进行评级。

新的I/O端口ESD测试

I/O端口允许与其他设备进行通信。IC的I/O端口由引脚的逻辑组组成，这些引脚可以访问包含IC的系统外部的设备。当操作员从系统连接和断开电缆时，这些引脚会受到静电放电和其他滥用。对于RS-232或RS-485接口IC的I/O引脚，理想的ESD敏感性测试方法应该:

• 测试I/O引脚的方式只能模拟实际设备中的ESD事件。

• 应用测试波形来模拟人体产生的静电放电。不同的电路型号指定了不同的幅值、上升/下降时间和传输功率。

• 在通电和不通电的情况下测试IC。

• 定义集成电路故障包括闭锁(操作的瞬间损失)，以及灾难性或参数故障。闭锁被认为是一种失效机制，因为如果不被发现，它可能导致可靠性问题和系统故障。

两种方法都符合所列出的要求，设备制造商在测试I/O端口的ESD易感性方面使用得越来越多。第一种是MIL-STD-883方法3015.7的修改。它使用与原始方法相同的电路模型和波形，但仅将ESD脉冲应用于设备的I/O引脚。其目的是模拟安装在电路板上并在目标系统中运行的IC所看到的故障电流。波形(图3)由图2的测试电路产生，使用方法3015.7中最初规定的相同分量值。

与原始方法3015.7一样，修改后的方法仅定义了ESD波形和故障标准:暴露于波形后，故障IC必须表现出闭锁或不符合一个或多个数据表规范。修改后的方法在测试过程中没有规定IC的特定工作模式，但Maxim建议所有可能的模式都可以使用:接通/关闭电源，发射器输出高/低，待机/正常工作等。

同样，修改后的方法3015.7不强制产品承受特定级别的ESD;它只定义了保护的等级。然而，Maxim的新收发器通常提供±15kV的保护等级(表2和3)。该等级允许一些用户消除昂贵的TransZorbs ;和其他外部保护电路。

IEC 1000-4-2型号

第二种更严格的测试包括I/O引脚的ic的方法是IEC 1000-4-2。这种设备级测试是由国际电工委员会开发的。最初打算作为在欧洲销售的设备的验收条件，它在美国和日本也迅速被接受为标准ESD标准。虽然最初并不打算作为IC规范，但它现在作为IC的ESD测试承担了额外的任务。与对3015.7的修改一样，它只测试I/O引脚。

IEC 1000-4-2的模型同样是图2中的电路，但具有不同的元件值。电阻R2 (330欧姆)代表一个人拿着螺丝刀或其他金属物体，C1 (150pF)代表另一个估计的人体电容。该电路产生的电流波形(图4)的上升时间比方法3015.7产生的波形更陡峭。

IEC 1000-4-2规定了接触放电和空气放电的ESD测试。由实际接触引起的ESD事件更容易重复，但不太真实，空气放电更真实，但受波形形状的很大差异的影响——根据温度、湿度、气压、IC和电极之间的距离以及接近IC引脚的速度的变化。(这种形状的变化会对测量的ESD公差水平产生重大影响。)

IEC 1000-4-2根据I/O引脚可承受的最低最大电压定义了四个符合性等级(表4)。下表定义了接触排放和空气排放的这些水平。

表4 IEC 1000-4-2符合性等级

接触还是排气?

根据IEC 1000-4-2测试ic的ESD耐用性需要使用ESD“枪”，该枪允许使用接触放电或空气放电进行测试。接触放电要求枪和I/O引脚之间的物理接触，然后通过枪内部的开关施加测试电压。空气放电要求喷枪在接近I/O引脚之前(从垂直方向，尽可能快地)充满测试电压。第二种技术在距离测试单元一定的临界距离处产生火花。

空气放电产生的静电放电类似于实际的静电放电事件。但是，像实际的ESD一样，空气放电的变化并不完全重复。它取决于许多不易控制的变量。因此，为了证明可重复性在测试中的重要性，IEC 1000-4-2建议使用接触放电，而修改后的3015.7方法只要求使用接触放电。在任何一种情况下，测试过程在每个测试级别上至少需要10次放电。

刚才讨论的两个ESD标准——修改后的3015.7方法和IEC 1000-4-2的空气或接触放电版本之间的主要区别在于它们在被测设备中产生的峰值电流。不同的组件值可能导致这些峰值电流相差大于5倍(表5)。由于峰值电流产生IC必须消散的无用功率，IEC 1000-4-2通常是对ESD要求更高的测试方法。

表5所示 静电放电电流与模型和施加电压

大电流会以各种方式损坏集成电路:

• 局部加热过度

• 融化硅

• 尖刺结，由短路导致铝溶解在硅中(图5)

• 损坏的金属线

• 电压过高导致栅氧化失效

• 电热迁移造成的晶体管损坏(图6)

保护方法

为了防止ESD，设计人员可以在外部添加保护或选择内置高水平保护的ic。保护电路包括金属氧化物压敏电阻和硅雪崩抑制器，如TransZorb。这些设备很有效，但价格昂贵(硅雪崩保护器每条线的价格高达0.30美元)。外部ESD保护也会消耗宝贵的电路板面积，并增加I/O线路的电容。

为了克服这些限制，制造商一再提高ic中的ESD保护水平。例如，Maxim现在为RS-232 ic提供±15kV保护，无论是根据IEC 1000-4-2还是人体模型进行测试。

Maxim的ESD保护方法

ESD电流波形的特点是上升时间极快，因此其通过IC的过程受到电路的分布寄生阻抗的强烈影响。因此，关注外部布局将确保IC内部保护网络的最大性能。Maxim建议其接口ic采用以下做法:

• 遵循标准布局技术，将所有旁路和电荷泵电容器尽可能靠近集成电路。

• 在pc板上包括一个接地平面。

• 最小化走线电感和电容。

• 将IC尽可能靠近I/O端口。

为了测试RS-232收发器或其他接口IC在ESD存在下的可靠性，Maxim建议使用修改后的3015.7方法和IEC 1000-4-2模型，在每种情况下都遵循类似的程序:以200V的增量逐步通过指定的ESD范围，在每个电平上，用每个极性的电压对设备进行10次电击，大约每秒一次。

因为这些测试的目的是评估安装在终端设备中的IC的ESD性能，所以测试设置应该使ESD电流沿着与设备中相同的路径流动。应对IC的接地引脚进行电击。(如IEC 1000-4-2所述，电路接地通常连接到设备机箱。)Maxim推荐使用Schaffner Instruments(瑞士)的NSG 435型ESD测试仪进行IEC 1000-4-2测试，使用IMCS (Oryx Technology Corporation, Fremont, CA)的4000型ESD测试仪进行修改后的3015.7测试。

您应该在每次攻击后通过监视三个参数来检查故障。首先，电源电流应保持恒定(电流增加可能表明闭锁或内部损坏)。其次，发射机输出电压应继续满足RS-232传输的±5V最低水平。第三，接收器输入电阻应保持在3k欧姆和7k欧姆之间(理想情况下，它应保持在该范围内的恒定水平)。确保在所有模式下对设备进行电击和测试:正常运行、关机、断电、发射机高/低等。

高抗静电ic的选择指南

在选择必须承受高水平ESD的IC(特别是RS-232收发器)之前，需要解决以下一些问题:

• IC保证能承受多大程度的ESD电压?该电压是通过什么测试方法确定的?不同的测试方法产生不同的额定电压。目前，推荐的方法包括IEC 1000-4-2和修改后的3015.7方法。

• ESD会导致IC闭锁吗?闭锁是一个关键问题。如果ESD导致电路闭锁，IC可能会停止工作。由此产生的电源电流(多达1A)可能会破坏集成电路。

• IC的ESD防护是否影响IC的正常工作?如果内部保护结构设计不当，正常操作会造成闭锁。

• 在使用IC时，您必须遵守特殊的注意事项吗?双极集成电路可能需要昂贵的低esr电容器或具有低交流阻抗的接地平面。最好在一开始就了解这些需求。

• IC的最大指定转换速率是多少?由于其esd保护结构，易受闭锁影响的集成电路可能会指定一个异常低的最大回转率，以避免触发闭锁条件。

• 在保证电压保护的整个范围内，IC如何响应ESD测试?静电防护结构的触发机制可以在不同的电压范围内启动，留下没有保护的“窗口”。(例如，这种设备可以在±10kV下工作，但在±5kV下就会失效。)Maxim建议在整个范围内以200V的增量进行ESD测试。

参考电路

静电放电，保护测试手册，第二版，KeyTek仪器公司，1986年，第7页。