CN105676039B - 一种静电放电发生器电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种静电放电发生器电路，所述静电放电发生器电路包括：第一预充电电路、第二预充电电路、泄放电路、位移电流产生电路及电流叠加电路；所述第一预充电电路，用于基于预充电的电容生成第一放电电流；所述第二预充电电路，用于基于预充电的电容生成第二放电电流；所述泄放电路，用于为所述第一放电电流提供泄放通路；所述位移电流产生电路，用于生成位移电流；所述电流叠加电路，用于将所述位移电流及所述第二放电电流相加生成人体金属模型HMM波形。本发明中的电路模型可以方便的嵌入SPICE模拟器中，产生符合IEC61000‑4‑2标准和人体金属模型标准的系统级ESD波形，并且拥有完整的时域和频域的理论分析。

Description

一种静电放电发生器电路

技术领域

本发明实施例涉及静电放电测试模拟技术领域，尤其涉及一种静电放电发生器电路。

背景技术

在集成电路(integrated circuit，IC)芯片的封装、测试、运输、制造等过程中，都会出现不同程度的静电放电(Electronic Static Discharge，ESD)事件，而静电放电带来的芯片失效问题是集成电路产业不容忽视的问题。静电放电的测试模型分为部件级和系统级。对于部件级来说，常用的模型为人体模型(Human Body Model，简称HBM),带电器件模型(Charge Device Model，简称CDM)和机械模型(Machine Model，简称MM)，这些模型广泛用于检测电子器件的鲁棒性。对于系统级来说，常用的检测方法为IEC 61000-4-2标准，系统级ESD测试用来检测电子产品的鲁棒性。为了研究IC芯片在系统级ESD测试下的特性，ESD协会提出一种新的模型为人体金属模型(Human Metal Model，简称HMM)作为IEC 61000-4-2的部件级等效标准。

如图1所示，标准的HMM波形是双波峰波形，第一个波峰代表金属与器件引脚的接触放电过程，第二个波峰代表器件与人体的接触放电过程。以一个预充电电压为8kV的HMM波形发生器为例，需要满足的参数主要体现在四个方面：第一个波峰的峰值为30A±10％；HMM波形的上升时间为0.8ns±25％；30ns时，波形的幅值16A±30％；60ns时，波形的幅值8A±30％。

图2中的(a)和(b)是现有技术中两种产生的波形能符合HMM或IEC61000-4-2标准的传统电路模型。其中图2(a)电路模型结构由两个平行的R-C-L电路组成，此电路模型能产生符合HMM或IEC61000-4-2标准的波形，但是并没有理论的公式推导和实际的计算过程为其支撑。图2(b)电路模型也能产生符合HMM或IEC61000-4-2标准的波形，但是根据IEC61000-4-2标准，电容C₁和C₂的电压值应该相等，而且此电路模型也没有理论的公式推导和实际的计算过程作为支撑。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明实施例提供了一种静电放电发生器电路，能够得到严格符合IEC61000-4-2标准和人体金属模型标准的系统级ESD波形，而且能够方便地嵌入SPICE模型器中，且基于该电路模型能够建立完整的时域和频域的理论分析。

第一方面，本发明提供了一种静电放电发生器电路，所述静电放电发生器电路包括：第一预充电电路、第二预充电电路、泄放电路、位移电流产生电路及电流叠加电路；

所述第一预充电电路，第一端与所述泄放电路的第一端及所述位移电流产生电路连接，第二端与所述泄放电路的第二端、所述第二预充电电路及所述电流叠加电路连接，用于基于预充电的电容生成第一放电电流；

所述第二预充电电路，第一端与所述电流叠加电路的第一端及所述位移电流产生电路连接，第二端与所述电流叠加电路的第二端、所述泄放电路及所述第一预充电电路连接，用于基于预充电的电容生成第二放电电流；

所述泄放电路，第一端与所述第一预充电电路的第一端及所述位移电流产生电路连接，第二端与所述第一预充电电路的第二端、所述电流叠加电路及所述第二预充电电路连接，用于为所述第一放电电流提供泄放通路；

所述位移电流产生电路，第一端与所述第一预充电电路及所述泄放电路连接，第二端与所述第二预充电电路及所述电流叠加电路连接，用于生成位移电流；

所述电流叠加电路，第一端与所述第二预充电电路的第一端及所述位移电流产生电路连接，第二端与所述第二预充电电路的第二端、所述泄放电路及所述第一预充电电路连接，用于将所述位移电流及所述第二放电电流相加生成人体金属模型HMM波形；

其中，所述第一预充电电路与所述第二预充电电路的充电电压相等。

优选地，所述第一预充电电路包括：第一电阻、第一电感及第一电容；

所述第一电阻的第一端与所述第一预充电电路的第一端连接；所述第一电阻的第二端与所述第一电感的第一端连接；所述第一电感的第二端与所述第一电容的第一端连接，所述第一电容的第二端与所述第一预充电电路的第二端连接。

优选地，所述第二预充电电路包括：第二电阻、第二电感及第二电容；

所述第二电阻的第一端与所述第二预充电电路的第一端连接；所述第二电阻的第二端与所述第二电感的第一端连接；所述第二电感的第二端与所述第二电容的第一端连接；所述第二电容的第二端与所述第二预充电电路的第二端连接。

优选地，所述泄放电路包括：第三电阻；

所述第三电阻的第一端与所述泄放电路的第一端连接，所述第三电阻的第二端与所述泄放电路的第二端连接。

优选地，所述位移电流产生电路包括：第四电阻及第三电容；

所述第四电阻的第一端与所述位移电流产生电路的第一端连接，所述第四电阻的第二端与所述第三电容的第一端连接，所述第三电容的第二端与所述位移电流产生电路的第二端连接。

优选地，所述电流叠加电路包括：第五电阻；

所述第五电阻的第一端与所述电流叠加电路的第一端连接，所述第五电阻的第二端与所述电流叠加电路的第二端连接。

优选地，所述位移电流在频域上的公式为：

所述位移电流在时域上的公式为：

其中，I₁(s)表示频域上的位移电流，I₁(t)表示时域上的位移电流，U为所述第一预充电电路中的电容两端的初始电压值，R为所述第一预充电电路中的电阻与所述位移电流产生电路中的电阻的串联之和；L为所述第一预充电电路中的电感值；C为所述第一预充电电路中的电容与所述位移电流产生电路中的电容串联之和。

优选地，所述第二放电电流在频域上的公式为：

所述第二放电电流在时域上的公式为：

其中，I₂(s)表示频域上的第二放电电流，I₂(t)表示时域上的第二放电电流，U'为所述第二预充电电路中的电容两端的初始电压值，R'为所述第二预充电电路中的电阻值；L'为所述第二预充电电路中的电感值；C'为所述第二预充电电路中的电容值。

由上述技术方案可知，本发明实施例通过第一预充电电路及位移电流产生电路生成用于代表金属放电的位移电流，第二预充电电路生成用于代表人体放电的第二放电电流，并进一步通过电流叠加电路将位移电流与第二放电电流叠加生成HMM波形，以得到严格符合IEC61000-4-2标准和人体金属模型标准的系统级ESD波形。而且该静电放电发生器电路能够方便地嵌入SPICE模型器中，且基于该电路模型能够建立完整的时域和频域的理论分析。

与现有技术相比，本发明实施例提供的静电放电发生器电路模型，不仅能够产生符合HMM或IEC61000-4-2标准的波形，而且有理论的公式推导及实际的计算过程为其支撑。

当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1是标准的HMM波形的示意图；

图2(a)是现有的一种产生波形能符合HMM或IEC61000-4-2标准的传统电路模型；

图2(b)是现有的另一种产生波形能符合HMM或IEC61000-4-2标准的传统电路模型；

图3是本发明一实施例提供的一种静电放电发生器电路的结构示意图；

图4是本发明另一实施例提供的一种静电放电发生器电路的示意图；

图5是本发明另一实施例提供的产生位移电流的部分电路图及电路模型从时域变换到频域的示意图；

图6是本发明另一实施例提供的产生第二放电电流的部分电路图及电路模型从时域变换到频域的示意图；

图7是本发明另一实施例提供的静电放电发生器电路模型嵌入SPICE模拟器中时模拟ESD静电枪产生不同能量冲击时的激励波形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图3是本发明一实施例提供的一种静电放电发生器电路的结构示意图，所述静电放电发生器电路包括：第一预充电电路101、第二预充电电路102、泄放电路103、位移电流产生电路104及电流叠加电路105。其中：

如图3所示，所述第一预充电电路101，第一端与所述泄放电路103的第一端及所述位移电流产生电路104连接，第二端与所述泄放电路103的第二端、所述第二预充电电路102及所述电流叠加电路105连接，用于基于预充电的电容生成第一放电电流。

所述第二预充电电路102，第一端与所述电流叠加电路105的第一端及所述位移电流产生电路104连接，第二端与所述电流叠加电路105的第二端、所述泄放电路103及所述第一预充电电路101连接，用于基于预充电的电容生成第二放电电流。

所述泄放电路103，第一端与所述第一预充电电路101的第一端及所述位移电流产生电路104连接，第二端与所述第一预充电电路101的第二端、所述电流叠加电路105及所述第二预充电电路102连接，用于为所述第一放电电流提供泄放通路。

所述位移电流产生电路104，第一端与所述第一预充电电路101及所述泄放电路103连接，第二端与所述第二预充电电路102及所述电流叠加电路105连接，用于生成位移电流。

所述电流叠加电路105，第一端与所述第二预充电电路102的第一端及所述位移电流产生电路104连接，第二端与所述第二预充电电路102的第二端、所述泄放电路103及所述第一预充电电路101连接，用于将所述位移电流及所述第二放电电流相加生成人体金属模型HMM波形。

其中，所述第一预充电电路与所述第二预充电电路的充电电压相等。即第一预充电电路中的电容和第二预充电电路中的电容的充电电压相等。

由此可见，本实施例通过第一预充电电路及位移电流产生电路生成用于代表金属放电的位移电流，第二预充电电路生成用于代表人体放电的第二放电电流，并进一步通过电流叠加电路将位移电流与第二放电电流叠加生成HMM波形，以得到严格符合IEC61000-4-2标准和人体金属模型标准的系统级ESD波形。而且该静电放电发生器电路能够方便地嵌入SPICE模型器中，且基于该电路模型能够建立完整的时域和频域的理论分析。

图4是本发明另一较为具体的实施例中的静电放电发生器电路的示意图，如图4所示，所述第一预充电电路包括：第一电阻R1、第一电感L1及第一电容C1。

具体地，所述第一电阻R1的第一端与所述第一预充电电路的第一端连接；所述第一电阻R1的第二端与所述第一电感L1的第一端连接；所述第一电感L1的第二端与所述第一电容C1的第一端连接，所述第一电容C1的第二端与所述第一预充电电路的第二端连接。

由此可见，在本实施例中，第一电阻R1的第一端即为第一预充电电路的第一端，而第一电容C1的第二端即为第一预充电电路的第二端。而且，通过对C1进行预充电后，进而通过充电的电容C1能够生产第一放电电流。

如图4所示，所述第二预充电电路包括：第二电阻R2、第二电感L2及第二电容C2。

具体地，所述第二电阻R2的第一端与所述第二预充电电路的第一端连接；所述第二电阻R2的第二端与所述第二电感L2的第一端连接；所述第二电感L2的第二端与所述第二电容C2的第一端连接；所述第二电容C2的第二端与所述第二预充电电路的第二端连接。

由此可见，在本实施例中，第二电阻R2的第一端即为第二预充电电路的第一端，而第二电容C2的第二端即为第二预充电电路的第二端。而且，通过对C2进行预充电后，进而通过充电的电容C2能够生产第二放电电流。

如图4所示，所述泄放电路包括：第三电阻R3。

具体地，所述第三电阻R3的第一端与所述泄放电路的第一端连接，所述第三电阻R3的第二端与所述泄放电路的第二端连接。

由此可见，第三电阻R3用于为第一预充电电路生成的第一放电电流提供的泄放通路。

如图4所示，所述位移电流产生电路包括：第四电阻R4及第三电容C3。

具体地，所述第四电阻R4的第一端与所述位移电流产生电路的第一端连接，所述第四电阻R4的第二端与所述第三电容C3的第一端连接，所述第三电容C3的第二端与所述位移电流产生电路的第二端连接。

本实施例中的位移电流产生电路用于对C3快速充电，进而在C3放电时产生位移电流，即HMM波形的第一部分尖峰波形。

如图4所示，所述电流叠加电路包括：第五电阻R5。

所述第五电阻R5的第一端与所述电流叠加电路的第一端连接，所述第五电阻R5的第二端与所述电流叠加电路的第二端连接。

进一步地，图5是产生位移电流I₁的部分电路图，及电路模型从时域变换为频域的过程。本实施例中，产生位移电流的部分电路具体包括第一预充电电路、泄放电路、位移电流产生电路及电流叠加电路。其中，泄放电路中的第三电阻R3的取值很大(如10k欧)，则该泄放电路此时等效为断路，而电流叠加电路R5的取值接近于0则等效为短路。根据拉普拉斯变换定理，产生位移电流I₁的部分电路结构可从时域变换至频域，如图5所示，所述位移电流在频域上的公式为：

其中，U＝U₁，R＝R₁+R₄，L＝L₁，C＝1/(1/C₁+1/C₃)。

进一步地，根据拉普拉斯变化公式：

则所述位移电流在时域上的公式为：

其中，I₁(s)表示频域上的第二放电电流，I₁(t)表示时域上的第二放电电流，U为所述第一预充电电路中的电容两端的初始电压值U₁，R为所述第一预充电电路中的电阻R₁与所述位移电流产生电路中的电阻R₄的串联之和；L为所述第一预充电电路中的电感值L₁；C为所述第一预充电电路中的电容C₁与所述位移电流产生电路中的电容C₃的串联之和。

进一步地，图6是产生第二放电电流I₂的部分电路图(包括第二预充电电路)，及电路模型从时域变换为频域的过程。此时，所述第二放电电流在频域上的公式为：

其中，U＝U₂，R’＝R₂，L’＝L₂，C’＝C₂。

根据拉普拉斯变换公式：

则所述第二放电电流在时域上的公式为：

其中，I₂(s)表示频域上的第二放电电流，I₂(t)表示时域上的第二放电电流，U'为所述第二预充电电路中的电容两端的初始电压值U₂，R'为所述第二预充电电路中的电阻值R₂；L'为所述第二预充电电路中的电感值L₂；C'为所述第二预充电电路中的电容值C₂。

进一步地，将上述任一实施例中的静电放电发生器电路模型方便地嵌入SPICE模拟器中，如图7所示的模拟ESD静电枪产生不同能量冲击时的激励波形，由此可见，上述任一实施例中的静电放电发生器电路模型产生的波形能够产生严格符合IEC61000-4-2标准和人体金属模型标准的系统级ESD波形。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种静电放电发生器电路，其特征在于，所述静电放电发生器电路包括：第一预充电电路、第二预充电电路、泄放电路、位移电流产生电路及电流叠加电路；

所述第一预充电电路，第一端与所述泄放电路的第一端及所述位移电流产生电路连接，第二端与所述泄放电路的第二端、所述第二预充电电路及所述电流叠加电路连接，用于基于预充电的电容生成第一放电电流；

所述第二预充电电路，第一端与所述电流叠加电路的第一端及所述位移电流产生电路连接，第二端与所述电流叠加电路的第二端、所述泄放电路及所述第一预充电电路连接，用于基于预充电的电容生成第二放电电流；

所述泄放电路，第一端与所述第一预充电电路的第一端及所述位移电流产生电路连接，第二端与所述第一预充电电路的第二端、所述电流叠加电路及所述第二预充电电路连接，用于为所述第一放电电流提供泄放通路；

所述位移电流产生电路，第一端与所述第一预充电电路及所述泄放电路连接，第二端与所述第二预充电电路及所述电流叠加电路连接，用于生成位移电流；

所述电流叠加电路，第一端与所述第二预充电电路的第一端及所述位移电流产生电路连接，第二端与所述第二预充电电路的第二端、所述泄放电路及所述第一预充电电路连接，用于将所述位移电流及所述第二放电电流相加生成人体金属模型HMM波形；

其中，所述第一预充电电路与所述第二预充电电路的充电电压相等。

2.根据权利要求1所述的静电放电发生器电路，其特征在于，所述第一预充电电路包括：第一电阻、第一电感及第一电容；

所述第一电阻的第一端与所述第一预充电电路的第一端连接；所述第一电阻的第二端与所述第一电感的第一端连接；所述第一电感的第二端与所述第一电容的第一端连接，所述第一电容的第二端与所述第一预充电电路的第二端连接。

3.根据权利要求1所述的静电放电发生器电路，其特征在于，所述第二预充电电路包括：第二电阻、第二电感及第二电容；

所述第二电阻的第一端与所述第二预充电电路的第一端连接；所述第二电阻的第二端与所述第二电感的第一端连接；所述第二电感的第二端与所述第二电容的第一端连接；所述第二电容的第二端与所述第二预充电电路的第二端连接。

4.根据权利要求1所述的静电放电发生器电路，其特征在于，所述泄放电路包括：第三电阻；

所述第三电阻的第一端与所述泄放电路的第一端连接，所述第三电阻的第二端与所述泄放电路的第二端连接。

5.根据权利要求1所述的静电放电发生器电路，其特征在于，所述位移电流产生电路包括：第四电阻及第三电容；

所述第四电阻的第一端与所述位移电流产生电路的第一端连接，所述第四电阻的第二端与所述第三电容的第一端连接，所述第三电容的第二端与所述位移电流产生电路的第二端连接。

6.根据权利要求1所述的静电放电发生器电路，其特征在于，所述电流叠加电路包括：第五电阻；

所述第五电阻的第一端与所述电流叠加电路的第一端连接，所述第五电阻的第二端与所述电流叠加电路的第二端连接。

7.根据权利要求1所述的静电放电发生器电路，其特征在于，所述位移电流在频域上的公式为：

所述位移电流在时域上的公式为：

其中，I₁(s)表示频域上的位移电流，I₁(t)表示时域上的位移电流，U为所述第一预充电电路中的电容两端的初始电压值，R为所述第一预充电电路中的电阻与所述位移电流产生电路中的电阻的串联之和；L为所述第一预充电电路中的电感值；C为所述第一预充电电路中的电容与所述位移电流产生电路中的电容串联之和。

8.根据权利要求1所述的静电放电发生器电路，其特征在于，所述第二放电电流在频域上的公式为：

所述第二放电电流在时域上的公式为：

其中，I₂(s)表示频域上的第二放电电流，I₂(t)表示时域上的第二放电电流，U'为所述第二预充电电路中的电容两端的初始电压值，R'为所述第二预充电电路中的电阻值；L'为所述第二预充电电路中的电感值；C'为所述第二预充电电路中的电容值。