V

100 пф

Рис.8.1. Схема стенда испытаний ИМС на устойчивость к электростатическому разряду в соответствии с моделью человеческого тела

Элементы защиты от электростатического разряда

Защита ИМС от ЭСР осуществляется введением в схему дополнительных элементов, которые передают ток разряда в цепи питания и ограничивают его во входные и выходные каскады. Самый простой и распространенный элемент зашиты показан на рис.8.2. Схемы, обладающие эффективными элементами защиты, имеют величину ДПЭСР 2000 В и допускают свободную манипуляцию с ними. ИМС с величиной ДПЭСР менее 200 В считаются ненадежными, так как могут отказать даже при использовании антистатических браслетов, и используются в редких случаях.

В быстродействующих ИМС, например ЭСЛ, реальное быстродействие ограничивается емкостями и индуктивностями входных цепей. Введение элементов защиты увеличивает входную и выходную емкости, что ограничивает и быстродействие ИМС. Проектирование элементов защиты проводится совместно с оптимизацией быстродействия входных и выходных каскадов ИМС.

88

Рис.8.3. ВАХ диода для режима больших токов и напряжений

Анод

Катод

Рис.8.4. Модель диода для режима больших токов и напряжений

При моделировании нет необходимости исследовать весь процесс разряда конденсатора через элементы схемы, достаточно рассчитать только начальное состояние.

Постоянная времени перезаряда реактивных элементов во входных и выходных цепях ИМС во много раз меньше (менее 1 нс), чем время разряда конденсатора (более 150 нс). Начальный ток разряда можно рассчитать и в статическом режиме.

В схеме для моделирования процесса разряда конденсатор заменяется источником напряжения, а внутренние логические блоки – резисторами.

90

Эквивалентная схема для моделирования режима ЭСР, показанная на рис.8.5, включает:

–ограничительный резистор величиной 1,5 кОм;

–элементы защиты ИМС от электростатического разряда;

–входной или выходной каскад ИМС;

–резисторы между цепями питания, которые имитируют внутренние блоки ИМС;

–цепи питания, одна из которых заземлена.

Общая шина

Моделирование режима ЭСР осуществляется при положительном и отрицательном напряжении пробойного участка. В элементы защиты во входные (выходные) каскады включены дополнительные диоды, моделирующие пробойные участки ВАХ.

Одновременно с расчетом ЭСР необходимо выполнить и расчет быстродействия входных и выходных каскадов с учетом реактивных параметров корпуса и элементов защиты. Методика расчета быстродействия рассмотрена в лекции, посвященной помехоустойчивости ИМС.

Процедура оптимизации элементов защиты ИМС от электростатического разряда

Путем увеличения размеров диодов значение ДПЭСР (допустимого потенциала разряда) может быть увеличено очень значительно (более 2000 В).

91

Однако не во всех случаях так возможно сделать, так как вступают в силу ограничения на быстродействие ИМС или на площадь, занимаемую элементами защиты на кристалле. Очевидно, что площадь элементов защиты не должна превышать 20 – 30 тыс. мкм2., что в 2 – 3 раза больше размеров контактной площадки. В противном случае большая часть кристалла ИМС будет занята элементами защиты. Для схем с низким быстродействием (до 100 МГц) ограничения на площадь элементов защиты проявляются раньше и анализ быстродействия можно не проводить.

Для высокочастотных схем (как аналоговых, так и цифровых при F ≥ 500 МГц) первоначально действует ограничение на входную (выходную) емкость. Большие многовыводные схемы, реализованные в больших корпусах, труднее защитить от электростатического разряда, так как ограничения на быстродействие ИМС проявляются не только от выходной емкости, но и от индуктивности выводов. Для конкретного типа корпуса можно построить зависимость максимальной рабочей частоты от размеров диодов защиты и найти прямую зависимость величины допустимой входной емкости от максимальной рабочей частоты. Пользуясь такими графиками, можно сделать оценки возможных величин ДПЭСР при заданной рабочей частоте ИМС.

Повышение величин ДПЭСР возможно по пути совершенствования технологии и схемотехники с целью уменьшения емкости элемента защиты при одновременном уменьшении его сопротивления на больших токах (около 1 А).

В любом случае следует стремиться к тому, чтобы величина ДПЭСР для всех входов и выходов была примерно одинаковой. Повышение ДПЭСР на отдельных выводах только ухудшает электрические параметры ИМС.

92