静电放电保护器件性能测试技术研究

张希军,范丽思,王振兴,王书平

(军械工程学院静电与电磁防护研究所,河北石家庄 050003)

静电放电保护器件性能测试技术研究

张希军,范丽思,王振兴,王书平

(军械工程学院静电与电磁防护研究所,河北石家庄 050003)

为准确测试静电放电(ESD)保护器件的性能、解决ESD产生的辐射场及其高频反射对测试结果的影响,本文研制了基于微带设计和电磁场屏蔽理论的专用测试夹具,评价了该夹具的传输特性,建立了由高频脉冲模拟器、专用测试夹具和示波器等组成的测试系统.利用该系统测试了某型号ESD保护器件的限幅响应时间、箝位电压和峰值电流等性能参数.测试结果表明,该测试系统能够满足ESD保护器件性能测试要求,可广泛应用于ESD保护器件设计和优化研究.

静电放电;保护器件;测试夹具;传输线

静电放电(ESD)作为一种近场电磁危害源,是造成电子产品受电过应力(EOS)而失效的最主要原因之一[1].据美国贝尔实验室的统计,仅集成电路制造业一项,全球每年因静电放电造成的损失达数百亿美元[2].对于静电敏感的电子产品,使用ESD保护器件是降低ESD敏感度的一种重要途径.

为了达到需要的抗ESD能力,应对器件的开启电压、箝位电压、响应时间、峰值电流等特征参数进行精确测试.但是ESD产生的辐射场及高频反射对测试结果的影响不容忽视.本文围绕这一问题,以某型ESD保护器件的测试为例,开展了ESD保护器件响应能力测试关键技术研究.研制了基于微带设计原理和电磁场屏蔽理论的专用测试夹具,建立了由高频噪声模拟器、专用测试夹具和示波器等组成的测试系统,测试了该保护器件的限幅响应时间、箝位电压和峰值电流.测试结果表明,该测试系统能够满足ESD保护器件性能测试要求,可广泛应用于ESD保护器件设计和优化研究.

1 静电放电保护器件的工作特性及其特征参数

ESD保护器件的工作原理具有两重性:一方面,提供一个低阻的泄放通道分流ESD电流、对感应能量进行旁路,防止被保护电路的损伤;同时抑制瞬态ESD电压快速上升,使管脚电压钳制在被保护电路的工作电压附近.采用多层可变电阻、二极管阵列、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、聚合物抑制器和可控硅等保护单元进行ESD保护设计,是电子产品抗ESD设计的常用方法.MOS晶体管是最常用的ESD保护器件,它利用保护单元工作在其一次击穿区来泄放ESD电流,保护单元在一次击穿区不会损伤.然而一次击穿区域有极限,这极限就是二次击穿特性,当保护单元因外加过度的电压或电流而进入二次击穿区后,将产生永久性的损伤.图1是通过传输线脉冲技术(TLP)获得的nMOSFET的I-V特性曲线图.

图1 nMOSFET在ESD应力下的电流-电压特性Fig.1 I-V characteristics of nMOSFE under ESD stress

图1所示曲线反映了电压的骤回(Snapback)现象,并且从中可以获取用于衡量ESD保护器件等级(ESDV)的参数.(It1,Vt1)是ESD保护器件的开启点,该点决定ESD保护器件何时开启;(It2,Vt2)是二次击穿点,ESDV等级通过二次击穿电流(It2)来衡量;(IH,VH)是维持点,维持电压(VH)的大小决定了器件的电位钳制能力,较小的VH能提供一条较低阻值的电流泄放路径;同时,ESD是一个高电位、强电场、大电流、瞬时短脉冲的过程[3],这要求保护器件要具有极快的限幅响应时间(τ).因此,二次击穿电流(It2)、开启电压(Vt1)、维持电压(VH)、二次击穿电压(Vt2)和限幅响应时间(τ)等,这些都是表征ESD保护器件抗静电能力的特征参数,也是电路设计所必需的参数.

2 传输线脉冲(TLP)测试方法

为了研究静电放电保护器件特性、得到其精确的特征参数,通常采用传输线脉冲(TLP)测试方法.TLP测试就是利用矩形短脉冲(脉冲宽度50～200 ns)来测量ESD防护器件在大电流应力下的电流-电压特性的方法.这个短脉冲模拟作用保护器件的ESD脉冲,同时匹配合适的传输结构和测试设备,将方波加到待测器件的引脚之间,同时用示波器测试器件两端的瞬时电压及流过的电流.每次测试后都测试器件的直流漏电流.在进行测试时,可以先从小电压脉冲开始,然后逐步增加电压直到获得足够多的数据,就可以做出完整的电压-电流曲线(如图1所示).瞬时电压-电流曲线和漏电流信息在ESD保护器件调试、优化设计过程中非常重要.通常测试脉冲的幅值要加大到使测试器件彻底损伤为止,从而获得其精确的最大脉冲电流即二次击穿电流It2,通过It2可以计算出器件的抗ESD能力.TL P测试结果与其他ESD测试模型测试结果具有相关性.如持续时间为100 ns、上升时间10 ns的TLP脉冲与人体模型HBM相关[4].文献[5]中规定,电子元器件测试的HBM ESD模型的放电电阻大小为1 500Ω,因此可以计算出测试器件的最大ESD承受电压:VESD≈It2×(1 500+Rdevice).其中Rdevice为在二次击穿点后器件的内阻值,此时,器件结面已经击穿呈导体性质,因此Rdevice可以忽略.

3 静电放电保护器件性能测试

3.1 测试系统组成

ESD EM P是一种瞬变电磁现象.在时域上具有陡峭的前沿(ns甚至p s级),宽度较窄(μs级甚至ns级);在频域上,则覆盖较宽的频带,达到GHz.TLP测试产生的窄方波,其上升时间也是ns级.因此,对ESD保护器件进行测试时应当采取必要措施减少干扰信号对测试结果的影响,使测试结果最大程度地体现出受试器件本身的特性.围绕这一问题,研制了基于微带设计原理和电磁场屏蔽理论的专用测试夹具,其作用主要有以下3点:1)固定被测器件;2)保证传输线匹配;3)隔离瞬态脉冲的辐射.

根据上述测试夹具建立了ESD防护器件性能测试系统.该系统由高频磁脉冲发生器、同轴电缆、测试夹具、衰减器以及数字存储示波器组成.为了保证整个测试回路内波形一致,测试系统选用的同轴电缆、测试夹具、衰减器、数字存储示波器的特性阻抗均为50Ω,从而满足阻抗匹配的条件.

因持续时间100 ns、上升时间<10 ns的TLP方波脉冲测试结果与人体模型HBM相关[5],因此,实验中的脉冲源为上海SAN KI公司生产的ENX-24高频脉冲发生器(方波,脉冲宽度50 ns～1μs,上升时间< 1 ns,输出脉冲幅值0～2 kV);示波器采用Tek TDS7154B(其采样频率为20 GHz,模拟带宽1.5 GHz).

3.2 测试夹具的具体结构

该测试夹具由一段微带线和顶部可拆卸的屏蔽金属盒构成,它采用同轴线转接头实现微带电路与高频磁脉冲发生器、数字存储示波器与测试器件引脚的连接.金属盒的作用是为了减少高频脉冲场对被测器件及其连线的影响,而金属盒两侧的同轴线转接头可以实现与其他测试设备的连接.微带线是基于传输线理论的微带设计原理而研制的50Ω微带线.微带线由接地片、基材、金属导体带、2个金属螺钉和绝缘衬垫构成.微带的接地片固定在金属腔体的内底面、金属导体两端分别与金属腔体两侧同轴线转接头的芯线相连,而金属螺钉贯穿基材与接地片形成电气连接.金属螺钉借助绝缘衬垫保证被测器件的2个管脚分别与接地片、金属导体电气相通,即被测器件接入微带电路.

3.3 测试夹具的传输特性

在高频电路中只有做到阻抗的匹配才能得到最大的功率传输,并减少信号在输入端和输出端的反射,提高信号的传输质量.因此,理想测试夹具的特性阻抗应该是连续的,即夹具内部不存在反射.为定量评价测试夹具的特性,利用安捷伦N5230A型矢量网络分析仪,对该测试夹具测试的传输特性进行了测试,测试结果如下:1)反射系数在4 GHz内均小于-20 dB;2)除个别频点,在1.5 GHz内驻波比小于1.2,在2～4 GHz内,驻波比约小于1.6;3)在4 GHz内都有平坦的频率响应.图2给出了测试夹具在4 GHz内测试得到的电压驻波比.

图2 测试夹具的驻波比Fig.2 VSWR of test clam p

3.4 测试结果

采用文中所述的测试系统,对某型号的ESD保护器件进行了测试.图3是脉宽100 ns、上升时间小于10 ns、电压幅值200 V的方波脉冲注入时的电压上冲测试波形.由图3可以得到该器件的钳位电压、限幅响应时间和过冲峰值电压.每次注入脉冲时都测试器件两端的瞬时电压、流过的电流及其直流漏电流,就可以得到图1所示的I-V特性曲线.

图3 上冲电压波形Fig.3 Overshoot voltage waveform

4 结论

研制了基于微带设计原理和电磁场屏蔽理论的ESD保护器件性能测试专用夹具,评价了测试夹具的传输特性,建立了由高频噪声模拟器、测试夹具和示波器等组成的测试系统,测试了某型ESD保护器件的限幅响应时间、箝位电压和峰值电流.测试结果表明,该测试系统能够满足ESD保护器件性能测试要求,可广泛应用于ESD保护器件设计和优化研究.

[1]HONDA M.New threat-EM Ieffect by indirect ESD on electronic equipment[J].IEEE Trans on Industry App lication, 1989(25):939-944.

[2]HOPEWELL N J.Bell labs engineers detect Invisible microcircuit killers[M].New Jersey:Lucent Technologies,Press Releases,1998.

[3]刘尚合,魏光辉,刘直承,等.静电理论与保护[M].北京:兵器工业出版社,1999:180-184.

[4]刘尚合,武占成,朱长清,等.静电放电与危害防护[M].北京:北京邮电大学出版社,2004:137-138.

[5]IEC 61340-3-1,2006.Methods fo r simulation of electrostatic effects-human body model[HBM]electrostatic discharge test w avefo rm s[S].

Research on Technique of Performance Test to ESD Protection Device

ZHANG Xi-jun,FAN Li-si,WANG Zhen-xing,WANG Shu-ping
(Electrostatic and Electromagnetic Protection Research Institute, O rdnance M echanical Engineering College,Shijiazhuang 050003,China)

Acco rding to the p roblem sof the effectsof ESD radiation field and HF reflection on the testing results,a special test clamp,w hich is based on micro-strip design p rincip le and electromagnetic field theo ry,w as developed in o rder to m eet the requirement of the accu rate measurement of ESD p ro tection device.The transmission characterization of the test clamp was tested.A testing system w hich composed of HF pulse sim ulator,special test clamp and oscilloscope was developed.Using the testing system,the response time,the clamping vo ltage and the peak current of a p rotection device were measured.The results showed that the test system could be used w idely in the design and the op timization of the ESD p rotection device.

ESD;p rotection device;test clamp;transmission line pulse(TLP)

TN 306

A

1000-1565(2010)05-0609-04

2010-03-10

国家自然科学基金资助项目(60971042);国防科技重点实验室基金资助项目(9140C87020410JB3403)

张希军(1969—),女,河北唐山人,军械工程学院副教授,主要从事静电理论与防护技术研究.

(责任编辑:梁俊红)