ESD防護(hù)器件測(cè)試系統(tǒng)性能研究

王振興，武占成，張希軍，高永生

（軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所，河北石家莊 050003）

ESD防護(hù)器件測(cè)試系統(tǒng)性能研究

王振興，武占成，張希軍，高永生

（軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所，河北石家莊 050003）

靜電放電（ESD）的測(cè)試方法主要為人體模型（HBM）、人體－金屬模型（BMM）和機(jī)器模型（MM）等，近年來(lái)傳輸線脈沖（TLP）測(cè)試方法得到廣泛使用。基于TLP測(cè)試?yán)碚摻⒘薊SD防護(hù)器件測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試研究。測(cè)試發(fā)現(xiàn)不同脈寬的測(cè)試方波對(duì)器件的峰值電流、峰值電流時(shí)間和箝位時(shí)間影響不大，但脈沖結(jié)束電流和箝位電壓隨著脈寬增大而減小，同時(shí)較長(zhǎng)的傳輸線會(huì)產(chǎn)生較寬的延遲脈寬，對(duì)測(cè)試結(jié)果并未產(chǎn)生影響。

ESD；TLP；脈寬；傳輸線線長(zhǎng)

靜電放電（ESD）嚴(yán)重影響電子器件和集成電路的可靠性。ESD測(cè)試模型使用較多的是人體模型（HBM）、人體－金屬模型（BMM）和機(jī)器模型（MM）等［1］。近年來(lái)傳輸線脈沖（TLP）測(cè)試方法被Intel等大公司發(fā)明，由于TLP測(cè)試方法可以描繪出器件在ESD作用下的電流、電壓特性，因此得到廣泛使用［2］，但當(dāng)前TLP測(cè)試方法并沒(méi)有制定出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。瞬態(tài)電壓抑制管等保護(hù)器件是現(xiàn)在電子線路中必不可少的組成部分，而器件的箝位電壓和響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)是反映其性能的重要參數(shù)。

1 ESD防護(hù)器件測(cè)試系統(tǒng)

當(dāng)前主要的TLP測(cè)試方法有以下幾類(lèi)［3］。

1）時(shí)域反射TDR TLP：直接使用示波器測(cè)量被測(cè)器件的入射波和反射波。

2）時(shí)域傳輸和反射TDRT TLP：利用傳輸和反射波混合的測(cè)量方式。

3）時(shí)域傳輸TDT TLP：在示波器上直接測(cè)量傳輸波形的TLP測(cè)試方式。

4）電流源（Current Source）TLP：在DUT上串聯(lián)500Ω的電阻，然后測(cè)量DUT的電壓和電流。

筆者根據(jù)時(shí)域傳輸TDT TLP測(cè)試方法建立了ESD防護(hù)器件性能測(cè)試系統(tǒng)，圖1為建立的ESD防護(hù)器件測(cè)試系統(tǒng)示意圖。

ESD防護(hù)器件測(cè)試系統(tǒng)主要由高頻噪聲發(fā)生器、同軸線、測(cè)試夾具、脈沖衰減器和示波器組成。由高頻噪聲發(fā)生器產(chǎn)生脈寬和幅值可調(diào)的方波，經(jīng)過(guò)同軸線傳輸施加在固定在測(cè)試夾具上的器件上。同時(shí)器件兩端的電壓值（即夾具兩端的電壓值）經(jīng)衰減器后在示波器上顯示。由于采樣電阻與器件串聯(lián)在一起，測(cè)量采樣電阻兩端的電壓，即可計(jì)算出流經(jīng)器件上的電流值。為了滿足測(cè)試系統(tǒng)的輸入阻抗和特性阻抗的匹配，系統(tǒng)采用的高頻噪聲發(fā)生器、同軸線、測(cè)試夾具和示波器的特性阻抗都是50Ω。

系統(tǒng)中使用的方波源為日本Noiseken公司生產(chǎn)的ISN-4040高頻噪聲模擬發(fā)生器，使用的示波器為T(mén)ektronix公司生產(chǎn)的7154B型示波器。系統(tǒng)將2個(gè)MS2-4000型30 dB脈沖衰減器串聯(lián)使用，以達(dá)到60 dB衰減。采樣電阻選擇阻值1Ω、最大功率為10 W的無(wú)感電阻。

圖1 ESD防護(hù)器件測(cè)試系統(tǒng)示意圖

2 ESD防護(hù)器件測(cè)試系統(tǒng)性能研究

2.1 方波源波形分析

ESD在時(shí)域上具有較快的上升沿（ns甚至ps級(jí)），HBM放電波形的上升沿為2～10 ns，而B(niǎo)MM放電波形的上升時(shí)間為0.7～1 ns；在頻域上，則覆蓋較寬的頻帶，達(dá)到GHz的特點(diǎn)。為了使測(cè)試結(jié)果更加精確，TLP測(cè)試采用的方波波形的上升時(shí)間也應(yīng)當(dāng)為ns級(jí)，且頻域覆蓋范圍也必須較寬。

圖2是ISN-4040型高頻噪聲模擬發(fā)生器產(chǎn)生的方波波形，圖3是日本Noiseken公司生產(chǎn)的ESS－200AX靜電放電槍產(chǎn)生的人體金屬模型的靜電電壓（BMM）波形。

圖2 ISN-4040型高頻噪聲模擬發(fā)生器產(chǎn)生的方波波形

圖3 ESS-200AX靜電放電槍產(chǎn)生的BMM波形

從時(shí)域波形可以看出，方波波形和BMM波形的上升時(shí)間均小于1 ns，同時(shí)由于方波的電壓波形更加規(guī)整，電壓值較為穩(wěn)定，因此可以更好地看出器件在一定電壓下的行為。

分別對(duì)方波波形和靜電放電BMM波形進(jìn)行頻域分析［4］，比較兩者的頻域范圍，其結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 方波波形頻域范圍

圖5 BMM波形頻域范圍

通過(guò)比較方波波形和BMM放電波形的頻域范圍可以看出：方波和BMM波形都具有較寬的頻帶，方波的頻率達(dá)到1.25 GHz，而B(niǎo)MM波形的頻率可達(dá)到1.5 GHz；但同時(shí)方波和BMM的能量都集中在低頻頻段，主要在0～500 MHz之間。

2.2 方波脈寬對(duì)測(cè)試結(jié)果影響

對(duì)ESD保護(hù)器件注入不同脈寬的方波，測(cè)試器件的電壓、電流和開(kāi)啟時(shí)間等參數(shù)，通過(guò)比較各個(gè)參數(shù)在不同注入電壓下的變化，以確定脈寬對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

圖6和圖7分別是對(duì)PESD5V0U1BA注入電壓為100 V、脈寬為100 ns方波時(shí)器件兩端的電流、電壓波形?？梢钥闯?，當(dāng)在器件兩端施加方波電壓時(shí)，器件內(nèi)流過(guò)的電流迅速增大，當(dāng)電流增大到峰值電流后又開(kāi)始減小。當(dāng)注入電壓脈沖結(jié)束，器件中流過(guò)的電流值被稱為脈沖結(jié)束電流；器件中流過(guò)的電流達(dá)到峰值電流的時(shí)間稱為峰值電流時(shí)間。同時(shí)器件中的電壓并不能很快被箝位到較低的電壓，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較大的過(guò)沖電壓。器件最終將高壓箝位到較低穩(wěn)定值，定義這個(gè)穩(wěn)定值為箝位電壓。當(dāng)器件兩端的電壓達(dá)到器件箝位電壓的1.1倍時(shí)的時(shí)間定義為箝位時(shí)間。

圖6 PESD5V0U1BA電流波形

圖7 PESD5V0U1BA電壓波形

對(duì)雙極性TVS器件PESD5V0U1BA分別注入電壓為100 V和200 V，脈寬為50，100，150，200 ns的方波，測(cè)試其箝位時(shí)間、峰值電流和峰值電流時(shí)間，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 箝位時(shí)間、峰值電流、峰值電流時(shí)間測(cè)試結(jié)果

從表1可以看出，在相同的注入電壓下，不同脈寬的測(cè)試方波對(duì)器件的峰值電流、峰值電流時(shí)間和箝位時(shí)間影響不大。

對(duì)PESD5V0U1BA分別注入電壓為100 V和200 V，脈寬為50，100，150，200 ns的方波，測(cè)試其脈沖結(jié)束電流和箝位電壓，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8和圖9。

圖8 脈沖結(jié)束電流測(cè)試結(jié)果

圖9 箝位電壓測(cè)試結(jié)果

從圖8和圖9中可以看出：不同的脈寬下，脈沖結(jié)束電流和箝位電壓均隨著脈寬的增大而減小?？梢钥闯?00 ns脈寬下的脈沖結(jié)束電流和箝位電壓較50 ns脈寬下的脈沖結(jié)束電流和箝位電壓有較大的減小，而當(dāng)脈寬從100 ns增大到150 ns和200 ns時(shí)，器件的脈沖結(jié)束電流和箝位電壓的減小量較小。

2.3 同軸線長(zhǎng)度測(cè)試結(jié)果影響

利用傳輸線傳播方波脈沖時(shí)，必須考慮傳輸線的長(zhǎng)度、傳輸線的阻抗匹配、傳輸線的反射等問(wèn)題。通過(guò)改變方波源與測(cè)試夾具之間的同軸線的長(zhǎng)度，觀察測(cè)試結(jié)果的變化，從而可以確定同軸線長(zhǎng)度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

圖10是方波源和測(cè)試夾具之間同軸線為2.42 m時(shí)，對(duì)器件注入電壓100 V、脈寬100 ns時(shí)得到的器件兩端電壓波形。從圖10中可以看出器件兩端的電壓在注入脈寬100 ns結(jié)束后，出現(xiàn)了一個(gè)約31 ns寬的電壓基本為0的延遲脈寬，然后會(huì)出現(xiàn)100 ns脈寬的反射電壓。延遲脈寬和反射電壓交叉出現(xiàn)直至衰減至0。

圖10 電壓100 V、脈寬100 ns時(shí)電壓全波形

分別在方波源和測(cè)試夾具之間用傳播介質(zhì)聚四氟乙烯，長(zhǎng)度分別為0.33，1.34，2.42，6.46 m長(zhǎng)的同軸線，對(duì)PESD5V0U1BA器件注入電壓100 V和200 V、脈寬100 ns方波進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，不同的傳輸線長(zhǎng)度僅影響了延遲脈寬的寬度，對(duì)測(cè)試結(jié)果的其他因素沒(méi)有影響。

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)TLP測(cè)試方法，建立了ESD防護(hù)器件性能測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由高頻噪聲發(fā)生器、同軸線、測(cè)試夾具、脈沖衰減器和示波器組成。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)性能的測(cè)試，可以看出方波源產(chǎn)生的方波完全可以描述出ESD的時(shí)域及頻域特性。隨著測(cè)試脈寬的增大，脈沖結(jié)束電流和箝位電壓會(huì)減小，且減小的趨勢(shì)隨脈寬變化。同時(shí)器件的峰值電流、峰值電流時(shí)間和箝位時(shí)間受到的影響不大。測(cè)試系統(tǒng)中較長(zhǎng)的傳輸線會(huì)產(chǎn)生較寬的延遲脈寬，但對(duì)測(cè)試結(jié)果并未產(chǎn)生影響。

［1］ 劉尚合，武占成.靜電放電及危害防護(hù)［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004.

［2］ CHARVAKA D，WARREN A，HORST G，et al.ESD in Silicon Integrated Circuits［M］.2nd ed.Texas：JOHN WILEY＆SONS，2002.

［3］ 陸 堅(jiān)，朱衛(wèi)良.一種新型IC保護(hù)單元ESD評(píng)價(jià)方式——TLP測(cè)試［J］.電子與封裝，2008，8（12）：12-16.

［4］ 張希軍，原青云，武占成.聚合物ESD抑制器抑制特性的測(cè)試方法［J］.高電壓技術(shù)，2007，33（11）：108-111.

［5］ 王新溫，李 萍.微波技術(shù)與天線［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

TN710

A

1008-1542（2011）07-0067-04

2011-06-25；責(zé)任編輯:張士瑩

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（60971042）

王振興（1986-），男，四川西充人，碩士研究生，主要從事靜電理論與防護(hù)技術(shù)方面的研究。