JPH04288866A - Method of optimizing ic protection element and ic mounted with the protection element - Google Patents

Method of optimizing ic protection element and ic mounted with the protection element

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JPH04288866A
JPH04288866A JP3052496A JP5249691A JPH04288866A JP H04288866 A JPH04288866 A JP H04288866A JP 3052496 A JP3052496 A JP 3052496A JP 5249691 A JP5249691 A JP 5249691A JP H04288866 A JPH04288866 A JP H04288866A
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JP
Japan
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protection element
energy
internal circuit
protection
voltage
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Application number
JP3052496A
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Japanese (ja)
Inventor
Takashi Iwai
崇 岩井
Motoo Nakano
元雄 中野
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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Abstract

PURPOSE:To enable a protection element to be optimized based on a quantitative analysis and then a protection element suited for that IC to be selected. CONSTITUTION:When selecting a protection element of an IC to be connected to the IC, a resistance which is defined by (application energy/ integral (discharge current)<2>dt) is used as an evaluation parameter determining an electrostatic energy absorption capacity of the protection element and a protection element suited for the IC is selected. Fig. 1 shows a status where the resistance which is defined in the above changes according to the applied voltage for type 1 and type 2 protection elements and indicates that the protection elements of the above each type starts to function (starts to absorb electrostatic energy) nearly at voltages V1 and V2.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明はICを静電気による破壊
から守るために、該ICの入出力端子あるいは電源端子
とその内部回路との間に挿入接続される保護素子として
、該ICに最適な保護素子を選択するためのICの保護
素子最適化方法、および該方法により選択された保護素
子が搭載されたICに関する。
[Industrial Application Field] The present invention is designed to be used as a protective element inserted and connected between the input/output terminal or power supply terminal of the IC and its internal circuit in order to protect the IC from destruction due to static electricity. The present invention relates to an IC protection element optimization method for selecting a protection element, and an IC equipped with a protection element selected by the method.

【0002】0002

【従来の技術】一般にICは、被保護素子である内部回
路と、その内部回路を静電気(例えば人がICのピンに
触れたとき、あるいはIC上にそのナンバーなどを印刷
する際にローラーによる摩擦が生じたときなどに発生す
る)から保護する目的で、その入出力端子あるいは電源
端子に組み込まれた保護素子とで構成されている。そし
てこの保護素子が静電気を吸収し、該内部回路に過大な
静電気が印加されることのないように、該内部回路を保
護している。通常この保護素子は抵抗、ダイオード、ト
ランジスタなどで構成される。
[Prior Art] In general, an IC has an internal circuit that is a protected element, and the internal circuit is exposed to static electricity (for example, when a person touches an IC pin, or when a roller causes friction when printing a number etc. on an IC). It consists of a protection element built into its input/output terminal or power supply terminal for the purpose of protecting it from the occurrence of This protection element absorbs static electricity and protects the internal circuit from being applied with excessive static electricity. This protection element usually consists of a resistor, diode, transistor, etc.

【0003】図8は、ICの入出力端子2と内部回路7
との間に保護素子3および4が組み込まれる場合の回路
構成を例示するもので、5は接地線、6は電源線を示す
。そして通常は(該入出力端子2に通常の電圧、例えば
2Vが印加されているときは)、該保護素子3および4
はともにオフとされているが、該静電気による過電圧入
力時には該保護素子3又は4がオンとなって(例えば該
入出力端子2に例えば+10Vが印加されたときは該保
護素子3がオンとなり、一方該入出力端子2に例えば−
10Vが印加されたときは該保護素子4がオンとなって
)、外部から入った静電気のエネルギーを保護素子が吸
収し、静電気の影響が内部回路7まで及ばないようにし
ている。
FIG. 8 shows the input/output terminal 2 and internal circuit 7 of the IC.
This figure illustrates a circuit configuration in which protective elements 3 and 4 are installed between the two, in which 5 represents a ground line and 6 represents a power line. Normally (when a normal voltage, for example 2V, is applied to the input/output terminal 2), the protection elements 3 and 4
Both are off, but when an overvoltage is input due to static electricity, the protection element 3 or 4 turns on (for example, when +10V is applied to the input/output terminal 2, the protection element 3 turns on, On the other hand, the input/output terminal 2, for example -
When 10V is applied, the protection element 4 is turned on), and the protection element absorbs the energy of static electricity entering from the outside, thereby preventing the influence of static electricity from reaching the internal circuit 7.

【0004】また図9は、ICの電源端子(Vdd端子
)9と内部回路7との間に保護素子8が組み込まれる場
合の回路構成を例示するもので、5は接地線を示す。こ
の場合にも、該電源端子9に過電圧が印加された場合に
は該保護素子8がオンとなって(例えば正の過電圧が印
加された場合は該保護素子に対する逆方向電圧が過大と
なってブレークダウンする)、該内部回路7を保護する
FIG. 9 shows an example of a circuit configuration in which a protection element 8 is incorporated between a power supply terminal (Vdd terminal) 9 of an IC and an internal circuit 7, and 5 indicates a ground line. In this case as well, if an overvoltage is applied to the power supply terminal 9, the protection element 8 is turned on (for example, if a positive overvoltage is applied, the reverse voltage to the protection element becomes excessive). breakdown) and protect the internal circuit 7.

【0005】ところでかかる保護素子をそなえたICの
持つ静電気に対する耐性を調べる方法としては、従来よ
り例えば図6に示されるような静電気耐圧測定回路が用
いられている。すなわち該耐圧測定回路は、電源V、該
電源VにスイッチS1 を介して接続されたコンデンサ
C、および該コンデンサCにスイッチS2 を介して接
続されたIC(上述したように保護素子および内部回路
からなる)12により構成され、該コンデンサCに電源
Vからある高電圧を印加して電荷を蓄え、スイッチS1
 およびS2 を切り換えることにより該IC12に対
して放電を行い、該IC12が壊れたかどうかを判定し
、該ICが破壊したときの電圧でその耐圧を測定してい
る。
By the way, as a method for examining the resistance to static electricity of an IC equipped with such a protection element, a static electricity withstand voltage measuring circuit as shown in FIG. 6 has been conventionally used. In other words, the withstand voltage measurement circuit consists of a power supply V, a capacitor C connected to the power supply V through a switch S1, and an IC connected to the capacitor C through a switch S2 (as described above, from the protection element and internal circuit). ) 12, a certain high voltage is applied to the capacitor C from the power supply V to store charge, and the switch S1
and S2, the IC 12 is discharged, it is determined whether or not the IC 12 is broken, and its withstand voltage is measured by the voltage at which the IC breaks.

【0006】このような耐圧測定回路を用いる方法は、
電荷を蓄えたときの電圧を評価基準とした静電気耐圧試
験ということができる。そしてこのような耐圧試験の結
果、もし所定の耐圧をクリアしないときは、違う保護素
子(例えば保護素子がトランジスタであればそのゲート
幅を大にした保護素子)を用いて再度設計、IC試作を
行い、再度耐圧試験を行っている。
[0006] A method using such a withstand voltage measurement circuit is as follows:
It can be said to be an electrostatic withstand voltage test that uses the voltage when a charge is stored as an evaluation standard. As a result of such a withstand voltage test, if the specified withstand voltage is not cleared, the design and IC prototype will be re-designed using a different protection element (for example, if the protection element is a transistor, the protection element with a larger gate width). We are conducting a pressure test again.

【0007】このようにICの耐静電気特性の強化には
、内部回路に合わせた保護素子の最適化が重要であるが
、現在は経験に頼った保護素子の選択をしており、設計
試作および耐圧試験という試行錯誤を繰り返している。 そのために最適な保護素子の選択に過大な手間とコスト
を要するという問題点があった。
[0007] As described above, in order to strengthen the anti-static characteristics of an IC, it is important to optimize the protection element according to the internal circuit.Currently, the selection of protection elements relies on experience, and the design and prototyping and We are repeating trial and error in the form of pressure tests. Therefore, there has been a problem in that selecting an optimal protection element requires excessive effort and cost.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる課題を
解決するためになされたもので、定量的な解析に基づい
て保護素子の最適化を行ない、そのICに適した保護素
子を容易に選択できるようにしたものである。
[Problems to be Solved by the Invention] The present invention has been made to solve such problems, and it is possible to optimize a protection element based on quantitative analysis and easily select a protection element suitable for the IC. It has been made possible.

【0009】ここで合理的な保護素子の選択を可能にす
るためには、(1)一定の基準に基づいて保護素子を定
量的に評価して(すなわち該保護素子の形状に関係なく
該保護素子の保護能力を一定の基準で測り)、その結果
に応じて該保護素子を能力別に分類すること、および(
2)該能力別の分類に基づいて設計の時点において、最
適保護素子の選択方法(あるICに対して最適な保護素
子を選択する方法)を確立することが必要である。しか
し、静電気破壊現象は高電圧・高電流を伴った現象であ
るため、従来の半導体関係式による取扱いでは不十分で
あり、新しい評価法を考える必要がある。またIC設計
で扱いやすいように、できるだけ簡単なパラメータで表
現できることが望ましい。
In order to make it possible to rationally select a protection element, (1) quantitatively evaluate the protection element based on certain criteria (that is, the protection element should be evaluated regardless of the shape of the protection element); Measuring the protection ability of an element using a certain standard), classifying the protection element by ability according to the results, and (
2) It is necessary to establish an optimal protection element selection method (a method for selecting the optimal protection element for a certain IC) at the time of design based on the classification by capability. However, since the electrostatic breakdown phenomenon is a phenomenon that involves high voltage and high current, it is insufficient to treat it using conventional semiconductor-related equations, and it is necessary to consider a new evaluation method. Also, it is desirable to be able to express it with as simple parameters as possible so that it can be easily handled in IC design.

【0010】0010

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
めに、本発明の一形態によれば、ICに接続する該IC
の保護素子の選択に際し、該保護素子の静電気エネルギ
ー吸収能力を決める評価パラメータとして、(印加エネ
ルギー/∫(放電電流)2dt)で定義される抵抗値を
用い、それに基づいて該ICに適した保護素子を選択す
ることを特徴とするICの保護素子最適化方法が提供さ
れる。
[Means for Solving the Problems] In order to solve the problems, according to one embodiment of the present invention, the IC connected to the IC
When selecting a protection element, the resistance value defined by (applied energy/∫(discharge current) 2dt) is used as an evaluation parameter that determines the electrostatic energy absorption ability of the protection element, and based on this, the protection suitable for the IC is selected. A method for optimizing protection elements for an IC is provided, the method comprising selecting an element.

【0011】また本発明の他の形態によれば、上記最適
化方法により選択された保護素子が搭載されていること
を特徴とする保護素子を搭載したICが提供される。
According to another aspect of the present invention, there is provided an IC equipped with a protection element, characterized in that it is equipped with a protection element selected by the above-mentioned optimization method.

【0012】0012

【作用】上記構成によれば、今まで経験的に選択され、
目的のICに合わなければ取り替えてみる、という無駄
な繰り返しの連続であった保護素子の選択に代り、合理
的でかつ最適な保護素子が最短時間で選択可能となり、
またこのようにして選択された保護素子が搭載されたI
Cを得ることができる。
[Operation] According to the above configuration, it has been selected empirically,
Instead of selecting a protection element, which was a series of wasteful repetitions of trying to replace it if it does not suit the target IC, it is now possible to select a rational and optimal protection element in the shortest possible time.
In addition, the I
C can be obtained.

【0013】[0013]

【実施例】ここで本発明の第1の基本原理として、上記
保護素子の能力分類法について説明する。先ず、ICの
破壊原因について考えると、熱破壊が基本である。した
がって破壊を考える上で電流量よりも静電気エネルギー
の吸収に注目し、エネルギーを変数とする。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As the first basic principle of the present invention, a method for classifying the capabilities of the protection elements will be explained. First, when considering the cause of IC destruction, thermal destruction is the basic cause. Therefore, when considering destruction, focus on the absorption of electrostatic energy rather than the amount of current, and use energy as a variable.

【0014】ICに静電気が印加されたとき、保護素子
が充分にエネルギーを吸収してしまえば、内部回路は破
壊せずICは安全である。ただし、保護素子自身も壊れ
ないことが前提である。したがって、保護素子の能力を
、(1)保護素子の静電気エネルギー吸収能力(静電気
を如何に吸収してしまうかの能力)、および(2)保護
素子の限界吸収エネルギー量(従来の破壊耐圧に相当す
るものをエネルギーで評価する)の2つで、評価・分類
することとする。
[0014] When static electricity is applied to an IC, if the protection element absorbs enough energy, the internal circuit will not be destroyed and the IC will be safe. However, the premise is that the protection element itself is not damaged. Therefore, the ability of the protection element is determined by (1) the electrostatic energy absorption capacity of the protection element (the ability to absorb static electricity), and (2) the limit absorption energy amount of the protection element (equivalent to the conventional breakdown voltage). We will evaluate and classify things based on energy.

【0015】そこで先ず上記(1)の静電気エネルギー
吸収能力の定量化について述べる。入力エネルギーがI
Cの中で内部回路と保護素子に吸収されるエネルギーの
割合は、それぞれの抵抗の比で決まる。また、抵抗の低
い素子がより多くのエネルギーを吸収することができる
。したがって、保護素子の静電気エネルギー吸収能力を
放電抵抗で表すことができる。しかし、保護素子の抵抗
(γ)は時間に対して一定ではない。更に、静電気エネ
ルギー(1/2・CV2)が印加されたときの保護素子
の放電波形(上記図6の回路で電源Vの電圧をV、コン
デンサCの容量をCとし、IC12の代りに保護素子の
みが単独で接続されたときの放電波形を、電流プローブ
を介してオシロスコープで観測する)は、図7に示され
るように過渡的である。
First, the quantification of the electrostatic energy absorption ability in (1) above will be described. The input energy is I
The proportion of energy absorbed by the internal circuit and the protection element in C is determined by the ratio of their respective resistances. Also, elements with lower resistance can absorb more energy. Therefore, the ability of the protection element to absorb electrostatic energy can be expressed in terms of discharge resistance. However, the resistance (γ) of the protection element is not constant over time. Furthermore, the discharge waveform of the protective element when electrostatic energy (1/2・CV2) is applied (in the circuit shown in FIG. 6 above, the voltage of the power supply V is V, the capacitance of the capacitor C is C, and the protective element is The discharge waveform when only one wire is connected alone (observed with an oscilloscope via a current probe) is transient as shown in FIG.

【0016】ここで、該保護素子に吸収されるエネルギ
ーは、∫γi2dtとなる。保護素子の抵抗は可変抵抗
と考えられるが、可変抵抗では放電現象の把握が難しい
ので、次式の平均化操作で保護素子の抵抗を一定値とし
て見る取扱いを行う。この抵抗値をRとすると、∫γi
2dt=R∫i2dtとなる。
[0016] Here, the energy absorbed by the protection element is ∫γi2dt. The resistance of the protection element is considered to be a variable resistance, but since it is difficult to grasp the discharge phenomenon with a variable resistance, the resistance of the protection element is treated as a constant value by the averaging operation of the following equation. If this resistance value is R, ∫γi
2dt=R∫i2dt.

【0017】また上述したようにして各保護素子単独の
測定を行えば、∫γi2dt=(1/2)CV2 (印
加エネルギー)となる。したがって該保護素子の抵抗値
は、R=(1/2)CV2 /∫i2dtとして定義さ
れる。ここで、∫i2dtは測定波形から求めることが
でき、また(1/2)CV2 は印加エネルギーである
ので、各保護素子のRは個別に実測できる。このRによ
って該保護素子の静電気エネルギー吸収能力を評価する
Furthermore, if each protection element is measured individually as described above, ∫γi2dt=(1/2)CV2 (applied energy). Therefore, the resistance value of the protection element is defined as R=(1/2)CV2/∫i2dt. Here, ∫i2dt can be determined from the measured waveform, and (1/2)CV2 is the applied energy, so R of each protection element can be measured individually. This R evaluates the electrostatic energy absorption ability of the protection element.

【0018】次に上記(2)の限界吸収エネルギー量を
、該素子の破壊時の素子吸収エネルギーとして定義する
。したがって、各素子単独の破壊電圧を静電気エネルギ
ーを表す式、すなわち(1/2)CV2 に代入するこ
とで求められる。
Next, the above-mentioned (2) limit absorption energy amount is defined as the element absorption energy when the element breaks. Therefore, it can be obtained by substituting the breakdown voltage of each element alone into the formula representing electrostatic energy, that is, (1/2)CV2.

【0019】次に本発明の第2の基本原理として、上記
保護素子の最適化方法(あるICに適した保護素子を選
択する手順)の確立について説明する。ここでは、上記
保護素子の能力評価に基づいて、内部回路に対する、保
護素子の最適化手段の確立を行う。保護素子の選択の妥
当性は、耐えるべき最大の印加エネルギーに対して、保
護素子及び内部回路が安全かどうかで判断することが可
能であり、かつこの判断に基づいて最適化を行うことが
できる。
Next, as the second basic principle of the present invention, the establishment of the above protection element optimization method (procedure for selecting a protection element suitable for a certain IC) will be explained. Here, a protection element optimization means for the internal circuit is established based on the performance evaluation of the protection element. The appropriateness of the selection of protection elements can be judged by whether the protection elements and internal circuits are safe against the maximum applied energy that must be withstood, and optimization can be performed based on this judgment. .

【0020】この場合の最適化手順として先ず、■測定
された各素子の抵抗値Rをエネルギー分配のための係数
として、耐性を要求される最大の印加エネルギーにおけ
る、保護素子とその内部回路とのエネルギー分配量を求
める。ここで例えば要求耐圧が300 Vであり、上記
コンデンサの容量が200pF であるとすると、上記
要求される最大の印加エネルギー(1/2)CV2=9
×10−6ジュールとなるので、該印加エネルギーが上
記保護素子と該保護素子に並列に接続された内部回路と
に、それぞれそれらの抵抗値に逆比例した割合で分配さ
れるものとして、上記エネルギー分配量を求める。
In this case, the optimization procedure is as follows: (1) Using the measured resistance value R of each element as a coefficient for energy distribution, calculate the relationship between the protection element and its internal circuit at the maximum applied energy required to withstand it. Find the energy distribution amount. For example, if the required withstand voltage is 300 V and the capacitance of the capacitor is 200 pF, the required maximum applied energy (1/2) CV2 = 9
×10-6 joules, so assuming that the applied energy is distributed to the protection element and the internal circuit connected in parallel to the protection element at a rate inversely proportional to their resistance values, the energy Find the distribution amount.

【0021】次いで、■このようにして求めた該保護素
子と内部回路のエネルギー分配量それぞれEP および
EI とする)を、それぞれ該保護素子および内部回路
の限界吸収エネルギー量(破壊しないための限界のエネ
ルギーで、それぞれEPMAXおよびEIMAXとする
)と比較することで、該保護素子と内部回路の破壊危険
性を判断する。
Next, (2) the energy distribution amounts of the protection element and internal circuit obtained in this way are expressed as EP and EI, respectively), and the limit absorption energy amount of the protection element and internal circuit (the limit to avoid destruction). The risk of destruction of the protective element and the internal circuit is determined by comparing the energy with EPMAX and EIMAX, respectively.

【0022】その結果、(a)該保護素子および内部回
路がともに安全圏にあれば、このままで該保護素子は適
切である。また、(b)保護素子に破壊危険性があれば
、該保護素子吸収エネルギーの限界値を高める必要があ
り、そのためにはその静電気エネルギー吸収能力(上記
Rで評価される)が同じで、かつその限界吸収エネルギ
ー量の大きな保護素子に置き換える。一方(c)内部回
路に破壊危険性があれば、該保護素子の抵抗値Rを下げ
る(すなわち保護素子の静電気エネルギー吸収能力を高
める)必要があり、そのためには該内部回路が破壊しな
いような静電気エネルギー吸収能力(上記Rで評価され
る)を有し、かつそれに見合った限界吸収エネルギー量
を有する保護素子に置き換える。
As a result, (a) if both the protection element and the internal circuit are within the safe range, the protection element is appropriate as is. (b) If the protective element has a risk of destruction, it is necessary to increase the limit value of the absorbed energy of the protective element, and for this purpose, the electrostatic energy absorption capacity (evaluated by R above) is the same, and Replace with a protective element that has a larger limit absorption energy amount. On the other hand, (c) if there is a risk of destruction of the internal circuit, it is necessary to lower the resistance value R of the protection element (in other words, increase the electrostatic energy absorption ability of the protection element), and to do so, it is necessary to Replace with a protective element that has electrostatic energy absorption capacity (evaluated by R above) and has a limit absorption energy amount commensurate with the electrostatic energy absorption capacity.

【0023】以上のようにして設計時における保護素子
の最適化が可能となる。ただし、内部回路については共
通の分類が出来ないので、該内部回路におけるブロック
毎の評価パラメータ(R)の積み重ねによって、該内部
回路の抵抗値と破壊強度(該内部回路の中で最も電流パ
スが集る個所の耐圧で該内部回路の耐圧、したがって限
界吸収エネルギー量が決定できる)を設計時に予測する
シミュレーションを行う。
[0023] As described above, it is possible to optimize the protection element at the time of design. However, since a common classification cannot be made for internal circuits, by accumulating evaluation parameters (R) for each block in the internal circuit, the resistance value and breakdown strength of the internal circuit (the one with the most current path in the internal circuit) A simulation is performed to predict at the time of design the withstand voltage of the internal circuit, and therefore the limit amount of absorbed energy, can be determined by the withstand voltage of the point where the internal circuits gather.

【0024】更に本発明の第3の基本原理として、最適
保護素子の設計が可能となる。すなわち上記保護素子の
抵抗評価を基にして、該保護素子について不足している
性能を強化することで、より性能の高い保護素子を設計
することができる。また特定のICに対して必要とされ
る保護素子性能を強化して、特定ICに最適な保護素子
を設計することも可能となる。
Furthermore, as the third basic principle of the present invention, it becomes possible to design an optimal protection element. That is, based on the resistance evaluation of the protection element, a protection element with higher performance can be designed by enhancing the performance that is lacking in the protection element. Furthermore, it is also possible to design a protection element that is optimal for a specific IC by enhancing the performance of the protection element required for the specific IC.

【0025】次に上記第1の基本原理としての保護素子
の能力分類法の適用例として、数種の保護素子の評価に
本評価法を適用した結果について説明する。
Next, as an application example of the method for classifying the ability of protective elements as the first basic principle, the results of applying this evaluation method to the evaluation of several types of protective elements will be explained.

【0026】ここで、先ず、保護素子の限界吸収エネル
ギー能力を知るために、従来からの試験方法によって保
護素子のみについての耐圧試験を行った。その結果を表
1に示す。なお試験回路に用いられるコンデンサの容量
Cを200pFとし、えられた耐圧を式(1/2)CV
2 におけるVに代入して限界吸収エネルギー能力を算
出する。なお算出にあたっては、回路の内部抵抗で消費
されるエネルギーが考慮されている。
First, in order to find out the limit energy absorption capacity of the protection element, a withstand voltage test was conducted on only the protection element using a conventional test method. The results are shown in Table 1. Note that the capacitance C of the capacitor used in the test circuit is 200 pF, and the obtained breakdown voltage is expressed by the formula (1/2)CV
2 to calculate the limit absorption energy capacity. Note that the calculation takes into account the energy consumed by the internal resistance of the circuit.

【0027】[0027]

【表1】 上記表1にみられるように、タイプ1の保護素子の耐圧
は600 Vでその限界吸収エネルギー量は2.08×
10−5ジュールであり、一方タイプ2の保護素子の耐
圧は130 Vでその限界吸収エネルギー量は1.35
×10−6ジュールであることが分る。
[Table 1] As shown in Table 1 above, the withstand voltage of type 1 protection element is 600 V, and its limit absorbed energy amount is 2.08×
10-5 joules, while the withstand voltage of type 2 protection element is 130 V and its limit absorbed energy amount is 1.35
It turns out that it is x10-6 joules.

【0028】次に上記各保護素子のエネルギー吸収能力
を知るために、上記抵抗評価法により、上記タイプ1お
よび2の保護素子の抵抗(R)の評価を行った。その結
果を印加電圧を横軸(対数目盛とする)として図1に示
す。該図に示すように、抵抗(すなわち放電抵抗)はあ
る電圧を越えたところから急激に減少し、一定値に飽和
する。この抵抗の変化点は、保護素子が働きを始める(
エネルギーを吸収し始める)電圧に相当すると考えられ
る。ここで、この電圧を該保護素子の動作電圧と呼ぶこ
ととし、該図では抵抗Rが30オームとなったときの印
加電圧V1 およびV2 をそれぞれタイプ1およびタ
イプ2の保護素子の動作電圧としている。
Next, in order to find out the energy absorption ability of each of the protection elements described above, the resistance (R) of the protection elements of types 1 and 2 was evaluated using the resistance evaluation method described above. The results are shown in FIG. 1, with the applied voltage on the horizontal axis (on a logarithmic scale). As shown in the figure, the resistance (that is, the discharge resistance) decreases rapidly after a certain voltage is exceeded, and saturates to a constant value. The point at which this resistance changes is the point at which the protection element begins to work (
It is thought that this corresponds to the voltage at which the energy begins to be absorbed. Here, this voltage is referred to as the operating voltage of the protection element, and in the figure, the applied voltages V1 and V2 when the resistance R becomes 30 ohms are the operating voltages of the type 1 and type 2 protection elements, respectively. .

【0029】このようにして耐圧の大小のみを比較する
従来の評価に比べ、本手法による保護素子の抵抗評価を
加えることで次のように明確な保護素子の総合評価が可
能になる。すなわち上記表1、図1より、■タイプ1の
保護素子は限界吸収エネルギー量が大きいので、比較的
強い内部回路に適用して耐圧を高める用途に適している
が、ただ動作電圧が高いため、低電圧では保護能力がな
く、低電圧で破壊するICには使用できない。また■タ
イプ2の保護素子は限界吸収エネルギー量が小さいので
、強度不足であり実用にはならないが、動作電圧が低い
ので、内部回路が非常に弱い場合(低電圧で破壊するI
C)の保護には有効である。以上のようにして保護素子
の能力分類が可能となる。
Compared to the conventional evaluation in which only the magnitude of breakdown voltage is compared in this way, by adding the resistance evaluation of the protection element according to the present method, it becomes possible to clearly comprehensively evaluate the protection element as follows. In other words, from Table 1 and Figure 1 above, type 1 protection elements have a large limit absorption energy, so they are suitable for applications where they are applied to relatively strong internal circuits to increase withstand voltage, but because of their high operating voltage, It has no protection ability at low voltages and cannot be used for ICs that are destroyed at low voltages. Type 2 protection elements have a small limit absorption energy, so they are not strong enough to be of practical use; however, because the operating voltage is low, if the internal circuit is very weak (I
It is effective for protecting C). As described above, it is possible to classify the capabilities of protection elements.

【0030】なお上記タイプ1の保護素子の1例は、図
3に示されるようなエミッターベース間を短絡したトラ
ンジスタにより構成される。そして電源線によりVCC
に高電圧が印加されると先ずコレクタC(n層)からベ
ースB(P+ 層)にかけてブレークダウンを生じ、そ
れによってコレクタCからエミッタEにかけてBip動
作が生じるようになるが、その際の動作電圧は比較的高
い。 一方、上記タイプ2の保護素子の1例は、図4に示され
るようなコレクターエミッタ間を短絡したトランジスタ
により構成される。そして電源線VCCに高電圧が印加
されるとエミッタE(n+ 層)からベースB(P+ 
層)にかけてブレークダウンを生ずるが、その際の動作
電圧は比較的低い。
[0030] An example of the above-mentioned type 1 protection element is constituted by a transistor whose emitter and base are short-circuited as shown in FIG. And VCC by power line
When a high voltage is applied to , a breakdown occurs first from the collector C (n layer) to the base B (P+ layer), and as a result, Bip operation occurs from the collector C to the emitter E, but the operating voltage at that time is relatively high. On the other hand, one example of the above type 2 protection element is constituted by a transistor whose collector and emitter are short-circuited as shown in FIG. Then, when a high voltage is applied to the power supply line VCC, the voltage from the emitter E (n+ layer) to the base B (P+
However, the operating voltage at this time is relatively low.

【0031】次に上記第2の基本原理としての保護素子
の最適化方法の適用例について説明する。これはICの
保護素子の適合性を本開発手法で調査を行い、更により
有効な保護素子の開発を行うものである。そこで先ず、
上記タイプ1とタイプ2の保護素子を用いて試作したI
Cの耐圧、及び保護素子単独の耐圧を表2に示す。なお
要求耐圧は300 Vであるとする。
Next, an application example of the protection element optimization method as the second basic principle will be explained. This is to investigate the suitability of IC protection elements using the developed method, and to develop even more effective protection elements. So first of all,
I was prototyped using the above type 1 and type 2 protection elements.
Table 2 shows the breakdown voltage of C and the breakdown voltage of the protection element alone. It is assumed that the required withstand voltage is 300V.

【0032】[0032]

【表2】 上記表2にみられるように、タイプ1の保護素子を付加
したICの耐圧は470Vとなるのに対し、タイプ2の
保護素子を付加したICの耐圧は160 Vである。な
おタイプ1およびタイプ2の保護素子単独の耐圧は、上
記表1にみられるように、それぞれ600 Vおよび1
30 Vである。
[Table 2] As shown in Table 2 above, the breakdown voltage of the IC added with the type 1 protection element is 470V, while the breakdown voltage of the IC added with the type 2 protection element is 160V. The breakdown voltage of type 1 and type 2 protective elements alone is 600 V and 1 V, respectively, as shown in Table 1 above.
It is 30V.

【0033】次に上記ICの耐圧から求めたICの破壊
エネルギーを基にして、それぞれの抵抗により求めた保
護素子および内部回路へのエネルギー分配量をそれぞれ
の限界吸収エネルギー量と比較して、ICの破壊個所の
判定を行う。なお上記タイプ2の保護素子は強度が足り
ず実用にならないので、上記タイプ1の保護素子につい
てのみ検討する。その結果を表3に示す。
Next, based on the breakdown energy of the IC determined from the withstand voltage of the IC, the amount of energy distributed to the protection element and internal circuit determined by each resistor is compared with the limit absorption energy amount of each, and the IC Determine the location of destruction. Note that since the protection element of type 2 is not practical due to insufficient strength, only the protection element of type 1 will be discussed. The results are shown in Table 3.

【0034】[0034]

【表3】[Table 3]

【0035】上記表3に示されるように、付加保護素子
のタイプは上記タイプ1であり、その際のIC(タイプ
1の保護素子と内部回路からなる)の破壊エネルギー(
該ICが破壊したときのエネルギーで、式(1/2)C
V2 のVに上記耐圧470 Vを代入し、更に回路の
内部抵抗によるエネルギー消費量を考慮して算出する)
は、1.27×10−5ジュールとなる。次いで該破壊
エネルギーが、上記保護素子および内部回路にどのよう
に分配されるかをそれぞれの抵抗をもとにして算出する
と、保護素子に分配されるエネルギーが1.11×10
−5ジュールであり、内部回路に分配されるエネルギー
が1.61×10−6ジュールとなる。一方、該保護素
子単独の限界吸収エネルギーは表1に示されるように2
.08×10−5ジュールであり、また内部回路単独の
限界吸収エネルギー(内部回路単独で耐圧試験を行って
その実測値を式(1/2)CV2 のVに代入して算出
した)は、1.44×10−6ジュールであった。した
がって該分配されたエネルギーをそれぞれの限界吸収エ
ネルギーと比較することにより、保護素子は破壊せず、
(すなわち1.11×10−5<2.08×10−5)
、一方内部回路は破壊する(すなわち1.61×10−
6>1.44×10−6)ことが分る。このようにIC
の内部回路が破壊するため、上記表2に示されるように
、タイプ1の保護素子を付加したICの耐圧(470 
V)は、該保護素子単独の耐圧(600 V)より低下
することも理解される。
As shown in Table 3 above, the type of additional protection element is Type 1, and the breakdown energy of the IC (consisting of Type 1 protection element and internal circuit) is
The energy when the IC is destroyed is expressed by the formula (1/2)C
(Calculated by substituting the above breakdown voltage of 470 V for V2 and taking into account the energy consumption due to the internal resistance of the circuit)
is 1.27 x 10-5 joules. Next, when calculating how the destructive energy is distributed to the protection element and internal circuit based on the respective resistances, the energy distributed to the protection element is 1.11×10
-5 joules, and the energy distributed to the internal circuit is 1.61 x 10-6 joules. On the other hand, the limit absorption energy of the protection element alone is 2 as shown in Table 1.
.. 08 x 10-5 joules, and the limit absorption energy of the internal circuit alone (calculated by conducting a withstand voltage test on the internal circuit alone and substituting the measured value for V in equation (1/2) CV2) is 1 It was .44 x 10-6 joules. Therefore, by comparing the distributed energy with the respective limit absorption energy, the protective element will not be destroyed;
(i.e. 1.11×10-5<2.08×10-5)
, while the internal circuit is destroyed (i.e. 1.61×10−
6>1.44×10−6). In this way, the IC
As shown in Table 2 above, the withstand voltage (470
It is also understood that V) is lower than the withstand voltage (600 V) of the protection element alone.

【0036】このように破壊個所が判定されることによ
り、保護素子の適性及び必要な最適化対策が明確になる
。すなわち上記の場合は、上述したように内部回路に破
壊危険性がある場合に相当し、したがって該保護素子の
抵抗値Rを下げ、該保護素子の静電気エネルギー吸収能
力を高める必要があることが分る。すなわち上記タイプ
1の保護素子を採用したICは、該保護素子が自己の限
界吸収エネルギーの約1/2しかエネルギーを吸収して
おらず、一方、内部回路は限界以上のエネルギーを吸収
して破壊したと推定されるため、該内部回路を完全保護
してICの耐圧を高めるためには、保護素子の抵抗値を
下げてその静電気エネルギー吸収能力を高める必要があ
ることが分る。
By determining the location of destruction in this manner, the suitability of the protection element and necessary optimization measures become clear. In other words, the above case corresponds to a case where there is a risk of destruction in the internal circuit as described above, and it is therefore understood that it is necessary to lower the resistance value R of the protection element and increase the electrostatic energy absorption ability of the protection element. Ru. In other words, in an IC that employs the above-mentioned type 1 protection element, the protection element absorbs only about 1/2 of its own limit absorption energy, while the internal circuit absorbs energy exceeding the limit and is destroyed. Therefore, it is understood that in order to completely protect the internal circuit and increase the withstand voltage of the IC, it is necessary to lower the resistance value of the protection element and increase its ability to absorb electrostatic energy.

【0037】次に上記第3の基本原理としての最適保護
素子の設計の適用例について説明する。そしてここでは
、上記タイプ1の保護素子はこのICの規格をクリアで
きる(すなわち該保護素子を付加したICの耐圧(47
0 V)が要求耐圧(300 V)を越えているので)
が、その動作電圧を下げることで、より完全な保護素子
とすることについて説明する。
Next, an example of application of the optimal protection element design as the third basic principle will be explained. And here, the above type 1 protection element can clear the standard of this IC (that is, the breakdown voltage of the IC to which the protection element is added (47
(0 V) exceeds the required withstand voltage (300 V))
However, we will explain how to make a more complete protection element by lowering its operating voltage.

【0038】すなわち動作電圧が低いという利点をもつ
タイプ2の保護素子の特徴を、タイプ1の保護素子に加
えた新タイプの保護素子の製作を行った結果を、タイプ
1の保護素子との比較で、抵抗値Rについて図2に、ま
た耐圧について表4に示す。すなわち図2において、V
1 は上記タイプ1の保護素子の動作電圧であり、また
V3 は新タイプの保護素子の動作電圧である。また表
4には、上記タイプ1および新タイプの保護素子単独の
静電気耐圧および限界吸収エネルギー量をそれぞれ示し
ている。
In other words, the results of manufacturing a new type of protection element in which the characteristics of the type 2 protection element, which has the advantage of low operating voltage, are added to the type 1 protection element, are compared with the type 1 protection element. The resistance value R is shown in FIG. 2, and the breakdown voltage is shown in Table 4. That is, in FIG. 2, V
1 is the operating voltage of the above type 1 protection element, and V3 is the operating voltage of the new type protection element. Further, Table 4 shows the electrostatic withstand voltage and the limit absorbed energy amount of the protective element of Type 1 and the new type, respectively.

【0039】[0039]

【表4】[Table 4]

【0040】ここで上記新タイプの保護素子の1例は、
図5に示されるようなコレクターベース間を短絡したト
ランジスタにより構成される。そして電源線VCCに高
電圧が印加されると、先ずエミッタE(n+ 層)から
ベースB(P+ 層)にかけてブレークダウンし、これ
によってエミッタEからコレクタCにかけて逆Bip動
作が起こり、該エミッタEからベースBにかけての電流
パスと、該エミッタEからコレクタCにかけての電流パ
スが生成される。これによって動作電圧が低くかつ抵抗
値Rも低い保護素子がえられる。すなわちかかる保護素
子の特徴は、動作電圧が低く(したがって低電圧で破壊
するICにも使用可能であり)、抵抗値Rが低く(静電
気エネルギー吸収能力が高く)、また耐圧(限界吸収エ
ネルギー量)もそれ程低下しないということである。
[0040] Here, one example of the above-mentioned new type of protection element is as follows.
It is composed of a transistor whose collector and base are short-circuited as shown in FIG. When a high voltage is applied to the power supply line VCC, it first breaks down from the emitter E (n+ layer) to the base B (P+ layer), which causes a reverse Bip operation from the emitter E to the collector C, and from the emitter E to the base B (P+ layer). A current path to the base B and a current path from the emitter E to the collector C are generated. As a result, a protection element having a low operating voltage and a low resistance value R can be obtained. In other words, the characteristics of such a protection element are that the operating voltage is low (therefore, it can be used for ICs that break down at low voltages), the resistance value R is low (high electrostatic energy absorption capacity), and the withstand voltage (limit amount of absorbed energy) is low. This means that it does not decrease that much.

【0041】このように設計した新タイプの保護素子を
用いてICの評価を行い効果の確認を行った。表5には
かかる新タイプの保護を素子を付加した。ICの耐圧を
示す。比較のためにタイプ1の保護素子を用いたICの
結果も示す。
Using the new type of protection element designed as described above, an IC was evaluated and its effectiveness was confirmed. In Table 5, such a new type of protection element is added. Indicates the withstand voltage of the IC. For comparison, the results of an IC using a type 1 protection element are also shown.

【0042】[0042]

【表5】 上記表5に示されるように、タイプ1の保護素子を付加
したICの耐圧(470V)は保護素子単独の耐圧(6
00 V)より低下するのに対して、新タイプの保護素
子を付加したICの耐圧(510 V)は該保護素子単
独の耐圧(470 V)より向上する。これは上記新タ
イプの保護素子を付加した結果、後述するようにICの
内部回路が強くなり(それ相応のエネルギーを吸収し)
、IC全体としての限界吸収エネルギー量が該新タイプ
の保護素子単独の限界吸収エネルギー量より増加したこ
とによる。
[Table 5] As shown in Table 5 above, the breakdown voltage (470V) of an IC with a type 1 protection element added is the breakdown voltage of the protection element alone (6
00 V), whereas the breakdown voltage of the IC with the new type of protection element added (510 V) is higher than the breakdown voltage of the protection element alone (470 V). As a result of adding the above-mentioned new type of protection element, the internal circuit of the IC becomes stronger (absorbs a corresponding amount of energy), as will be explained later.
This is because the limit absorption energy amount of the entire IC has increased compared to the limit absorption energy amount of the new type of protection element alone.

【0043】また該新タイプの保護素子を付加したIC
の破壊エネルギー、該破壊時に該保護素子および内部回
路に分配されるエネルギー分配量が表6に示されており
、また該保護素子および内部回路単独での限界吸収エネ
ルギー量が表7に示される。
[0043] Also, an IC to which the new type of protection element is added
Table 6 shows the breakdown energy of the breakdown energy and the amount of energy distributed to the protection element and internal circuit at the time of breakdown, and Table 7 shows the limit absorption energy amount of the protection element and internal circuit alone.

【0044】[0044]

【表6】[Table 6]

【表7】[Table 7]

【0045】上記表6および表7に示されるように、該
内部回路へ分配されるエネルギー分配量(6.28×1
0−7ジュール)は上記表3の場合(1.61×10−
6ジュール)より減少しており、かつ内部回路単独の限
界吸収エネルギー量(1.44×10−6ジュール)よ
りも少なくなっている。その結果、内部回路は十分に保
護されており、破壊することがなくなる。一方、該保護
素子へ分配されるエネルギー分配量(1.16×10−
5ジュール)は該保護素子単独の限界吸収エネルギー量
(1.07×10−5ジュール)より大きくなっており
、これは上記耐圧470 Vに相当する該保護素子自身
の限界吸収エネルギーによって該保護素子自身が破壊し
たことを示しており、該保護素子の破壊時点が該保護素
子を付加したICの破壊時点になることを示している。
As shown in Tables 6 and 7 above, the amount of energy distributed to the internal circuit (6.28×1
0-7 joules) in the case of Table 3 above (1.61 x 10-
6 joules), and is also smaller than the limit absorption energy amount of the internal circuit alone (1.44 x 10-6 joules). As a result, the internal circuitry is well protected and cannot be destroyed. On the other hand, the amount of energy distributed to the protection element (1.16×10−
5 joules) is larger than the limit absorption energy of the protection element alone (1.07 x 10-5 joules), which is due to the limit absorption energy of the protection element itself corresponding to the above-mentioned withstand voltage of 470 V. This indicates that the protection element itself is destroyed, and the time of destruction of the protection element is the time of destruction of the IC to which the protection element is attached.

【0046】このように上記新タイプの保護素子は、そ
の限界吸収エネルギー量がタイプ1の保護素子より低い
にも拘らず、その動作電圧が下り、抵抗Rが低くなった
結果、内部回路を完全に保護できるようになり、上述し
たように該保護素子を付加したICの耐圧(510 V
)はタイプ1の保護素子を付加したICの耐圧(470
 V)よりも向上した。このようにして内部回路を破壊
することがなく、ICに対する保護能力の高い保護素子
を容易に設計試作することができる。
As described above, although the above-mentioned new type of protection element has a lower limit absorption energy amount than the type 1 protection element, its operating voltage has been lowered and the resistance R has been lowered, so that the internal circuit can be completely removed. As mentioned above, the withstand voltage (510 V) of the IC with this protection element added
) is the withstand voltage (470
V) was improved. In this way, it is possible to easily design and prototype a protection element with high protection ability for an IC without destroying the internal circuit.

【0047】[0047]

【発明の効果】本発明によれば、大電圧、大電流のもと
での保護素子の実際に則した性能を簡単なパラメータで
評価することができ、合理的な保護素子の選択が可能と
なる。また破壊に至るまでの保護素子の放電性能が明ら
かになるため、該保護素子の改良すべき点が明確になり
、的確な保護素子の強化設計が可能となり、それによっ
て目的のICに対して最適な保護素子の選択を迅速に行
うことができる。
[Effects of the Invention] According to the present invention, it is possible to evaluate the actual performance of a protection element under large voltages and large currents using simple parameters, and it is possible to rationally select a protection element. Become. In addition, since the discharge performance of the protection element up to destruction becomes clear, the points that should be improved in the protection element become clear, and it becomes possible to accurately strengthen the protection element design. A suitable protection element can be selected quickly.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】保護素子の印加電圧に対する抵抗Rの変化の状
況の1例を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing an example of how the resistance R changes with respect to the applied voltage of a protection element.

【図2】保護素子の印加電圧に対する抵抗Rの変化の状
況の他の例を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing another example of how the resistance R changes with respect to the applied voltage of the protection element.

【図3】保護素子の1タイプを例示する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating one type of protection element.

【図4】保護素子の他のタイプを例示する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating another type of protection element.

【図5】保護素子の更に他のタイプを例示する図である
FIG. 5 is a diagram illustrating still another type of protection element.

【図6】従来技術におけるICの静電気耐圧測定回路を
例示する図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating a conventional IC electrostatic withstand voltage measurement circuit.

【図7】保護素子の放電電流波形を例示する図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a discharge current waveform of a protection element.

【図8】ICの入出力端子と内部回路間に保護素子が組
み込まれる場合の1例を示す回路図である。
FIG. 8 is a circuit diagram showing an example of a case where a protection element is incorporated between an input/output terminal of an IC and an internal circuit.

【図9】ICの電源端子と内部回路間に保護素子が組み
込まれる場合の他の例を示す回路図である。
FIG. 9 is a circuit diagram showing another example in which a protection element is incorporated between a power supply terminal of an IC and an internal circuit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

V…電源 C…コンデンサ 2…ICの入出力端子 3,4,8…保護素子 7…内部回路 9…ICの電源端子 V…Power supply C...Capacitor 2...IC input/output terminal 3, 4, 8...protective element 7...Internal circuit 9...IC power supply terminal

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  ICに接続する該ICの保護素子の選
択に際し、該保護素子の静電気エネルギー吸収能力を決
める評価パラメータとして、(印加エネルギー/∫(放
電電流)2dt)で定義される抵抗値を用い、それに基
づいて該ICに適した保護素子を選択することを特徴と
するICの保護素子最適化方法。
Claim 1: When selecting a protection element for the IC to be connected to the IC, a resistance value defined as (applied energy/∫(discharge current) 2dt) is used as an evaluation parameter that determines the electrostatic energy absorption ability of the protection element. A method for optimizing a protection element for an IC, the method comprising: selecting a protection element suitable for the IC based on the selected protection element.
【請求項2】  前記保護素子の破壊電圧に基づいて定
義される該保護素子の限界吸収エネルギー量と、前記I
Cの内部回路の破壊電圧に基いて定義される該内部回路
の限界吸収エネルギー量と、該保護素子を含むICに印
加される電圧に基づいて定義される印加エネルギー量と
を導出し、前記抵抗値に基づいて、該保護素子及び該内
部回路に対する該印加エネルギーの分配量を導出すると
共に、該保護素子及び該内部回路各々について、該限界
吸収エネルギーと該印加エネルギーの分配量とを比較す
ることにより、該ICに対する該保護素子の適合性を判
断することを特徴とする請求項1記載のICの保護素子
最適化方法。
2. The limit absorption energy amount of the protection element defined based on the breakdown voltage of the protection element, and the I
The limit absorption energy amount of the internal circuit defined based on the breakdown voltage of the internal circuit of C and the applied energy amount defined based on the voltage applied to the IC including the protection element are derived, and the resistor Deriving the distribution amount of the applied energy to the protection element and the internal circuit based on the value, and comparing the limit absorption energy and the distribution amount of the applied energy for each of the protection element and the internal circuit. 2. The method of optimizing a protection element for an IC according to claim 1, wherein suitability of the protection element to the IC is determined based on the following.
【請求項3】  保護素子、内部回路、或いはその双方
を含むICなどの被測定回路に対して電源及びコンデン
サを並列に接続し、該コンデンサの充放電を行なうこと
で該被測定回路に所望の電圧を印加し、前記電源により
印加される電源電圧と、前記コンデンサの容量に基づい
て前記各エネルギー量を導出することを特徴とする請求
項2記載のICの保護素子最適化方法。
3. A power supply and a capacitor are connected in parallel to the circuit under test, such as an IC that includes a protection element, an internal circuit, or both, and the capacitor is charged and discharged to provide the circuit under test with the desired power. 3. The IC protection element optimization method according to claim 2, wherein a voltage is applied and each amount of energy is derived based on the power supply voltage applied by the power supply and the capacitance of the capacitor.
【請求項4】  請求項1ないし3記載の最適化方法に
より選択された保護素子が搭載されていることを特徴と
する保護素子を搭載したIC。
4. An IC equipped with a protection element, characterized in that the protection element selected by the optimization method according to claim 1 is mounted.
JP3052496A 1990-09-10 1991-03-18 Method of optimizing ic protection element and ic mounted with the protection element Withdrawn JPH04288866A (en)

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JP3052496A JPH04288866A (en) 1991-03-18 1991-03-18 Method of optimizing ic protection element and ic mounted with the protection element
KR1019910015782A KR960015347B1 (en) 1990-09-10 1991-09-10 Semiconductor device
EP19910308247 EP0480582A3 (en) 1990-09-10 1991-09-10 A semiconductor device with a protective element
US08/475,504 US5670885A (en) 1990-09-10 1995-06-07 Semiconductor device
US08/591,955 US5648676A (en) 1990-09-10 1996-01-23 Semiconductor device with protective element

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007305917A (en) * 2006-05-15 2007-11-22 Nec Electronics Corp Semiconductor device

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JP2007305917A (en) * 2006-05-15 2007-11-22 Nec Electronics Corp Semiconductor device

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