靜電沖擊（ESD）對電子設備的危害極大，歐洲從1996年就開始對電子設備抗靜電沖擊的能力制訂了標準，未達標的產品在歐洲很難銷售。半導體芯片制造商對ESD問題也傾注了很高的熱情。對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、造成的危害和相應的防護措施，以及如何測試集成電路的防靜電沖擊能力。
1.ESD的來源及其危害
兩種不同的材料進行摩擦后，一個帶上正電荷，另一個帶上負電荷，從而在兩者之間產生一定的電壓。電壓的大小取決于材料的性質、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接地的導體，會產生強烈的瞬間放電，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單模擬成一個被充電到很高電壓的小電容。
當集成電路（IC）受到ESD時，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，放電回路的電阻幾乎為零，這將造成高達幾十安培的瞬間放電尖峰電流流入相應的IC管腳。瞬間大電流會嚴重損傷IC，局部發(fā)熱的熱量甚至會融化硅片管芯。ESD對IC的損傷一般還包括內部金屬連接被燒斷、鈍化層被破壞、晶體管單元被燒壞等。
ESD還會引起IC的死鎖（LATCHUP）。這種效應和CMOS器件內部的類似可控硅的結構單元被激活有關。高電壓可激活這些結構，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。鎖死電流會一直保持，直到器件被斷電。不過到那時，IC通常早已因過熱而燒毀了。
對串行接口器件來說，ESD會使IC工作不正常，通訊出現(xiàn)誤碼，嚴重的會徹底損壞。為分析故障現(xiàn)象，MAXIM公司對不同廠家的RS－232接口器件做了ESD測試。結果發(fā)現(xiàn)，通常的故障現(xiàn)象有兩種：一種故障現(xiàn)象是串擾，信號接收器接收到的信號干擾了發(fā)送器，造成誤碼。另一種故障是在IC內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，過高的回饋電壓會損壞其它由單電源（＋5V）供電的器件
2.ESD防護措施
對于串行接口器件，最簡單的防護措施是在每條信號線上外加阻容元件。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)點是成本低，但是防護能力有限。雖然能使ESD的破壞力在一定程度上得到抑制，但依然存在。因為阻容元件并不能降低尖峰電壓的峰值，僅僅是減少了電壓上升的斜率。而且阻容元件還會引起信號失真，以致限制了通訊電纜的長度和通訊速率。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是外加電壓瞬變抑制器或TransZorbTM二極管。這種防護非常有效。但外加器件仍會增加電路板面積，而且防護器件的電容效應會增加信號線的等效電容，成本也較高，因為TransZorbTM二極管價格較貴（大約25美分/每個），典型的3發(fā)/5收的COM端口需要8個TransZorbTM二極管，費用高達＄2美元。
還有一種有效的方法是采用內部集成ESD防護功能的串行接口器件。這種器件比普通無防護功能的器件價格要貴，但增加的費用比起外加防護二極管的費用要低。內部集成的ESD防護電路不會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防護技術，并可提供全系列的ESD防護串行接口器件，包括與標準器件完全兼容的產品。MAXIM公司還將同樣的技術應用到模擬開關和開關去抖產品中。所有這些器件的ESD防護能力都符合±15kVIEC1000－4－2（氣隙放電）、±8kVIEC1000－4－2（接觸放電）和±15kV人體模型（HBM）測試標準。表1列出了MAXIM公司的具有抗靜電功能的器件。
3.ESD測試程序及標準
為保證ESD測試的一致性，應采用圖3所示標準測試電路。輸出可調的高壓源通過高阻值電阻對電容充電，切換開關S1或利用靜電槍使充好電的電容通過一個放電電阻對被測器件進行放電。電容、充電電阻、放電電阻根據不同的測試標準應取不同的數值。
一個有效的ESD測試應在最高測試電壓以內的整個電壓范圍進行。因為有些IC可能在10kV時通過了測試，但在4kV時反而被ESD打壞了，這樣的IC實際上沒有抗靜電能力。人體模型和IEC1000－4－2標準規(guī)定在測試電壓范圍內必須以200V為一個間隔進行測試，而且要同時測試正負電壓。也就是說，從±200V開始測試，±400V，±600V，一直到最高測試電壓。對IC的所有可能的工作模式都應分別進行完整的ESD測試。包括上電工作狀態(tài)，斷電停機狀態(tài)，如果串行接口器件有自動關斷休眠模式，還應對這一狀態(tài)再進行一次ESD測試。所有相關的測試標準和程序都規(guī)定，在每個測試電壓點，對被測引腳應連續(xù)放電10次，考慮到正負電壓都要測，實際要放電20次。每一輪放電完成后，應測量被測器件的相應參數，判斷器件是否損壞。對于串行接口器件（RS－232，RS－485）應遵循以下判據：
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.信號發(fā)送輸出端的輸出電平是否仍在參數規(guī)格范圍內；
3.信號接收輸入端的輸入電阻是否正常（一般在3kΩ到7kΩ(之間）。
只有這些指標都合格，才可轉到下一個電壓測試點。在所有電壓點都測試完以后，還應對IC做全面的功能測試，測量IC的每個參數是否仍在參數標準定義的范圍內。只有通過所有這些ESD測試后仍能達到規(guī)定參數標準的IC才是真正的抗靜電IC。需要注意的是，按一般標準完成ESD測試，但并不能判斷IC的好壞。有些ESD測試儀自帶了一些參數測量功能，但因不是針對特定器件的參數測量，只是一般的測試手段，因而只能作為一個參考。嚴格的測試仍應按以上所述的測試程序和測試判據進行。
